シリコン（SI）は、半導体業界のコア材料であり、その加工技術は、マイクロエレクトロニクスとマイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）の開発に不可欠です。シリコンの処理において、エッチングテクノロジーは、複雑なマイクロナノ構造を実現するための重要なステップの1つです。ただし、シリコンのエッチング速度は均一ではありませんが、結晶の方向（結晶方向）に大きく依存しています。この結晶方向の依存性は、異なる結晶面上のシリコン原子の配置密度と化学結合方向の違いの直接的な結果です。この記事では、シリコンのエッチング速度と結晶向けの関係について詳細に説明し、マイクロナノ処理における実用的なアプリケーションを分析します。
シリコンの結晶構造と結晶の向き
シリコンはダイヤモンド構造を備えたクリスタルであり、その原子配置は異なる結晶面で大きな違いを示しています。一般的な結晶面には、（100）、（110）、および（111）平面が含まれます。
（100）結晶面：原子配置は比較的緩く、化学結合はより露出しています。
（110）結晶面：原子密度は（100）と（111）の間です。
（111）クリスタルプレーン：原子配置は最もコンパクトであり、化学結合はエッチャントによって攻撃することが困難です。
これらの結晶面の原子配置の違いは、エッチング速度に直接影響し、異なる結晶平面のエッチング挙動が重要な異方性を示します。
湿ったエッチングにおける結晶の向き依存性
ウェットエッチングは、特に異方性エッチングでは、シリコン処理で一般的に使用される技術の1つです。一般的に使用されるエッチャントには、KOH（水酸化カリウム）やTMAH（水酸化テトラメチルアンモニウム）などのアルカリ溶液が含まれます。異なる結晶面のエッチング速度は大きく異なります。
（100）結晶面：原子の配置がゆるいため、エッチング速度が最速です。
（110）クリスタル平面：エッチング速度はより速いが、（100）平面よりもわずかに低い。
（111）クリスタルプレーン：原子の緊密な配置により、エッチング速度は最も遅いです
たとえば、KOHソリューションでは、エッチング速度比は通常（100）:( 110）:( 111）= 400：600：1です。この異方性特性により、ウェットエッチングがシリコンウェーハの構造形態を正確に制御することができます。
乾燥エッチングにおける結晶の向き依存性
乾燥エッチング（血漿エッチングや深い反応性イオンエッチングなど）は通常、より強い異方性を示しますが、その結晶配向依存性は弱いです。乾燥エッチングは、主に物理的爆撃と化学反応を組み合わせることにより材料除去を達成するため、結晶配向の影響は主に側壁の形態の制御に反映されます。
シリコンエッチング速度に影響を与える重要な要因
結晶の向きに加えて、シリコンエッチング速度も次の要因の影響を受けます。
温度：温度の上昇は一般にエッチング反応を高速化しますが、各結晶面のエッチング速度の比率は比較的安定したままです。
エッチャント濃度：高濃度のエッチャント（KOHなど）は異方性を促進する可能性がありますが、低濃度は選択性を低下させる可能性があります。
ドーピング濃度：重度のドープされたシリコン（p {++タイプなど）のエッチング速度を大幅に減らし、電気化学的停止でさえ達成できます。