Tehnici de corodare uscată. Corodarea cu plasmă, corodările cu ioni reactivi.

Descrierea procedeului, instalaţii, tehnici, avantaje.

Tipuri de ioni utilizaţi în tehnicile RIE la plăcile electronice, exemple de

plăci manufacturate prin variante RIE

Student:

Popa Diana-Iulia

5405-TST

CORODAREA (ETCHING)

Corodarea reprezintă o tehnică de îndepărtare în mod selectiv a unor

straturi (conductoare, semiconductoare, izolante), de pe suport, în regiunile care

trebuie să fie electroizolante.

În tehnologia microelectronică se distinge tipul de corodare “uscată” (dry

etching) realizată prin diverse metode.

Corodarea uscată foloseşte plasma ca agent de corodare care este de fapt o

tehnică de combinare a corodării chimice cu corodarea fizică sau cu corodarea

prin bombardare cu ioni a materialului.

Corodarea chimică prezintă o viteză ridicată de corodare, o bună

selectivitate prin acţiunea diferită asupra diverselor materiale, o distrugere relativ

redusă a reţelei datorită bombardamentului ionic, dar are dezavantajul unei

acţiuni izotrope asupra aceluiaşi material.

Corodarea fizică prezintă o acţiune anizotropă prin bombardamentul ionilor

pozitivi care o realizează, provocând totodată şi o oarecare distrugere a reţelei, iar

selectivitatea de acţiune asupra diverselor materiale este redusă în funcţie de

rezistenţa diferită a acestora la acţiunea agentului fizic.

Se diferenţiază urmatoarele variante de corodare:

corodarea cu plasmă

corodarea cu ioni reactivi – tehnică întalnită sub abrevierea RIE (Reactive

Ion Etching)

corodarea în adâncime cu ioni reactivi – DRIE (Deep Reactive Ion Etching)

Principiul corodării uscate:

cu plasmă cu ioni reactivi

Corodarea cu plasmă

Pentru inţelegerea mecanismelor de corodare uscată vom vorbi pe scurt

despre plasmă.

Plasma reprezintă un gaz puternic ionizat, compus dintr-un număr egal de

sarcini pozitive şi negative, precum şi un număr de molecule neionizate (neutre).

Ea este produsă de un câmp electric E mai mare decât câmpul de străpungere Ebr

al gazului capabil să-l ionizeze. Corespunzător unui câmp electric E>Ebr se creează

în gaz o stare de plasmă cu un anumit număr de ioni pozitivi, electroni si molecule

neionizate.

Instalaţia folosită la corodarea uscată cu plasmă foloseşte un reactor cu

placă port-substrat orizontală. Pentru stimularea formării substanţelor active în

reactor se foloseşte un generator de radiofrecvenţă. În cazul în care electrozii nu

sunt polarizaţi, atacul este izotrop, adică identic după toate direcţiile, iar dacă

materialele de corodat au direcţii preferenţiale (exemplu cazul cristalelor

semiconductoare) corodarea poate fi dirijată după planurile reticulare.

Reactorul este de obicei echipat cu un sistem de control al corodării, pentru

a detecta sfârşitul procesului de corodare. În acest scop se foloseşte un

interferometru cu laser, la care perioada semnalului detectat se modifică odată cu

schimbarea naturii materialului de pe suprafaţa plachetei.

Reactor de corodare cu plasmă, cu placă port-suport orizontal

Fenomenul de corodare cu plasmă este complex şi cuprinde urmatoarele etape:

generarea în plasmă a substanţele reactive capabile să atace chimic

straturile de pe suprafaţa plachetelor

transferul substanţele reactive spre suprafaţa de gravat

absorbţia substanţelor reactive şi atacul suprafeţelor

reacţia chimică cu materialul de pe suprafaţă, produşii de reacţie trebuie să

fie volatili, pentru a putea degaja suprafaţa

desorbţia reactivilor

difuzia în mediul gazos

Dacă toate condiţiile sunt îndeplinite, se poate spera la un rezultat bun al

corodării cu plasma. Pentru punerea la punct a acestei etape tehnologice,

dificultatea constă în generarea produşilor volatile după reacţia la suprafaţă.

În funcţie de reactivii introduşi în reactor şi în funcţie de natura stratului de

corodat, viteza de corodare va fi diferită. Un bun control al corodării se poate face

speculând diferenţele dintre vitezele de corodare pentru diverse substanţe.

Diferenţa dintre cele două viteze, datorată bombardamentului cu ioni după

direcţia vertical, permite realizarea unei corodări anizotrope. Se poate obţine o

corodare izotopă sau anizotropă, reglând acţiunea ionilor-proiectil din plasmă şi

cea a ionilor activi chimic. Dacă între cei doi electrozi aplicăm o tensiune continuă

de polarizare, pot fi acceleraţi ionii reactivi, pe direcţii preferenţial-orientate spre

suprafaţa de corodat. În acest caz corodarea va fi anizotropă. Se acţionează

totodată asupra dozării raportului dintre bombardamentul ionic şi atacul chimic.

Vitezele de corodare după direcţiile vertical şi orizontală obţinute prin bombardare ionică

Stratul Izotrop vs Stratul Anizotrop

Stratul izotrop

Rata de corodare este aceeași în direcția orizontală și verticală.

Stratul anizotrop

Rata de corodare este diferită în direcția orizontală și verticală.

Directia de corodare

Cei mai utilizaţi agenţi de corodare folosiţi la corodarea uscată în

tehnologiile de microfabricaţie

Materialul corodat Agentul corodat la corodarea uscată cu plasmă

Aluminiu(Al) Cl2, CCl4, SiCl4, BCl3

Molibden(Mo) CF4

Reziduri organice şi fotorezist O2 (rezultat din calcinare)

Siliciu(Si) CF4, SF6, NF3

Cl2, CCl2F2

Dioxid de siliciu(SiO2) CF4, SF6, NF3

Azotat de siliciu(Si3N4) CF4, SF6, NF3

Tantal(Ta) CF4

Titan(Ti) BCl3

Tungsten(W) CF4

SF6

Corodarea cu plasmă are avantajul unei subcorodări mai mici (ceea ce

permite obţinerea traseelor mai subţiri), anizotropie mai ridicată (obţinem

structuri verticale cu raport mare de aspect) şi se poate face în zone restrânse,

chiar punctual.

Corodarea cu ioni reactivi–tehnică întalnită sub abrevierea RIE (Reactive Ion Etching)

Reactive Ion Etching (RIE) este cea mai simplă configurație a

echipamentului de corodare.

Corodarea cu ioni reactivi (RIE) este un tip de tehnologie de corodare cu

plasmă utilizată în piețele de semiconductori specializate pentru fabricarea

dispozitivelor. Procesul este complex si presupune o combinaţie de efecte chimice

şi fizice.

Un atribut cheie al tehnologiei RIE este capacitatea sa orientabilă (de obicei anizotropică, deoarece bombardarea ionică este direcţională) de corodare.

Bombardamentul ionic: -rata de corodare crescută-degradare structurală -selectivitate redusă -nu subcotare, deoarece pereţii laterali nu sunt expuşi

Descrierea procedeului: Plăcuţele de corodat sunt introduse în reactor împreună cu o serie de gaze.

Cu ajutorul unei surse de energie înalta 13.56MHz (RF) se produc ioni care

bombardează suprafeţele plăcutelor. O parte din ioni, având suficientă energie

pot scoate atomii din materialul corodat fără reacţii chimice. O altă parte din

ioni produc reacţii chimice si se corodează zonele dorite.

Exemplu de diagramă a unei configurații comune RIE. Un RIE constă din doi

electrozi (1 și 4) care creează un câmp electric (3) destinat accelerării ionilor (2)

spre suprafaţa eşantioanelor (5). Zona etichetă(2) reprezintă plasma care conţine

atât ioni încărcaţi pozitiv, cât şi negativ în cantităţi egale. Aceşti ioni sunt generaţi

din gazul care este pompat în cameră. (în imagine plasma este cu mulţi ioni de

fluor). Ionii de fluor sunt accelerați în câmpul electric provocându-i să se

ciocnească în suprafața eșantionului. O mască tare este folosită pentru a proteja

anumite zone de gravură, expunând doar zonele dorite a fi gravate.

Figura de mai jos prezintă o mască fotorezistă pe dioxid de siliciu. Ionii de

gravare sunt accelerați în zona de gravare, unde se combină cu dioxid de siliciu și

apoi sunt dispersați. Deoarece câmpul electric trimite ioni spre suprafață, gravura

cauzată de acești ioni este mult mai dominantă decât gravarea radicalilor - ioni

care călătoresc în direcții variate, astfel încât gravarea este anizotropă

PROCESELE RIE

O gamă largă de materiale pot fi gravate, incluzând:

Materiale dielectrice (SiO2,Si3N4)

Materialele pe bază de siliciu (Si, a-Si, poli-Si)

Materialele III-V (GaAs, InP, GaN)

Metalele pulverizate (Au, Pt, Ti, Ta, W)

Carbonul asemănător cu diamantul (DLC)

Parametrii importanţi pentru corodarea cu ioni reactivi:

• Presiune joasă => împrăştiere minimă a ionilor

• Menţine traiectoria verticală a ionilor

• Control bun asupra profilului corodarii

• Menţine concentraţii mari de F+ în plasmă

• Produşi volatili prin reacţia cu SFn şi CFn

Echipamentul RIE Echipamentul tipic RIE este construit în jurul unei camere de vid, cu doi

electrozi care creează un câmp electric care accelerează ionii către suprafața substratului. Înainte ca, camera să fie pusă sub vid, substratul este transferat la electrodul de jos (alimentat). Gazele de proces intră în cameră prin capul de duș din electrodul superior și reactorul este evacuat printr-o pompă de vid.

Materiale pentru reactoare

Alegerea reactorului și a materialelor țintă este de importanță critică și poate duce la necaracteristici, cum ar fi:

-epuizarea reactantului, de exemplu: a Si sau Cuarț- consumă atomii F, grafit sau Teflon- consumă atomii de O, iar Al consumă atomii de Cl

-generarea de specii: -active direct, de ex. Tefal, produce F atomi, CF 2 + O → 2F + CO și

cuarț produce atomi de O care pot preveni construcția polimerilor -active indirect, de exemplu, Al poate crește densitatea atomului F datorită reacțiilor catalitice

-generarea de precursori de polimeri, de exemplu grafit sau Teflon -coeficientul de emisie secundar de electroni al suprafetelor electrozilor

poate influenta natura descarcarii.

Avantaje:

Sistemul și procesul RIE sunt cele mai potrivite pentru producția de mici

dimensiuni, pre-producție și prototipuri și asigură atât curățarea suprafeței cât și

activarea suprafețelor. Are selectivitate mai bună și rată de etch mult mai ridicată.

Efectul ionilor este de a rupe legăturile, crește temperatura la nivel local pe

suprafață și furnizează energie de activare.

Diagrama schematică a etanșei anizotropice de înaltă presiune care prezintă

formarea peliculelor pasivative laterale:

RIE permite realizarea unui control de profil datorat combinării sinergetice a

pulverizării fizice cu activitatea chimică a speciilor reactive cu o rată ridicată de

etch și o selectivitate ridicată.

Produs tipic RIE sinergetic:

Acoperirea cu ioni poate fi împărțită în două grupuri principale: - ionul indus (gravarea controlată de reacție) RIE - inhibitor de ioni (degradare controlată prin desorbție) RIE

Ion-indus RIE Această tehnică este utilizată atunci când substratul nu este gravat spontan, ca în Cl 2 / Si sau O2 / sistem de polimer. Ionii modifică reacțiile de suprafață într-un

fel sau altul (de exemplu, pulverizare chimică, fizic îmbunătățită chimic pulverizare sau zgarieturi) și face posibil ca radicalii să reacționeze cu substratul.

Inhibitor de ioni RIE

În această tehnică, substratul este gravat spontan și, prin urmare, este necesar un strat de inhibare pentru obtinerea directionalităţii.

Pereții laterali de tranșee nu sunt expusi bombardamentului ionic și vor fi acoperiti de filme. Cu toate acestea, partea inferioară a șanțului este expusă bombardamentului cu ioni, astfel lipsit de acesta depunere, gravarea poate continua.

Stratul pasivant poate fi crescut prin: -introducerea gazelor care acționează ca un siliciuoxicarboni de

formare a oxidului de siliciu -introducerea gazelor care acționează ca polimeri precursori care

Formează halogeni de carbon -înghețarea in mod normal a produselor volatile de reacție ale Si cu

radicali la pereții canalului, cum ar fi halogeni de siliciu -eroziunea și redepunerea materialului de mască, cum ar fi halogeni

metalici.

Depunerea unei filme polimerice de carbon are dezavantajul că acest film este mai puțin stabil din punct de vedere termic decât un oxihalogen anorganic de siliciu.

Gaze importante pentru gravura Si cu radiații principali ai plasmei, produse și inhibitori.

DRIE (Deep Reactive Ion Etching)

DRIE este o extensie a RIE care modifică această tehnică pentru a produce

fante corodate adânci şi înguste. Se utilizează pentru rate mari de anizotropie și

pentru a obține modele cu rapoarte maxime de aspect și rezoluție.

Corodarea în adâncime cu ioni reactivi (DRIE) este folosită pentru gravarea

siliciului. Această metodă a fost introdusă de Bosch la mijlocul anilor 1990 și

comercializată de mai multe fabrici de echipamente. DRIE utilizează cicluri

alternative de gaz SF 6 pentru a etanșa rapid siliciul.

Există două tehnologii principale pentru DRIE de mare viteză: criogenică și

Bosch, deși procesul Bosch este singura tehnică de producție recunoscută.

Două abordări majore ale DRIE sunt:

Etanșare asistată prin răcire criogenică;

Gravarea alternativă și depunerea chimică a vaporilor.

În prima abordare, substratul este răcit cu azot lichid. Temperaturile

criogenice permit gazului reactant, cum ar fi SF 6 sau O 2, să se condenseze pe suprafața șanțului. În timp ce pelicula de condensare protejează peretele lateral de gravură, acesta este îndepărtat în partea de jos prin bombardament ionic. Deoarece fundul canalului nu este protejat, acesta este gravat în continuare în substrat.

A doua abordare utilizează depunerea chimică a vaporilor pentru a proteja pereții laterali. Această tehnică a fost inventată și patentată de Robert Bosch. Prin urmare, tehnicaeste numit adesea procesul Bosch. Procesul Bosch alternează un pas de corodare cu unul de pasivare. În timpul pasivării se obţine un strat similar teflonului, inert la acţiunea chimică a ionilor de fluor. În timpul pasului de corodare, stratul de pasivare este îndepărtat de pe suprafeţele orizontale prin sputtering, în timp ce suprafeţele verticale nu sunt afectate. Astfel, în timpul corodării cu procesul Bosch, pe pereţii verticali se observă ripluri orizontale.

Corodarea siliciului se face cu SF6. Pasivarea se face cu C4F8 şi se obţine o depunere rezistenta la corodare pe toata suprafaţa (inclusiv pe pereţii verticali).

Bosch versus Cryo