Zrozumienie technologii suchego trawienia w przemyśle półprzewodników

Trawienie odnosi się do techniki selektywnego usuwania materiału za pomocą środków fizycznych lub chemicznych w celu uzyskania zaprojektowanych wzorów strukturalnych.

Obecnie wiele urządzeń półprzewodnikowych wykorzystuje struktury urządzeń mesa, które powstają głównie poprzez dwa rodzaje trawienia:trawienie na mokro i trawienie na sucho. Chociaż proste i szybkie trawienie na mokro odgrywa znaczącą rolę w wytwarzaniu urządzeń półprzewodnikowych, ma ono nieodłączne wady, takie jak trawienie izotropowe i słaba jednorodność, co skutkuje ograniczoną kontrolą podczas przenoszenia wzorów o małych rozmiarach. Jednakże trawienie na sucho dzięki wysokiej anizotropii, dobrej jednorodności i powtarzalności stało się dominujące w procesach wytwarzania urządzeń półprzewodnikowych. Termin „trawienie na sucho” szeroko odnosi się do dowolnej technologii trawienia niezwilżającego stosowanej do usuwania materiałów powierzchniowych i przenoszenia mikro- i nano wzorów, w tym trawienia laserowego, trawienia plazmowego i trawienia chemicznego. Trawienie na sucho omówione w tym tekście odnosi się w szczególności do wąskiego zastosowania procesów wykorzystujących wyładowania plazmowe – fizyczne lub chemiczne – do modyfikacji powierzchni materiałów. Obejmuje kilka popularnych technologii trawienia przemysłowego, w tymTrawienie wiązką jonów (IBE), reaktywne trawienie jonowe (RIE), trawienie plazmowe rezonansem cyklotronowym (ECR) i trawienie plazmą indukcyjnie sprzężoną (ICP).

1. Trawienie wiązką jonów (IBE)

Metoda IBE, znana również jako mielenie jonowe, została opracowana w latach 70. XX wieku jako metoda czysto fizycznego trawienia. Proces ten obejmuje wiązki jonów utworzone z gazów obojętnych (takich jak Ar, Xe), które są przyspieszane przez napięcie w celu zbombardowania powierzchni materiału docelowego. Jony przekazują energię atomom powierzchniowym, powodując, że te o energii przekraczającej ich energię wiązania rozpraszają się. Technika ta wykorzystuje przyspieszone napięcie do kontrolowania kierunku i energii wiązki jonów, co zapewnia doskonałą anizotropię trawienia i możliwość kontrolowania szybkości. Chociaż idealnie nadaje się do trawienia materiałów stabilnych chemicznie, takich jak ceramika i niektóre metale, potrzeba stosowania grubszych masek w celu głębszych trawień może pogorszyć precyzję trawienia, a bombardowanie jonami o wysokiej energii może spowodować nieuniknione uszkodzenia elektryczne w wyniku zakłóceń sieci.

2. Reaktywne trawienie jonowe (RIE)

Opracowany na bazie IBE, RIE łączy reakcje chemiczne z fizycznym bombardowaniem jonami. W porównaniu do IBE, RIE oferuje wyższą szybkość trawienia oraz doskonałą anizotropię i jednorodność na dużych obszarach, co czyni go jedną z najczęściej stosowanych technik trawienia w mikro- i nanoprodukcji. Proces polega na przyłożeniu napięcia o częstotliwości radiowej (RF) do równoległych elektrod płytowych, co powoduje przyspieszenie elektronów w komorze i jonizację gazów reakcyjnych, co prowadzi do stabilnego stanu plazmy po jednej stronie płytek. Plazma ma dodatni potencjał, ponieważ elektrony są przyciągane do katody i uziemiane na anodzie, tworząc w ten sposób pole elektryczne w całej komorze. Dodatnio naładowana plazma przyspiesza w kierunku podłoża połączonego katodą, skutecznie je trawiąc.

Podczas procesu trawienia w komorze utrzymuje się środowisko o niskim ciśnieniu (0,1~10 Pa), co zwiększa szybkość jonizacji gazów reakcyjnych i przyspiesza proces reakcji chemicznej na powierzchni podłoża. Ogólnie rzecz biorąc, proces RIE wymaga, aby produkty uboczne reakcji były lotne, aby można je było skutecznie usunąć za pomocą systemu próżniowego, zapewniając wysoką precyzję trawienia. Poziom mocy RF bezpośrednio określa gęstość plazmy i napięcie polaryzacji przyspieszenia, kontrolując w ten sposób szybkość trawienia. Jednak zwiększając gęstość plazmy, RIE zwiększa również napięcie polaryzacji, co może spowodować uszkodzenie siatki i zmniejszyć selektywność maski, stwarzając w ten sposób ograniczenia w zastosowaniach związanych z trawieniem. Wraz z szybkim rozwojem wielkogabarytowych układów scalonych i zmniejszaniem się rozmiarów tranzystorów, pojawiło się większe zapotrzebowanie na precyzję i współczynniki kształtu w mikro- i nanoprodukcji, co doprowadziło do pojawienia się technologii suchego trawienia o dużej gęstości na bazie plazmy, zapewniających nowe możliwości rozwoju elektronicznych technologii informacyjnych.

3. Trawienie plazmowe za pomocą rezonansu cyklotronowego (ECR).

Technologia ECR, wczesna metoda uzyskiwania plazmy o dużej gęstości, wykorzystuje energię mikrofalową do rezonowania z elektronami w komorze, wzmocnioną przez zewnętrzne pole magnetyczne o dopasowanej częstotliwości, aby wywołać rezonans cyklotronu elektronowego. Metodą tą osiąga się znacznie wyższe gęstości plazmy niż metodą RIE, zwiększając szybkość trawienia i selektywność maski, ułatwiając w ten sposób trawienie struktur o bardzo wysokim współczynniku kształtu. Jednakże złożoność systemu, który opiera się na skoordynowanym działaniu źródeł mikrofal, źródeł RF i pól magnetycznych, stwarza wyzwania operacyjne. Wkrótce pojawiło się wytrawianie plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP), co stanowiło uproszczenie w stosunku do ECR.

4. Trawienie plazmą indukcyjnie sprzężoną (ICP).

Technologia trawienia ICP upraszcza system oparty na technologii ECR poprzez wykorzystanie dwóch źródeł RF 13,56 MHz do sterowania zarówno wytwarzaniem plazmy, jak i napięciem polaryzacji przyspieszającej. Zamiast zewnętrznego pola magnetycznego stosowanego w ECR, cewka spiralna indukuje zmienne pole elektromagnetyczne, jak pokazano na schemacie. Źródła RF przekazują energię poprzez sprzężenie elektromagnetyczne do wewnętrznych elektronów, które poruszają się w ruchu cyklotronowym w indukowanym polu, zderzając się z gazami reakcyjnymi, powodując jonizację. Taka konfiguracja umożliwia osiągnięcie gęstości plazmy porównywalnej z ECR. Trawienie ICP łączy w sobie zalety różnych systemów trawienia, spełniając wymagania dotyczące dużej szybkości trawienia, wysokiej selektywności, jednorodności na dużej powierzchni oraz prostej, kontrolowanej struktury sprzętu, dzięki czemu szybko staje się preferowanym wyborem dla nowej generacji technologii trawienia plazmowego o dużej gęstości .

5. Charakterystyka trawienia na sucho

Technologia trawienia na sucho szybko zajęła główne miejsce w mikro- i nanofabrykacji ze względu na doskonałą anizotropię i wysoką szybkość trawienia, zastępując trawienie na mokro. Kryteria oceny dobrej technologii trawienia na sucho obejmują selektywność maski, anizotropię, szybkość trawienia, ogólną jednorodność i gładkość powierzchni spowodowaną uszkodzeniem siatki. W przypadku wielu kryteriów oceny należy rozważyć konkretną sytuację w oparciu o potrzeby produkcyjne. Najbardziej bezpośrednimi wskaźnikami trawienia na sucho jest morfologia powierzchni, w tym płaskość wytrawionej podłogi i ścian bocznych oraz anizotropia wytrawionych tarasów, które można kontrolować, dostosowując stosunek reakcji chemicznych do bombardowania fizycznego. Charakteryzację mikroskopową po wytrawieniu przeprowadza się zwykle przy użyciu skaningowej mikroskopii elektronowej i mikroskopii sił atomowych. Selektywność maski, czyli stosunek głębokości trawienia maski do głębokości materiału w tych samych warunkach trawienia i czasie, ma kluczowe znaczenie. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa selektywność, tym lepsza dokładność przenoszenia wzoru. Typowe maski stosowane w trawieniu ICP obejmują fotorezyst, metale i folie dielektryczne. Fotomaska ​​ma słabą selektywność i może ulegać degradacji pod wpływem wysokich temperatur lub bombardowania energetycznego; metale zapewniają wysoką selektywność, ale stwarzają wyzwania w usuwaniu maski i często wymagają technik maskowania wielowarstwowego. Ponadto maski metalowe mogą podczas trawienia przylegać do ścianek bocznych, tworząc ścieżki wycieku. Dlatego też wybór odpowiedniej technologii masek jest szczególnie ważny w przypadku wytrawiania, a dobór materiałów na maski powinien być ustalany w oparciu o konkretne wymagania eksploatacyjne urządzeń.**