stringtranslate.com

Глубокое реактивно-ионное травление

Глубокое реактивно-ионное травление ( DRIE ) — это высокоанизотропный процесс травления , используемый для создания глубоких отверстий с крутыми стенками и канавок в пластинах /подложках, обычно с высоким соотношением сторон . Он был разработан для микроэлектромеханических систем (MEMS), которым необходимы эти функции, но также используется для раскопок траншей для конденсаторов высокой плотности для DRAM , а в последнее время для создания сквозных кремниевых переходов ( TSV ) в передовой технологии упаковки на уровне 3D-пластины. В DRIE подложку помещают внутрь реактора и вводят несколько газов. В газовую смесь попадает плазма, которая расщепляет молекулы газа на ионы. Ионы ускоряются и вступают в реакцию с поверхностью травящегося материала, образуя еще один газообразный элемент. Это известно как химическая часть реактивного ионного травления. Есть еще и физическая часть: если ионы обладают достаточной энергией, они могут выбивать атомы из материала, подлежащего травлению, без химической реакции.

DRIE — это особый подкласс реактивно-ионного травления (RIE).

Существует две основные технологии высокоскоростного DRIE: криогенная и технология Bosch, хотя процесс Bosch является единственной признанной технологией производства. И Bosch, и криопроцессы позволяют изготавливать стенки под углом 90° (действительно вертикальные), но часто стенки слегка сужаются, например, 88° («входной») или 92° («ретроградный»).

Другим механизмом является пассивация боковых стенок: функциональные группы SiO x F y (которые происходят из гексафторида серы и газов травления кислорода) конденсируются на боковых стенках и защищают их от бокового травления. Комбинацией этих процессов можно создать глубокие вертикальные структуры.

Криогенный процесс

В криогенном методе DRIE пластина охлаждается до -110 °C (163 К ). Низкая температура замедляет химическую реакцию , вызывающую изотропное травление. Однако ионы продолжают бомбардировать обращенные вверх поверхности и вытравливать их. В результате этого процесса образуются траншеи с очень вертикальными боковыми стенками. Основная проблема крио-DRIE заключается в том, что стандартные маски на подложках трескаются при сильном холоде, а побочные продукты травления имеют тенденцию откладываться на ближайшей холодной поверхности, то есть на подложке или электроде.

процесс Боша

Кремниевый столбик, изготовленный по технологии Bosch.
Кремниевая микростойка, изготовленная по технологии Bosch.

Процесс Боша, названный в честь немецкой компании Robert Bosch GmbH , которая запатентовала этот процесс, [1] [2] [3] [4] [5] [6], также известный как импульсное или мультиплексное травление, многократно чередуется между двумя режимами. для достижения почти вертикальных структур:

  1. Стандартное, почти изотропное плазменное травление . Плазма содержит некоторое количество ионов, которые атакуют пластину почти вертикально. Гексафторид серы [SF 6 ] часто используется для получения кремния .
  2. Нанесение химически инертного пассивационного слоя. (Например, исходный газ октафторциклобутан [C 4 F 8 ] дает вещество, похожее на тефлон .)
Волнистая боковина в результате процесса Bosch
Волнистая боковая стенка кремниевой структуры, созданная по технологии Bosch.

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

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

Приложения

«Глубина» РЭИ зависит от применения:

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

СУШКА стекла требует высокой мощности плазмы, что затрудняет поиск подходящих материалов маски для действительно глубокого травления. Поликремний и никель используются для глубины травления 10–50 мкм. При ДРЭ полимеров имеет место процесс Bosch с чередованием стадий травления SF 6 и пассивации C 4 F 8 . Можно использовать металлические маски, однако их использование дорого, поскольку всегда требуется несколько дополнительных этапов фотосъемки и осаждения. Однако металлические маски не обязательны на различных подложках (Si [до 800 мкм], InP [до 40 мкм] или стекло [до 12 мкм]) при использовании химически усиленных негативных резистов.

Имплантацию ионов галлия можно использовать в качестве маски травления в крио-DRIE. О комбинированном процессе нанопроизводства сфокусированного ионного пучка и крио-ДРИЭ впервые сообщили Н. Чекуров и др. в статье «Изготовление кремниевых наноструктур методом локальной имплантации галлия и криогенного глубокого реактивного ионного травления». [16]

Прецизионное оборудование

DRIE позволила использовать кремниевые механические компоненты в высококачественных наручных часах. По словам инженера Cartier : «С DRIE нет предела геометрическим формам». [17] С помощью DRIE можно получить соотношение сторон 30 или более, [18] это означает, что на поверхности можно протравить траншею с вертикальными стенками, которая в 30 раз глубже ее ширины.

Это позволило заменить кремниевыми компонентами некоторые детали, которые обычно изготавливаются из стали, например, волосковую пружину . Кремний легче и тверже стали, что дает преимущества, но усложняет производственный процесс.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Основная заявка на патент на процесс Bosch
  2. ^ Улучшенная заявка на патент процесса Bosch.
  3. ^ Заявка на патент процесса Bosch «Увеличение параметров».
  4. ^ Метод анизотропного травления кремния.
  5. ^ Метод анизотропного травления кремния.
  6. ^ Метод анизотропного травления кремния.
  7. ^ Гонейм, Мохамед; Хусейн, Мухаммед (1 февраля 2017 г.). «Высокотехнологичное глубокое (субмиллиметровое) травление позволило создать кремниевую электронику со сложной геометрией и высоким соотношением сторон, напоминающую LEGO» (PDF) . Маленький . 13 (16): 1601801. doi :10.1002/smll.201601801. hdl : 10754/622865 . ПМИД  28145623.
  8. ↑ Мендис, Лакшини (14 февраля 2017 г.). «Лего-подобная электроника». Природа Ближнего Востока . дои : 10.1038/nmiddleeast.2017.34.
  9. ↑ Бергер, Майкл (6 февраля 2017 г.). «Легоподобная кремниевая электроника, изготовленная с использованием гибридных масок травления». Нановерк .
  10. ^ Гонейм, Мохамед; Альфарадж, Насир; Торрес-Севилья, Гало; Фахад, Хоссейн; Хусейн, Мухаммед (июль 2016 г.). «Влияние внеплоскостной деформации на физически гибкую FinFET CMOS». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 63 (7): 2657–2664. Бибкод : 2016ITED...63.2657G. дои : 10.1109/тед.2016.2561239. hdl : 10754/610712 . S2CID  26592108.
  11. ^ Гонейм, Мохамед Т.; Хусейн, Мухаммад М. (23 июля 2015 г.). «Обзор физически гибкой энергонезависимой памяти для Интернета всей электроники». Электроника . 4 (3): 424–479. arXiv : 1606.08404 . дои : 10.3390/electronics4030424 . S2CID  666307.
  12. ^ Гонейм, Мохамед Т.; Хусейн, Мухаммад М. (3 августа 2015 г.). «Исследование работы в суровых условиях гибкой сегнетоэлектрической памяти, интегрированной с ЦТС и кремниевой тканью» (PDF) . Письма по прикладной физике . 107 (5): 052904. Бибкод : 2015ApPhL.107e2904G. дои : 10.1063/1.4927913. hdl : 10754/565819 .
  13. ^ Гонейм, Мохамед Т.; Рохас, Джонатан П.; Янг, Чедвин Д.; Берсукер, Геннадий; Хусейн, Мухаммад М. (26 ноября 2014 г.). «Электрический анализ изоляторов с высокой диэлектрической постоянной и металлооксидных полупроводниковых конденсаторов с металлическим затвором на гибком объемном монокристаллическом кремнии». Транзакции IEEE о надежности . 64 (2): 579–585. дои :10.1109/TR.2014.2371054. S2CID  11483790.
  14. ^ Гонейм, Мохамед Т.; Зидан, Мохаммед А.; Альнасар, Мохаммед Ю.; Ханна, Амир Н.; Косел, Юрген; Салама, Халед Н.; Хусейн, Мухаммед (15 июня 2015 г.). «Гибкая электроника: тонкие сегнетоэлектрические конденсаторы на основе PZT на гибком кремнии для приложений энергонезависимой памяти». Передовые электронные материалы . 1 (6): 1500045. doi :10.1002/aelm.201500045. S2CID  110038210.
  15. ^ Гонейм, Мохамед Т.; Кутби, Арва; Годси, Фарзан; Берсукер, Г.; Хусейн, Мухаммад М. (9 июня 2014 г.). «Механическое аномальное воздействие на металлооксидно-полупроводниковые конденсаторы на гибкой кремниевой ткани» (PDF) . Письма по прикладной физике . 104 (23): 234104. Бибкод : 2014ApPhL.104w4104G. дои : 10.1063/1.4882647. hdl : 10754/552155 . S2CID  36842010.
  16. ^ Чекуров, Н; Григорас, К; и другие. (11 февраля 2009 г.). «Изготовление кремниевых наноструктур путем локальной имплантации галлия и криогенного глубокого реактивного ионного травления». Нанотехнологии . 20 (6): 065307. Бибкод : 2009Nanot..20f5307C. дои : 10.1088/0957-4484/20/6/065307. PMID  19417383. S2CID  9717001.
  17. ↑ Колесников-Джессоп, Соня (23 ноября 2012 г.). «Точное будущее кремниевых деталей все еще обсуждается». Нью-Йорк Таймс . Нью-Йорк.
  18. ^ Ём, Чонхун; Ву, Ян; Селби, Джон К.; Шеннон, Марк А. (2005). «Максимально достижимое соотношение сторон при глубоком реактивном ионном травлении кремния благодаря транспорту, зависящему от соотношения сторон, и эффекту микронагрузки». Журнал вакуумной науки и технологий B: Микроэлектроника и нанометровые структуры . Американское вакуумное общество. 23 (6): 2319. Бибкод : 2005JVSTB..23.2319Y. дои : 10.1116/1.2101678. ISSN  0734-211X.