單片濕法刻蝕—《華林科納-半導(dǎo)體工藝》

摘要
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絕緣體上硅（SOI）晶片是目前非常重要的材料，它是通過使用兩個(gè)硅晶片的晶片鍵合技術(shù)制備的。該生產(chǎn)過程需要在硅晶片表面形成的二氧化硅薄膜非常干凈和平坦。為了有效提高氧化后二氧化硅膜厚的均勻性，單片濕法刻蝕法是一種有用的技術(shù)。其進(jìn)一步推進(jìn)應(yīng)得到理論計(jì)算的支持。

因此，在我們之前的研究中開發(fā)了使用單晶片濕法蝕刻機(jī)進(jìn)行二氧化硅膜蝕刻的數(shù)值計(jì)算模型。首先，通過水流可視化獲得旋轉(zhuǎn)晶片上的整個(gè)水運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)行評估以表明可以通過數(shù)值計(jì)算再現(xiàn)水的速度和層厚度。接下來，假設(shè)簡單的速率方程，可以得到氟化氫水溶液對二氧化硅的蝕刻速率。該模型可以同時(shí)闡明擺動(dòng)噴嘴的作用。然而，計(jì)算和測量之間的蝕刻速率仍然存在小的差異。為了獲得準(zhǔn)確實(shí)用的計(jì)算模型，表面化學(xué)反應(yīng)過程及其速率，如朗繆爾模型，應(yīng)像化學(xué)氣相沉積一樣適當(dāng)?shù)孛枋觥?/p>

實(shí)驗(yàn)性

顯示了本研究中使用的單晶片濕法蝕刻機(jī)。該蝕刻機(jī)有一個(gè)直徑為 200 毫米的晶片，在圓柱形容器中以 100-1400 rpm 的速度旋轉(zhuǎn)。氟化氫水溶液（3%）從直徑 4 毫米的噴嘴垂直于晶片表面以 1 L/min 的流速向下注入 1 分鐘。注入后，氟化氫水溶液沿旋轉(zhuǎn)的晶片表面從注入位置輸送到晶片邊緣，最后從晶片邊緣甩出到外部。

整個(gè)過程在室溫下進(jìn)行，遵循工業(yè)條件。由于本研究中使用的氟化氫濃度非常低，晶片表面產(chǎn)生的反應(yīng)熱非常低。此外，快速液體流動(dòng)將表面溫度保持在入口溫度。因此，我們忽略了由于反應(yīng)熱引起的溫度變化。

數(shù)值計(jì)算

氟化氫水溶液的流動(dòng)及其表面化學(xué)反應(yīng)被數(shù)值計(jì)算，作為我們先前研究的延伸。如圖所示。使用周期性邊界條件的旋轉(zhuǎn)晶片的一部分被考慮在內(nèi)。晶片表面以與旋轉(zhuǎn)速率相對應(yīng)的速度沿逆時(shí)針方向移動(dòng)。溶解在水中的氟化氫隨著液體的運(yùn)動(dòng)和在水溶液中的菲克定律擴(kuò)散而傳輸。顯示了噴嘴設(shè)置在旋轉(zhuǎn)晶片中心時(shí)的幾何形狀。氟化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.03 作為入口處的邊界條件。

在這項(xiàng)研究中，沒有考慮來自蝕刻機(jī)頂部的氣流。這個(gè)簡單的假設(shè)是可行的，因?yàn)樗畬雍穸戎饕芍亓途D(zhuǎn)速度決定；空氣向下流動(dòng)的影響可能是次要因素。實(shí)際上，在我們之前的研究中，使用此假設(shè)獲得的水層厚度與測量結(jié)果一致。

結(jié)論

氟化氫水溶液在旋轉(zhuǎn)的 200 毫米直徑硅晶片上對二氧化硅膜的蝕刻速率通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算朗繆爾型表面化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)過程包括三個(gè)步驟，例如（i）二氧化硅表面的氟化氫吸附，（ii）二氧化硅的化學(xué)反應(yīng)和（iii）從表面解吸副產(chǎn)物，并且可以充分再現(xiàn)蝕刻速率及其分布。本研究中獲得的速率常數(shù)可以表明限速步驟是表面反應(yīng)和副產(chǎn)物解吸。速率模型和速率常數(shù)預(yù)期適用于描述使用單晶片濕法蝕刻機(jī)的二氧化硅蝕刻。

審核編輯：符乾江