В технологии полупроводниковых приборов в настоящее время широко используют пластины с углублениями и выступами различного профиля. Так, при изготовлении интегральных микросхем У-образные канавки применяют для создания активных элементов и для диэлектрической изоляции компонентов интегральных микросхем. В углублениях прямоугольного профиля проводят локальное планарное наращивание эпитаксиальных слоев. Канавки прямоугольного профиля применяют при химической резке пластин. На пластинах ОаАз и 51 получают дифракционные решетки с различным рельефом.
Реализация всех указанных микро-профилей достигается при локальном растворении полупроводниковых пластин (структур) в анизотропных травителях. В маскирующей пленке (5102, 51зЫ4 и т. п.) методом фотолитографии вскрывают топографический рисунок в виде окон, дорожек и т. п. При локальном травлении полупроводников и структур получают углубления (лунки, канавки) или выступы (меза-структуры). Преимуществом анизотропного травления по сравнению с изотропным является возможность получения заданного микрорельефа, а в некоторых случаях и заданной глубины травления.
При локальном анизотропном травлении от кристаллографического направления зависит не только скорость растворения в нормальном направленнн, но и боковое подтравливание под маску. При надлежащей ориентации рисунка, вскрытого в маскирующей пленке, как дальше будет показано, анизотропное травление позволяет почти полностью исключить подтравлнванне под маску.
Для получения заданного рельефа необходимо знать величину бокового подтравливания в разных направлениях на различных плоскостях и профиль канавок, полученных при травлении дорожек, ориентированных в разных направлениях.
Рассмотрим эти вопросы на примере локального анизотропного травления 51 и ОаАз.
Боковое подтравливание и форма фигур травления. При локальном травлении в изотропном травителе форма вскрытого в маскирующей пленке рисунка сохраняется, изменяются лишь размеры, так как боковое подтравливапие одинаково во всех направлениях и примерно равно глубине травления. В анизотропном же травителе форма рисунка изменяется существенно из-за того, что подтравливапие под маску в разных направлениях различно.
Для измерения бокового подтравливания в маскирующей пленке методом фотолитографии вскрывают дорожки, ориентированные перпендикулярно определенным направлениям. Направления выбирают, пользуясь стереографическими проекциями (рис. 5.3). На рис. 5.4 в качестве примера изображен элемент фотошаблона, который применяли для исследования анизотропного травления плоскости {100} ОаА3 и 1пР [105]. Такой рисунок фотошаблона позволяет измерить подтравливапие в направлениях <110), <.310), <210^>, ''.100/ и изучить фигуры травления окна и мезы.
После травления полупроводника измеряют глубину канавок, величину бокового подтравливания (по нависающему краю маскирующей пленки) и рассчитывают коэффициент подтравливания
к = 8/11, где 5 — величина подтравливания, мкм; к — глубина канавок, мкм; з=1—/0/2, / — реально получаемая ширина канавки; /0  ширина канавки без подтравливания.
Величина бокового подтравливания определяет форму фигур травления. Направления, в которых подтравливание наименьшее, назовем «медленными направлениями», а направления с большим подтравливанием — «быстрыми направлениями».
При травлении круглого окна фигура травления получается в виде многоугольника, фоны которого перпендикулярны «медленным направлениям». При травлении мезы (оставлены маскированные участки круглой формы) фигура травления приобретает вид многоугольника, стороны которого перпендикулярны «быстрым направлениям».
Коэффициент подтравливания, а следовательно, и форма фигур травления зависят от материала полупроводника, ориентации поверхности пластин и от состава травителя [105, 106]. Типичные формы фигур травления окна и мезы на пластинах 51 и ОаАз показаны на рис. 5.5.
На плоскости {100} «быстрыми направлениями» для ОаАз являются четыре направления <100), а для 51 восемь направлений <310,\ поэтому фигурой травления мезы ОаАз является квадрат, а мезы 51 — восьмиугольник.
Четыре «медленных направления» <110) проявляются в квадратной форме фигуры травления окна. Для ОаАз в большинстве анизотропных травителей подтравливапие в направлении <110) В больше, чем в направлении <110) А [107, 108], поэтому фигура травления окна в таких травителях имеет ферму прямоугольника.
Если в форме фигур травления проявляется зависимость бокового подтравливания от ориентации, то профиль канавок травления зависит от соотношения скоростей травления плоскостей с различной кристаллографической ориентацией.
Профиль и огранка канавок травления. Если известно соотношение скоростей травления плоскостей с различной ориентацией, можно предсказать профиль и огранку канавки травления, расположенной в любом направлении. Для этого полезно пользоваться стереографическими проекциями.
Рассмотрим травление канавок на плоскостях {100} и {110} 51 и ОаАз. При травлении дорожки, вскрытой в маскирующей пленке перпендикулярно определенному направлению, канавку ограняют кристаллографические плоскости, имеющие наименьшую скорость травления из всех плоскостей, проекции которых расположены в данном направлении. Из стереографической проекции {100} (рис. 5.3,а) видно, что четыре плоскости {111}, имеющие наименьшую скорость травления, расположены в направлениях <110,) па одинаковом расстоянии от центральной плоскости {100}.
Лини» пересечения их с плоскостью {100} образуют между собой' прямой угол. Таким образом, если в маскирующей пленке вскрыта дорожка, перпендикулярная любому направлению -(110), то при травлении 51 получится У-образная канавка, ограненная плоскостями {111}, (рис. 5.6, а). Угол между стенкой и верхней плоскостью равен 54°44' [104].
В направлении <100) расположены плоскости {Н0}1 под углом 45° и {100} иод углом 90°. В зависимости от состава травителя можно получить три профиля канавки (рис. 5.6). Если, то канавки ограняются плоскостями {100}, получается прямоугольный профиль (б); если У{юо} >У{п$}>Т0 канавку ограняют плоскости {110}—профиль (г); в случае же, когда Уп ю} « V{!оо>> профиль канавки будет типа (в).
На пластинах {100} ОаАз в двух направлениях <,110) А расположены плоскости {111} А, а в двух направлениях <110) В —! плоскости {111} В (см. рис. 5.3, а). Поэтому профили канавок на плоскости {100} в двух взаимно перпендикулярных направлениях <110) получаются разными (см. рис. 5.7). В направлении (110) А: У-образная канавка должна ограняться медленно травящимися1 плоскостями {111}А. Угол пересечения стенки с верхней поверхностью в этом случае должен быть равен 54°44', как и у 51. Фактически этот угол меньше (40—44°). На стереографической проекции видим, что в направлении <100)А ближе к плоскости {100} расположены плоскости из семейства {НИ}А, они травятся примерно с такой же малой скоростью, как и плоскость {111} А и поэтому ограняют канавки.
В направлении <110)В профиль канавки зависит от соотношения скоростей травления плоскостей {111}А и {111} В. В большинстве травителей, поэтому в направлении <110)В получается трапециевидный профиль канавки (г). Вместо верхней незаштрихованной плоскости {111} В октаэдра канавку ограняет нижняя заштрихованная плоскость {111} А. Измерение угуюв между верхней поверхностью ;1 стенкой показало, что и в этом случае огранка канавки происходит не самой плоскостью {111}А, а близко расположенными к ней плоскостями из семейства {ИМ}А [108]. В травителях, в которых К{п 1 }в=5= У<1 п )а. профиль в обоих направлениях будет У-образный (а, е), но в направлении <,110/А канавка ограняется плоскостями из семейства {НИ} А, в направлении (,110/В — плоскостями {ПИ}В. В травителях, в которых немного больше а, в огранке проявляются обе плоскости {М1} А и {М1}В (профиль д).
В направлении <100) профиль канавки зависит от соотношения скоростей травления плоскостей {100} и {110} (рис. 5.7,6, в), как н у 51.
Из стереографической проекции {110} (рис. 5.3,6) видно, что четыре плоскости {111} у 51 расположены под углом 90° к плоскости {110}. Однако линии пересечения этих плоскостей не образуют между собой прямой угол. Профиль канавки в направлении <111) прямоугольный (рис. 5.6, и). Две другие плоскости {111} имеют угол 35°16' с плоскостью {110}, они образуют У-образный профиль канавки в направлении <100).
Для арсенида галлия симметричный профиль канавки получается лишь в направлении <110) (риЬ. 5.7, к, л). Все остальные направления асимметричны, что хорошо видно из рис. 5.3,6. По одну сторону от центра указывается направление с индексом А, по другую — направление с индексом В. Поэтому плоскости, ограняющие канавку слева и справа, различны (рис. 5.7,ж—и). Подобное явление наблюдается и при травлении канавок на плоскости {111} В ОаАз (рис. 5.7, м, н).
Практическое использование локального травления. Как указывалось ранее, для получения канавок определенного профиля необходимо вскрывать в маскирующей пленке методом фотолитографии дорожки, ориентированные по определенным кристаллографическим направлениям. С этой целью на плоскости {100} фотошаблон ориентируют относительно одного из направлений <110).
Если отсутствуют метки, указывающие направление <110), то на пластине делают скол и ориентацию фотошаблона проводят по линии скола. Для получения У-образного профиля на пластине 51 дорожку можно ориентировать перпендикулярно или параллельно метке или сколу. Для соединений АШВУ необходимо предварительно определить, какому направлению (110)А или <110)В соответствует скол. Для этого можно использовать фигуры травления, которые вытянуты в направлении <,110)В, например, дислокационные ямки. Если маской при локальном травлении ОаАз служит пленка' ЗЮ2, то для определения направлений можно использовать фигуру* травления, образующуюся при растворении ОаАз через поры. Травление проводят в течение 30—120 с в травителе состава. Нг02: НР (2:1). При этом пленка ЗЮ2 частично растворяется." В оставшемся тонком слое 5Ю2 всегда присутствуют поры, через' которые проникает травитель; образующаяся фигура травлени имеет форму прямоугольника, вытянутого в направлении (,110/В. Образующаяся под порой лунка имеет У-образный профиль. Дно. лунки видно под микроскопом в виде ПОЛОСКИ.
Травят осколок от пластины или каплю травителя наносят на край пластины. После травления наблюдают под микроскопом, в каком направлении вытянута фигура травления и соответственно ориентируют фотошаблон. На рис. 5.8 показано относительное положение фигур травления, дорожек и соответствующие профили канавок травления. Для получения У-образного профиля канавку на пластинах ОаАз дорожку располагают вдоль направления <.110/В, а для трапециевидного профиля — вдоль направления <110/А. Можно выявлять направление травлением нерабочей стороны пластин. Следует только помнить, что на противоположных сторонах пластины {100} фигуры травления расположены под углом 90°.
Канавки 'Ч-образного профиля нашли широкое применение в кремниевых приборах. Для этого используют пластины 31 ориентации {100}, дорожки ориентируют в направлении <110). После образования У-образной канавки травление практически прекращается, так как канавка огранена плоскостями {111}, которые растворяются в анизотропных травителях с очень малой скоростью. Это позволяет задавать глубину У-образной канавки шириной дорожки, вскрытой в защитной маске. Угол между верхней плоскостью и стенкой канавки равен 54°44', следовательно, Н= = 0,71/, где Н — глубина канавки, I — ширина дорожки или диаметр-окна.
Такое самоконтролируемое травление используют для получения пластин 81 со сквозными отверстиями [109], которые применяют в оптоэлектронике, в качестве масок при молекулярно-пучковой эпитаксии и шаблонов для рентгено-литографии. При этом размер отверстия снизу (/2) определяется размером окна, вскрытого в маске, и толщиной пластины.
При травлении толстых пластин {й больше 200 мкм) и высоком требовании к точности нижнего размера отверстия необходимо делать поправку на боковое подтравливание, тогда
/2 = /х + 25—1,41
Канавки прямоугольного профиля получают на плоскости {110} 51. Для этого дорожки ориентируют перпендикулярно направлению <111). Стенки канавки, ограняющиеся плоскостями {111}, практически не растворяются, поэтому канавка травится только в глубину, в ширину размеры ее не увеличиваются, что используют для вытравливания узких и глубоких канавок.
Канавки прямоугольного профиля на плоскости {100} ОаАз используют для химической резки пластин на прямоугольные кристаллы. В маскирующей пленке вскрывают сетку дорожек, ориентированных в направлении {100} (под углом 45° к линии скола). Так как канавки ограняются в этом случае плоскостью {100}, то величина бокового подтравливания велика. Это выгодно для получения кристаллов с балочными выводами, так как одновременно с резкой пластин происходит боковое подтравливание, обеспечивающее необходимое нависание балочных выводов.
Меза-структуры, полученные травлением в анизотропных тра-внтелях, имеют контролируемую форму с определенным углом наклона граней и с гладкой зеркальной поверхностью граней, что позволяет улучшать параметры полупроводниковых приборов и разрабатывать новые конструкции приборов. Так, меза-структуры в форме усеченной восьмигранной пирамиды, полученные травлением пластины 51 в анизотропном травителе, позволяют увеличить пробивное напряжение и снизить емкость прибора.
При изготовлении лазеров на основе гетероструктур ОаА1Аз —ОаАз и 1пОаАзР — 1пР отражающие поверхности резонатора получают путем травления меза-структур в различных анизотропных травителях [111 —113]. В зависимости от ориентации рисунка, вскрытого в маскирующей пленке, меза-структуру получают в форме четырехгранной усеченной пирамиды с вертикальными или наклонными гранями.
Меза-структуры с наклонными гранями, полученные травлением ОаР в горячей Н3РО4, используют при изготовлении цифровых индикаторов, что позволяет получать узконаправленный пучок излучения, перпендикулярный поверхности индикатора.
Анизотропным травлением также получают дифракционные решетки с субмикронными периодами для инжекционных лазеров. В зависимости от направления ориентации дорожек, вскрытых в маскирующей пленке, получают дифракционные решетки с различным рельефом (рис. 5.10) [115].