Razumevanje tehnologije suhega jedkanja v industriji polprevodnikov

Jedkanje se nanaša na tehniko selektivnega odstranjevanja materiala s fizičnimi ali kemičnimi sredstvi za doseganje oblikovanih strukturnih vzorcev.

Trenutno veliko polprevodniških naprav uporablja strukture mesa naprav, ki so večinoma ustvarjene z dvema vrstama jedkanja:mokro in suho jedkanje. Medtem ko ima preprosto in hitro mokro jedkanje pomembno vlogo pri izdelavi polprevodniških naprav, ima svoje pomanjkljivosti, kot sta izotropno jedkanje in slaba enakomernost, kar ima za posledico omejen nadzor pri prenosu majhnih vzorcev. Vendar pa je suho jedkanje s svojo visoko anizotropijo, dobro enakomernostjo in ponovljivostjo postalo pomembno v postopkih izdelave polprevodniških naprav. Izraz "suho jedkanje" se na splošno nanaša na katero koli tehnologijo nemokrega jedkanja, ki se uporablja za odstranjevanje površinskih materialov in prenos mikro in nano vzorcev, vključno z laserskim jedkanjem, plazemskim jedkanjem in jedkanjem s kemično paro. Suho jedkanje, obravnavano v tem besedilu, se posebej nanaša na ozko uporabo postopkov, ki uporabljajo plazemsko razelektritev – fizično ali kemično – za spreminjanje materialnih površin. Zajema več običajnih industrijskih tehnologij jedkanja, vključno zJedkanje z ionskim žarkom (IBE), reaktivno ionsko jedkanje (RIE), jedkanje s plazmo z elektronsko ciklotronsko resonanco (ECR) in jedkanje z induktivno sklopljeno plazmo (ICP).

1. Jedkanje z ionskim žarkom (IBE)

Znano tudi kot ionsko rezkanje, se je IBE razvilo v sedemdesetih letih 20. stoletja kot čisto fizična metoda jedkanja. Postopek vključuje ionske žarke, ustvarjene iz inertnih plinov (kot sta Ar, Xe), ki jih napetost pospeši za bombardiranje površine ciljnega materiala. Ioni prenašajo energijo na površinske atome, zaradi česar tisti, katerih energija presega njihovo vezavno energijo, razpršijo. Ta tehnika uporablja pospešeno napetost za nadzor smeri in energije ionskega žarka, kar ima za posledico odlično anizotropijo jedkanja in možnost nadzora hitrosti. Čeprav je idealen za jedkanje kemično stabilnih materialov, kot so keramika in nekatere kovine, lahko potreba po debelejših maskah za globlje jedkanje ogrozi natančnost jedkanja, visokoenergijsko ionsko bombardiranje pa lahko povzroči neizogibno električno škodo zaradi prekinitev mreže.

2. Reaktivno ionsko jedkanje (RIE)

RIE, razvit iz IBE, združuje kemične reakcije s fizičnim ionskim obstreljevanjem. V primerjavi z IBE ponuja RIE višje stopnje jedkanja ter odlično anizotropijo in enakomernost na velikih površinah, zaradi česar je ena najpogosteje uporabljenih tehnik jedkanja v mikro in nano izdelavi. Postopek vključuje uporabo radiofrekvenčne (RF) napetosti na vzporedne ploščne elektrode, zaradi česar elektroni v komori pospešijo in ionizirajo reakcijske pline, kar vodi do stabilnega stanja plazme na eni strani plošč. Plazma nosi pozitiven potencial zaradi elektronov, ki jih privlači katoda in so ozemljeni na anodi, kar ustvarja električno polje v komori. Pozitivno nabita plazma pospešuje proti substratu, povezanemu s katodo, in ga učinkovito jedka.

Med postopkom jedkanja komora vzdržuje okolje z nizkim tlakom (0,1~10 Pa), kar poveča stopnjo ionizacije reakcijskih plinov in pospeši proces kemične reakcije na površini substrata. Na splošno postopek RIE zahteva, da so reakcijski stranski produkti hlapni, da jih vakuumski sistem učinkovito odstrani, kar zagotavlja visoko natančnost jedkanja. Raven RF moči neposredno določa gostoto plazme in prednapetost pospeška, s čimer nadzira hitrost jedkanja. Vendar RIE med povečanjem gostote plazme poveča tudi prednapetost, kar lahko povzroči poškodbe mreže in zmanjša selektivnost maske, kar predstavlja omejitve za aplikacije jedkanja. S hitrim razvojem obsežnih integriranih vezij in zmanjševanjem velikosti tranzistorjev je prišlo do večjega povpraševanja po natančnosti in razmerjih stranic v mikro in nano izdelavi, kar je privedlo do pojava tehnologij suhega jedkanja na osnovi plazme visoke gostote, ki zagotavljajo nove priložnosti za napredek elektronske informacijske tehnologije.

3. Plazemsko jedkanje z elektronsko ciklotronsko resonanco (ECR).

Tehnologija ECR, zgodnja metoda za doseganje plazme z visoko gostoto, uporablja mikrovalovno energijo za resoniranje z elektroni v komori, okrepljeno z zunanje uporabljenim frekvenčno usklajenim magnetnim poljem za induciranje elektronske ciklotronske resonance. Ta metoda dosega bistveno višje gostote plazme kot RIE, s čimer se poveča hitrost jedkanja in selektivnost maske, s čimer se olajša jedkanje struktur z ultra visokim razmerjem stranic. Vendar kompleksnost sistema, ki temelji na usklajenem delovanju mikrovalovnih virov, virov RF in magnetnih polj, predstavlja operativne izzive. Kmalu je sledil pojav jedkanja z induktivno sklopljeno plazmo (ICP) kot poenostavitev v primerjavi z ECR.

4. Jedkanje z induktivno sklopljeno plazmo (ICP).

Tehnologija jedkanja ICP poenostavi sistem, ki temelji na tehnologiji ECR, z uporabo dveh 13,56 MHz RF virov za nadzor proizvodnje plazme in prednapetosti pospeška. Namesto zunanjega magnetnega polja, ki se uporablja v ECR, spiralna tuljava inducira izmenično elektromagnetno polje, kot je prikazano na shemi. Viri RF prenašajo energijo prek elektromagnetne sklopitve na notranje elektrone, ki se gibljejo v ciklotronskem gibanju znotraj induciranega polja in trčijo z reakcijskimi plini, da povzročijo ionizacijo. Ta nastavitev dosega gostoto plazme, primerljivo z ECR. ICP jedkanje združuje prednosti različnih sistemov jedkanja, ki izpolnjujejo potrebe po visokih stopnjah jedkanja, visoki selektivnosti, enakomernosti velikih površin in preprosti strukturi opreme, ki jo je mogoče nadzorovati, s čimer hitro postane prednostna izbira za novo generacijo tehnologij jedkanja s plazmo visoke gostote. .

5. Značilnosti suhega jedkanja

Tehnologija suhega jedkanja je zaradi svoje vrhunske anizotropije in visokih stopenj jedkanja hitro zavzela glavno mesto v mikro in nanofabrikacijah, ki je nadomestila mokro jedkanje. Merila za ocenjevanje dobre tehnologije suhega jedkanja vključujejo selektivnost maske, anizotropijo, hitrost jedkanja, splošno enotnost in gladkost površine zaradi poškodb mreže. S številnimi merili ocenjevanja je treba posebno situacijo upoštevati na podlagi potreb izdelave. Najbolj neposredni pokazatelji suhega jedkanja so površinska morfologija, vključno z ravnostjo jedkanega dna in stranskih sten ter anizotropijo jedkanih teras, ki ju je mogoče nadzorovati s prilagajanjem razmerja med kemičnimi reakcijami in fizičnim obstreljevanjem. Mikroskopska karakterizacija po jedkanju se običajno izvaja z uporabo vrstične elektronske mikroskopije in mikroskopije na atomsko silo. Selektivnost maske, ki je razmerje med globino jedkanja maske in globino materiala pri enakih pogojih in času jedkanja, je ključnega pomena. Na splošno velja, da višja kot je selektivnost, boljša je natančnost prenosa vzorca. Običajne maske, ki se uporabljajo pri jedkanju ICP, vključujejo fotorezist, kovine in dielektrične filme. Fotorezist ima slabo selektivnost in se lahko razgradi pri visokih temperaturah ali energijskem bombardiranju; kovine ponujajo visoko selektivnost, vendar predstavljajo izziv pri odstranjevanju maske in pogosto zahtevajo večplastne tehnike maskiranja. Poleg tega se lahko kovinske maske med jedkanjem oprimejo stranskih sten in tvorijo poti puščanja. Zato je izbira ustrezne tehnologije maske še posebej pomembna za jedkanje, izbor materialov maske pa je treba določiti na podlagi posebnih zahtev glede zmogljivosti naprav.**