Wytrawianie (mikrofabrykacja) - Etching (microfabrication)

Zbiorniki akwaforta wykorzystywane do wykonywania Piranha , kwasu fluorowodorowego lub RCA czyste na 4-calowym partiach wafli w Laas obiektu technologicznego w Tuluzie

Wytrawianie jest stosowane w mikrofabrykacji do chemicznego usuwania warstw z powierzchni wafla podczas produkcji. Trawienie jest krytycznie ważnym modułem procesu, a każda płytka przechodzi wiele etapów trawienia, zanim zostanie ukończona.

W wielu etapach wytrawiania część wafla jest chroniona przed wytrawianiem przez „maskujący” materiał, który jest odporny na wytrawianie. W niektórych przypadkach materiałem maskującym jest fotorezyst, który został odwzorowany za pomocą fotolitografii . Inne sytuacje wymagają trwalszej maski, takiej jak azotek krzemu .

Liczby zasług

Jeśli wytrawianie ma na celu wykonanie wnęki w materiale, głębokość wnęki można kontrolować w przybliżeniu przy użyciu czasu trawienia i znanej szybkości trawienia. Częściej jednak wytrawianie musi całkowicie usunąć górną warstwę struktury wielowarstwowej, bez uszkadzania warstw leżących poniżej lub maskujących. Zdolność systemu trawienia do tego zależy od stosunku szybkości trawienia w dwóch materiałach ( selektywność ).

Niektóre trawienia podcinają warstwę maskującą i tworzą wgłębienia ze skośnymi ścianami bocznymi. Odległość podcięcia nazywana jest odchyleniem . Środki wytrawiające o dużym obciążeniu nazywane są izotropowymi , ponieważ powodują jednakową erozję podłoża we wszystkich kierunkach. Nowoczesne procesy zdecydowanie preferują wytrawianie anizotropowe, ponieważ dają ostre, dobrze kontrolowane cechy.

Selektywność		Niebieski: warstwa pozostająca Słabo selektywne wytrawianie usuwa górną warstwę, ale także atakuje znajdujący się pod nią materiał. Wysoce selektywne wytrawianie pozostawia nienaruszony materiał.
Izotropia		Czerwony: warstwa maskująca; żółty: warstwa do usunięcia Idealnie izotropowe wytrawianie pozwala uzyskać okrągłe ściany boczne. Idealnie anizotropowe wytrawianie pozwala uzyskać pionowe ściany boczne.

Media i technologia trawienia

Dwa podstawowe typy środków wytrawiających to faza ciekła („mokra”) i faza plazmy („sucha”). Każdy z nich występuje w kilku odmianach.

Mokre trawienie

Promieniowaniem jonizującym matrycę z 1886VE10 mikrokontroler przed metalizacji trawienia

Promieniowaniem jonizującym matrycę z 1886VE10 mikrokontrolera po metalizacja proces wytrawiania stosowano

W pierwszych procesach wytrawiania stosowano środki trawiące w fazie ciekłej („mokre”). Wafel można zanurzyć w kąpieli z wytrawiaczem, którą należy wstrząsnąć, aby uzyskać dobrą kontrolę procesu. Na przykład, buforowane kwas fluorowodorowy (BHF) stosuje się powszechnie do trawienia dwutlenku krzemu na silikonowego podłoża.

Do scharakteryzowania wytrawionej powierzchni można zastosować różne specjalistyczne środki trawiące.

Mokre środki trawiące są zwykle izotropowe, co prowadzi do dużego odchylenia podczas trawienia grubych warstw. Wymagają również utylizacji dużych ilości toksycznych odpadów. Z tego powodu rzadko są wykorzystywane w nowoczesnych procesach. Jednak wywoływacz fotograficzny użyty do fotorezystu przypomina wytrawianie na mokro.

Alternatywnie do zanurzania, maszyny do pojedynczych wafli wykorzystują zasadę Bernoulliego do stosowania gazu (zwykle czystego azotu ) do amortyzowania i ochrony jednej strony wafla, podczas gdy środek wytrawiający jest nakładany na drugą stronę. Można to zrobić z przodu lub z tyłu. Środek chemiczny do wytrawiania jest dozowany od góry, gdy znajduje się w maszynie, i nie ma to wpływu na dolną stronę. Ta metoda wytrawiania jest szczególnie skuteczna tuż przed obróbką „ backendową ” ( BEOL ), gdzie płytki są zwykle znacznie cieńsze po szlifowaniu wstecznym płytki i bardzo wrażliwe na naprężenia termiczne lub mechaniczne. Wytrawianie cienkiej warstwy nawet o grubości kilku mikrometrów usunie mikropęknięcia powstałe podczas szlifowania wstecznego, w wyniku czego wafel będzie miał dramatycznie zwiększoną wytrzymałość i elastyczność bez pękania.

Wytrawianie anizotropowe na mokro (trawienie zależne od orientacji)

Anizotropowe mokre wytrawianie na płytce silikonowej tworzy wnękę o trapezowym przekroju poprzecznym. Dno wnęki to płaszczyzna {100} (patrz wskaźniki Millera ), a boki to {111} płaszczyzny. Niebieski materiał to wytrawiona maska, a zielony materiał to silikon.

Niektóre mokre środki trawiące trawią materiały krystaliczne z bardzo różnymi szybkościami, w zależności od odsłoniętej powierzchni kryształu. W materiałach monokrystalicznych (np. Wafle krzemowe) efekt ten może pozwolić na bardzo wysoką anizotropię, jak pokazano na rysunku. Termin „trawienie krystalograficzne” jest synonimem „trawienia anizotropowego wzdłuż płaszczyzn kryształu”.

Jednak w przypadku niektórych materiałów niekrystalicznych, takich jak szkło, istnieją niekonwencjonalne sposoby wytrawiania w sposób anizotropowy. Autorzy wykorzystują wielostrumieniowy przepływ laminarny, który zawiera roztwory trawiące, które nie są trawione, aby wytworzyć szklany rowek. Roztwór trawiący w środku jest otoczony przez roztwory nietrawiające, a obszar stykający się z roztworami do trawienia jest ograniczony przez otaczające roztwory nietrawiające. Tym samym kierunek trawienia jest głównie prostopadły do ​​powierzchni szkła. Obrazy SEM pokazują przełamanie konwencjonalnej teoretycznej granicy współczynnika kształtu (szerokość / wysokość = 0,5) i przyczyniają się do dwukrotnej poprawy (szerokość / wysokość = 1).

Dla krzemu dostępnych jest kilka anizotropowych mokrych środków wytrawiających, wszystkie z nich to gorące wodne środki żrące. Na przykład wodorotlenek potasu (KOH) wykazuje selektywność szybkości trawienia 400 razy wyższą w kierunkach <100> kryształów niż w kierunkach <111>. EDP ​​( wodny roztwór etylenodiaminy i pirokatechiny ), wykazuje selektywność <100> / <111> 17X, nie wytrawia dwutlenku krzemu, jak robi to KOH, a także wykazuje wysoką selektywność pomiędzy słabo domieszkowanymi a silnie domieszkowanymi borem (p- typ) krzemu. Stosowanie tych środków wytrawiających na płytkach, które już zawierają układy scalone CMOS, wymaga ochrony obwodów. KOH może wprowadzać ruchome jony potasu do dwutlenku krzemu , a EDP jest silnie żrący i rakotwórczy , dlatego należy zachować ostrożność podczas ich stosowania. Wodorotlenek tetrametyloamoniowy (TMAH) stanowi bezpieczniejszą alternatywę niż EDP, z selektywnością 37X między {100} a {111} płaszczyznami w krzemie.

Wytrawianie (100) powierzchni krzemu przez prostokątny otwór w materiale maskującym, na przykład otwór w warstwie azotku krzemu, tworzy wgłębienie o płaskich, nachylonych {111} ścianach bocznych i płaskim (100) -orientowanym dnie. Ściany boczne o orientacji {111} mają kąt względem powierzchni płytki:

${\ displaystyle \ arctan {\ sqrt {2}} = 54,7 ^ {\ circ}}$

Jeśli wytrawianie będzie kontynuowane „do końca”, tj. Do zniknięcia płaskiego dna, wykop staje się rowem o przekroju w kształcie litery V. Jeśli pierwotny prostokąt był idealnym kwadratem, jama po wytrawieniu do końca ma kształt piramidy.

Podcięcie, δ , pod krawędzią materiału maskującego określa:

${\ displaystyle \ delta = {\ Frac {{\ sqrt {6}} D} {S}} = {\ Frac {{\ sqrt {6}} R_ {100} T} {R_ {100} / R_ {111 }}} = {\ sqrt {6}} TR_ {111}}$,

gdzie R _xxx to szybkość trawienia w kierunku <xxx>, T to czas wytrawiania, D to głębokość trawienia, a S to anizotropia materiału i wytrawiania.

Różne środki trawiące mają różne anizotropie. Poniżej znajduje się tabela popularnych anizotropowych środków wytrawiających dla krzemu:

Trawienie plazmowe

Uproszczona ilustracja wytrawiania na sucho przy użyciu fotorezystu dodatniego podczas procesu fotolitografii w mikrofabrykacji półprzewodników. Uwaga: nie skalować.

Nowoczesne procesy VLSI unikają trawienia na mokro i zamiast tego wykorzystują trawienie plazmowe . Wytrawiacze plazmowe mogą działać w kilku trybach, dostosowując parametry plazmy. Zwykłe trawienie plazmowe działa w zakresie od 0,1 do 5 Torr . (Ta jednostka ciśnienia, powszechnie stosowana w inżynierii próżniowej, wynosi w przybliżeniu 133,3 paskala ). Plazma wytwarza energiczne wolne rodniki , naładowane neutralnie , które reagują na powierzchni płytki. Ponieważ obojętne cząstki atakują wafel ze wszystkich stron, proces ten jest izotropowy.

Trawienie plazmowe może być izotropowe, tj. Wykazywać współczynnik podcięcia poprzecznego na powierzchni wzorzystej w przybliżeniu taki sam, jak współczynnik trawienia w dół, lub może być anizotropowy, tj. Wykazywać mniejszą szybkość podcięcia bocznego niż szybkość trawienia w dół. Taka anizotropia jest maksymalizowana w głębokim trawieniu jonami reaktywnymi . Użycie terminu anizotropia do wytrawiania osocza nie powinno być mylone z użyciem tego samego terminu w odniesieniu do wytrawiania zależnego od orientacji.

Gaz źródłowy plazmy zwykle zawiera małe cząsteczki bogate w chlor lub fluor . Na przykład czterochlorek węgla (CCl ₄ ) trawi krzem i glin , a trifluorometan trawi dwutlenek krzemu i azotek krzemu . Plazma zawierająca tlen służy do utleniania fotorezystu („ popiołu ”) i ułatwienia jego usuwania.

W mieleniu jonowym lub wytrawianiu metodą rozpylania stosuje się niższe ciśnienia, często tak niskie, jak ^10-4 Torr (10 mPa). Bombarduje płytkę energicznymi jonami gazów szlachetnych , często Ar ⁺ , które wyrzucają atomy z podłoża, przenosząc pęd . Ponieważ trawienie jest wykonywane przez jony, które zbliżają się do płytki w przybliżeniu z jednego kierunku, proces ten jest wysoce anizotropowy. Z drugiej strony wykazuje słabą selektywność. Wytrawianie jonami reaktywnymi (RIE) działa w warunkach pośrednich między rozpylaniem a trawieniem plazmowym (między ^10-3 a ^10-1 Torr). Głębokie trawienie jonami reaktywnymi (DRIE) modyfikuje technikę RIE w celu uzyskania głębokich, wąskich elementów.

Typowe procesy wytrawiania stosowane w mikrofabrykacji

Zobacz też

• Polerowanie chemiczno-mechaniczne
• Cięcie wlewków
• Wytrawianie chemiczne wspomagane metalem

Bibliografia

• Jaeger, Richard C. (2002). "Litografia". Wprowadzenie do Microelectronic Fabrication (2nd ed.). Upper Saddle River: Prentice Hall. ISBN 978-0-201-44494-0.
• Tamże, „Procesy dla systemów mikroelektromechanicznych (MEMS)”

Referencje w tekście

Linki zewnętrzne