stringtranslate.com

Глубокое реактивно-ионное травление

Глубокое реактивно-ионное травление ( DRIE ) — это особый подкласс реактивно-ионного травления (RIE). Он обеспечивает высокоанизотропный процесс травления , используемый для создания глубоких проникающих, крутобоких отверстий и канавок в пластинах /подложках, как правило, с высоким соотношением сторон . Он был разработан для микроэлектромеханических систем (MEMS), которым требуются эти характеристики, но также используется для прокладки канавок для конденсаторов высокой плотности для DRAM и в последнее время для создания сквозных кремниевых переходных отверстий ( TSV ) в передовой технологии 3D-уровня упаковки на уровне пластин.

В DRIE подложка помещается внутрь реактора, и вводится несколько газов. В газовой смеси возникает плазма, которая разбивает молекулы газа на ионы. Ионы ускоряются по направлению к поверхности материала, подвергаемого травлению, и реагируют с ней, образуя другой 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.

Существуют две основные технологии для высокоскоростного DRIE: криогенная и Bosch, хотя процесс Bosch является единственной признанной производственной технологией. Оба процесса Bosch и криогенные могут изготавливать 90° (истинно вертикальные) стенки, но часто стенки слегка сужаются, например, 88° («возвратные») или 92° («ретроградные»).

Другой механизм — пассивация боковых стенок: функциональные группы SiO x F y (которые происходят из гексафторида серы и травильных газов кислорода) конденсируются на боковых стенках и защищают их от бокового травления. В качестве комбинации этих процессов можно создавать глубокие вертикальные структуры.

Криогенный процесс

При криогенном DRIE пластина охлаждается до −110 °C (163 K ). Низкая температура замедляет химическую реакцию , которая производит изотропное травление. Однако ионы продолжают бомбардировать обращенные вверх поверхности и вытравливать их. Этот процесс создает канавки с высоковертикальными боковыми стенками. Основная проблема с криогенным DRIE заключается в том, что стандартные маски на подложках трескаются при сильном холоде, а побочные продукты травления имеют тенденцию осаждаться на ближайшей холодной поверхности, то есть подложке или электроде.

Процесс Боша

Кремниевая колонна, изготовленная с использованием процесса Bosch
Кремниевый микростолб, изготовленный с использованием процесса Bosch

Процесс Bosch, названный в честь немецкой компании Robert Bosch GmbH , которая запатентовала этот процесс, [1] [2] [3] [4] [5] [6], также известный как импульсное или мультиплексированное по времени травление, многократно чередует два режима для получения почти вертикальных структур:

  1. Стандартное, почти изотропное плазменное травление . Плазма содержит некоторое количество ионов, которые атакуют пластину с почти вертикального направления. Гексафторид серы [SF6 ] часто используется для кремния .
  2. Нанесение химически инертного пассивирующего слоя. (Например, исходный газ октафторциклобутан [C 4 F 8 ] дает вещество, похожее на тефлон .)
Волнистая боковина в результате процесса Боша
Волнистая боковая стенка кремниевой структуры, созданная с использованием процесса 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 распыляют его, подвергая подложку воздействию химического травителя.

Эти этапы травления/осаждения повторяются много раз, что приводит к большому количеству очень маленьких изотропных этапов травления, происходящих только на дне протравленных ямок. Например, для травления через кремниевую пластину толщиной 0,5 мм требуется 100–1000 этапов травления/осаждения. Двухфазный процесс заставляет боковые стенки волнообразно колебаться 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 травления обычно зависит от области применения:

DRIE отличается от RIE глубиной травления. Практические глубины травления для RIE (применяемые в производстве ИС ) будут ограничены примерно 10 мкм при скорости до 1 мкм/мин, в то время как DRIE может травить элементы гораздо большего размера, до 600 мкм и более, со скоростью до 20 мкм/мин и более в некоторых приложениях.

DRIE стекла требует высокой мощности плазмы, что затрудняет поиск подходящих материалов масок для действительно глубокого травления. Поликремний и никель используются для глубины травления 10–50 мкм. При DRIE полимеров используется процесс Bosch с чередующимися этапами травления SF 6 и пассивации C 4 F 8. Можно использовать металлические маски, однако они дороги в использовании, поскольку всегда требуется несколько дополнительных этапов фото- и осаждения. Однако металлические маски не нужны на различных подложках (Si [до 800 мкм], InP [до 40 мкм] или стекле [до 12 мкм]), если используются химически усиленные негативные резисты.

Имплантация ионов галлия может быть использована в качестве маски 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 локальной имплантацией галлия и криогенным глубоким реактивным ионным травлением". [16]

Прецизионное машиностроение

Технология DRIE позволила использовать кремниевые механические компоненты в наручных часах высокого класса. По словам инженера Cartier , «с DRIE нет предела геометрическим формам». [17] С помощью DRIE можно получить соотношение сторон 30 и более, [18] что означает, что поверхность может быть протравлена ​​вертикальной траншеей в 30 раз глубже ее ширины.

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

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Заявка на патент на базовый процесс Bosch
  2. ^ Заявка на патент на усовершенствованный процесс Bosch
  3. ^ Заявка на патент на технологию Bosch "Parameter Ramping"
  4. ^ Метод анизотропного травления кремния
  5. ^ Метод анизотропного травления кремния
  6. ^ Метод анизотропного травления кремния
  7. ^ Гонейм, Мохамед; Хуссейн, Мухаммад (1 февраля 2017 г.). «Высокопроизводительная глубокая (субмиллиметровая) травка позволила создать кремниевую электронику с высоким соотношением сторон и сложной геометрией, похожей на Lego» (PDF) . Small . 13 (16): 1601801. doi :10.1002/smll.201601801. hdl : 10754/622865 . PMID  28145623.
  8. ↑ Мендис, Лакшини (14 февраля 2017 г.). «Легоподобная электроника». Природа Ближнего Востока . дои : 10.1038/nmiddleeast.2017.34.
  9. ^ Бергер, Майкл (6 февраля 2017 г.). «Кремниевая электроника, похожая на Lego, изготовленная с помощью гибридных травильных масок». Nanowerk .
  10. ^ Гонейм, Мохамед; Альфарадж, Насир; Торрес-Севилья, Гало; Фахад, Хоссейн; Хуссейн, Мухаммад (июль 2016 г.). «Влияние деформации вне плоскости на физически гибкие FinFET CMOS». IEEE Transactions on Electron Devices . 63 (7): 2657–2664. Bibcode : 2016ITED...63.2657G. doi : 10.1109/ted.2016.2561239. hdl : 10754/610712 . S2CID  26592108.
  11. ^ Гонейм, Мохамед Т.; Хуссейн, Мухаммад М. (23 июля 2015 г.). «Обзор физически гибкой энергонезависимой памяти для Интернета всего в электронике». Электроника . 4 (3): 424–479. arXiv : 1606.08404 . doi : 10.3390/electronics4030424 . S2CID  666307.
  12. ^ Гонейм, Мохамед Т.; Хуссейн, Мухаммад М. (3 августа 2015 г.). «Исследование работы гибкой сегнетоэлектрической памяти, интегрированной с PZT и кремниевой тканью, в жестких условиях окружающей среды» (PDF) . Applied Physics Letters . 107 (5): 052904. Bibcode :2015ApPhL.107e2904G. doi :10.1063/1.4927913. hdl : 10754/565819 .
  13. ^ Ghoneim, Mohamed T.; Rojas, Jhonathan P.; Young, Chadwin D.; Bersuker, Gennadi; Hussain, Muhammad M. (26 ноября 2014 г.). «Электрический анализ высокодиэлектрических изоляторов и металл-оксид-полупроводниковых конденсаторов с металлическим затвором на гибком объемном монокристаллическом кремнии». IEEE Transactions on Reliability . 64 (2): 579–585. doi :10.1109/TR.2014.2371054. S2CID  11483790.
  14. ^ Ghoneim, Mohamed T.; Zidan, Mohammed A.; Alnassar, Mohammed Y.; Hanna, Amir N.; Kosel, Jurgen; Salama, Khaled N.; Hussain, Muhammad (15 июня 2015 г.). "Гибкая электроника: тонкие сегнетоэлектрические конденсаторы на основе PZT на гибком кремнии для энергонезависимых запоминающих устройств". Advanced Electronic Materials . 1 (6): 1500045. doi :10.1002/aelm.201500045. S2CID  110038210.
  15. ^ Ghoneim, Mohamed T.; Kutbee, Arwa; Ghodsi, Farzan; Bersuker, G.; Hussain, Muhammad M. (9 июня 2014 г.). «Воздействие механических аномалий на конденсаторы металл–оксид–полупроводник на гибкой кремниевой ткани» (PDF) . Applied Physics Letters . 104 (23): 234104. Bibcode :2014ApPhL.104w4104G. doi :10.1063/1.4882647. hdl : 10754/552155 . S2CID  36842010.
  16. ^ Чекуров, Н; Григорас, К; и др. (11 февраля 2009 г.). «Изготовление кремниевых наноструктур локальной имплантацией галлия и криогенным глубоким реактивным ионным травлением». Нанотехнологии . 20 (6): 065307. Bibcode : 2009Nanot..20f5307C. doi : 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». The New York Times . Нью-Йорк.
  18. ^ Yeom, Junghoon; Wu, Yan; Selby, John C.; Shannon, Mark A. (2005). "Максимально достижимое соотношение сторон при глубоком реактивном ионном травлении кремния из-за зависящего от соотношения сторон транспорта и эффекта микрозагрузки". Журнал вакуумной науки и технологии B: Микроэлектроника и нанометровые структуры . 23 (6). Американское вакуумное общество: 2319. Bibcode : 2005JVSTB..23.2319Y. doi : 10.1116/1.2101678. ISSN  0734-211X.