Глубокое реактивно-ионное травление - Deep reactive-ion etching

Глубокое реактивно-ионное травление ( DRIE ) - это процесс сильно анизотропного травления, используемый для создания глубоких отверстий, отверстий с крутыми сторонами и канавок в пластинах / подложках, как правило, с высоким соотношением сторон . Он был разработан для микроэлектромеханических систем (MEMS), которым требуются эти функции, но также используется для рытья траншей для конденсаторов высокой плотности для DRAM, а в последнее время для создания сквозных кремниевых переходных отверстий ( TSV ) в передовой технологии упаковки на уровне трехмерных пластин. В DRIE подложка помещается внутри реактора и вводится несколько газов. В газовой смеси возникает плазма, которая разбивает молекулы газа на ионы. Ионы ускоряются по направлению к поверхности травимого материала и реагируют с ней, образуя еще один газообразный элемент. Это известно как химическая часть реактивного ионного травления. Существует также физическая часть: если ионы обладают достаточной энергией, они могут выбивать атомы из материала, подлежащего травлению, без химической реакции.

DRIE - это особый подкласс RIE.

Существует две основных технологии высокопроизводительного DRIE: криогенная и Bosch, хотя процесс Bosch является единственной признанной технологией производства. Как Bosch, так и криогенные процессы позволяют изготавливать стены под углом 90 ° (истинно вертикальные), но часто стены имеют небольшой сужение, например, 88 ° («входящий») или 92 ° («ретроградный»).

Другой механизм - пассивирование боковых стенок: функциональные группы SiO x F y (которые происходят из гексафторида серы и газов травления кислородом) конденсируются на боковых стенках и защищают их от бокового травления. В результате комбинации этих процессов могут быть созданы глубокие вертикальные конструкции.

Криогенный процесс

В криогенном DRIE пластина охлаждается до -110 ° C (163 K ). Низкая температура замедляет химическую реакцию , приводящую к изотропному травлению. Однако ионы продолжают бомбардировать обращенные вверх поверхности и вытравливать их. В результате этого процесса получаются траншеи с высоко вертикальными боковыми стенками. Основная проблема с крио-DRIE заключается в том, что стандартные маски на подложках растрескиваются под действием сильного холода, а побочные продукты травления имеют тенденцию осаждаться на ближайшей холодной поверхности, то есть на подложке или электроде.

Процесс Bosch

Силиконовый столб, изготовленный по технологии Bosch
Силиконовый микростолбик, изготовленный по технологии Bosch.

Процесс Bosch, названный в честь немецкой компании Robert Bosch GmbH, которая запатентовала процесс, также известный как импульсное травление или травление с мультиплексированием по времени, многократно меняет два режима для получения почти вертикальных структур:

  1. Стандартный, почти изотропный плазменный травитель . Плазма содержит некоторые ионы, которые атакуют пластину почти с вертикального направления. Гексафторид серы [SF 6 ] часто используется для производства кремния .
  2. Нанесение химически инертного пассивирующего слоя. (Например, исходный газ октафторциклобутан [C 4 F 8 ] дает вещество, подобное тефлону .)
Волнообразная боковина благодаря технологии Bosch
Волнообразная боковая стенка кремниевой структуры, созданной по технологии Bosch

Каждая фаза длится несколько секунд. Пассивирующий слой защищает всю подложку от дальнейшего химического воздействия и предотвращает дальнейшее травление. Однако во время фазы травления направленные ионы , бомбардирующие подложку, атакуют пассивирующий слой на дне канавки (но не по бокам). Они сталкиваются с ним и разбрызгивают его, подвергая подложку воздействию химического травителя.

Эти этапы травления / осаждения повторяются много раз, в результате чего большое количество очень маленьких этапов изотропного травления происходит только на дне протравленных ямок. Например, для протравливания кремниевой пластины толщиной 0,5 мм требуется 100–1000 шагов травления / осаждения. Двухфазный процесс вызывает волнообразную волнообразность боковых стенок с амплитудой около 100–500 нм . Время цикла можно регулировать: короткие циклы дают более гладкие стенки, а длинные циклы дают более высокую скорость травления.

Приложения

RIE «глубина» зависит от области применения:

  • в схемах памяти DRAM глубина канавок конденсаторов может составлять 10–20 мкм,
  • в MEMS DRIE используется для всего от нескольких микрометров до 0,5 мм.
  • при нарезке кристаллов нестандартной формы DRIE используется с новой гибридной мягкой / жесткой маской для достижения субмиллиметрового травления для нарезания кристаллов из кремния на кубики, похожие на лего, неправильной формы.
  • в гибкой электронике DRIE используется для создания гибкости традиционных монолитных КМОП-устройств за счет уменьшения толщины кремниевых подложек до нескольких десятков микрометров.

Что отличает DRIE от RIE, так это глубина травления: практическая глубина травления для RIE (используемая при производстве ИС ) будет ограничена примерно 10 мкм при скорости до 1 мкм / мин, в то время как DRIE может травить гораздо большие элементы, до 600 мкм. или более со скоростью до 20 мкм / мин или более в некоторых приложениях.

DRIE стекла требует высокой мощности плазмы, что затрудняет поиск подходящих маскирующих материалов для действительно глубокого травления. Поликремний и никель используются при глубине травления 10–50 мкм. В DRIE полимеров происходит процесс Bosch с чередованием стадий травления SF 6 и пассивации C 4 F 8 . Можно использовать металлические маски, однако они дороги в использовании, поскольку всегда требуются несколько дополнительных этапов фото и нанесения. Однако металлические маски не нужны на различных подложках (Si [до 800 мкм], InP [до 40 мкм] или стекло [до 12 мкм]) при использовании химически усиленных отрицательных резистов.

Имплантация ионов галлия может использоваться как маска для травления в крио-DRIE. Комбинированный процесс нанопроизводства сфокусированного ионного пучка и крио-DRIE был впервые описан Н. Чекуровым и др. В их статье «Изготовление кремниевых наноструктур путем локальной имплантации галлия и криогенного глубокого реактивного ионного травления».

Прецизионное оборудование

DRIE позволил использовать кремниевые механические компоненты в наручных часах высокого класса. По словам инженера Cartier , «с DRIE нет предела геометрическим формам». С помощью DRIE можно получить соотношение сторон 30 или более, что означает, что поверхность может быть протравлена ​​канавой с вертикальными стенками в 30 раз глубже, чем ее ширина.

Это позволило заменить кремниевые компоненты на некоторые детали, которые обычно изготавливаются из стали, например, на спираль . Кремний легче и тверже стали, что дает преимущества, но усложняет производственный процесс.

использованная литература

  1. ^ Заявка на патент на базовый процесс Bosch
  2. ^ Улучшенная заявка на патент процесса Bosch
  3. ^ Bosch процесс заявка на патент «Параметр Ramping»
  4. ^ Гонейм, Мохамед; Хуссейн, Мухаммед (1 февраля 2017 г.). «Высокопроизводительное глубокое (субмиллиметровое) травление с использованием кремниевой электроники со сложной геометрией, похожей на конструкцию Lego, с высоким соотношением сторон» (PDF) . Маленький . 13 (16): 1601801. DOI : 10.1002 / smll.201601801 . hdl : 10754/622865 . PMID  28145623 .
  5. ^ Mendis, Lakshini (14 февраля 2017). «Лего-подобная электроника». Природа Ближнего Востока . DOI : 10.1038 / nmiddleeast.2017.34 .
  6. ↑ Бергер, Майкл (6 февраля 2017 г.). «Лего похожа на кремниевую электронику, изготовленную с использованием гибридных травильных масок» . Nanowerk .
  7. ^ Гонейм, Мохамед; Альфарадж, Насир; Торрес-Севилья, Гало; Фахад, Хоссейн; Хуссейн, Мухаммед (июль 2016 г.). «Влияние деформации вне плоскости на физически гибкую КМОП-матрицу FinFET». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 63 (7): 2657–2664. Bibcode : 2016ITED ... 63.2657G . DOI : 10.1109 / ted.2016.2561239 . hdl : 10754/610712 . S2CID  26592108 .
  8. ^ Гонейм, Мохамед Т .; Хуссейн, Мухаммад М. (23 июля 2015 г.). «Обзор физически гибкой энергонезависимой памяти для интернета всей электроники» . Электроника . 4 (3): 424–479. arXiv : 1606.08404 . DOI : 10.3390 / electronics4030424 . S2CID  666307 .
  9. ^ Гонейм, Мохамед Т .; Хуссейн, Мухаммед М. (3 августа 2015 г.). «Исследование работы в суровых условиях гибкой сегнетоэлектрической памяти, интегрированной с PZT и силиконовой тканью» (PDF) . Письма по прикладной физике . 107 (5): 052904. Bibcode : 2015ApPhL.107e2904G . DOI : 10.1063 / 1.4927913 . hdl : 10754/565819 .
  10. ^ Гонейм, Мохамед Т .; Rojas, Jhonathan P .; Янг, Чедвин Д.; Берсукер, Геннадий; Хуссейн, Мухаммед М. (26 ноября 2014 г.). «Электрический анализ изолятора с высокой диэлектрической постоянной и полупроводниковых конденсаторов с металлическим затвором и металлооксидом на гибком массивном монокристаллическом кремнии». Транзакции IEEE о надежности . 64 (2): 579–585. DOI : 10.1109 / TR.2014.2371054 . S2CID  11483790 .
  11. ^ Гонейм, Мохамед Т .; Зидан, Мохаммед А .; Alnassar, Mohammed Y .; Hanna, Amir N .; Козель, Юрген; Салама, Халед Н .; Хуссейн, Мухаммед (15 июня 2015 г.). «Гибкая электроника: тонкие сегнетоэлектрические конденсаторы на основе PZT на гибком кремнии для энергонезависимой памяти». Современные электронные материалы . 1 (6): 1500045. DOI : 10.1002 / aelm.201500045 .
  12. ^ Гонейм, Мохамед Т .; Катби, Арва; Годси, Фарзан; Bersuker, G .; Хуссейн, Мухаммед М. (9 июня 2014 г.). «Воздействие механической аномалии на металлооксидно-полупроводниковые конденсаторы на гибкой силиконовой ткани» (PDF) . Письма по прикладной физике . 104 (23): 234104. Bibcode : 2014ApPhL.104w4104G . DOI : 10.1063 / 1.4882647 . hdl : 10754/552155 .
  13. ^ Чекур, Н; Григорас, К; и другие. (11 февраля 2009 г.). «Изготовление кремниевых наноструктур методом локальной имплантации галлия и криогенного глубокого реактивного ионного травления» . Нанотехнологии . 20 (6): 065307. DOI : 10,1088 / 0957-4484 / 20/6/065307 . PMID  19417383 .
  14. ↑ Колесников-Джессоп, Соня (23 ноября 2012 г.). «Точное будущее кремниевых деталей все еще обсуждается» . Нью-Йорк Таймс . Нью-Йорк.
  15. ^ Yeom, Junghoon; Ву, Ян; Селби, Джон С .; Шеннон, Марк А. (2005). «Максимально достижимое соотношение сторон при глубоком реактивном ионном травлении кремния благодаря транспортировке, зависящей от соотношения сторон, и эффекту микрозагрузки». Журнал вакуумной науки и технологий B: Микроэлектроника и нанометрические структуры . Американское вакуумное общество. 23 (6): 2319. Bibcode : 2005JVSTB..23.2319Y . DOI : 10.1116 / 1.2101678 . ISSN  0734-211X .

Смотрите также