Глубокое реактивно-ионное травление

Глубокое реактивно-ионное травление ( ДРИЭ ) — это особый подкласс реактивно-ионного травления (РИЭ). Он обеспечивает высокоанизотропный процесс травления , используемый для создания глубоких отверстий, крутых отверстий и канавок в пластинах /подложках, как правило, 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.

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

SiO _x F _y Другим механизмом является пассивация боковых стенок: функциональные группы (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

Процесс Bosch, названный в честь немецкой компании Robert Bosch GmbH , запатентовавшей этот процесс. ^[1]^[2]^[3]^[4]^[5]^[6] также известное как импульсное травление или травление с мультиплексированием по времени, оно многократно чередует два режима для достижения почти вертикальных структур:

Стандартное, почти изотропное плазменное травление . Плазма содержит некоторое количество ионов, которые атакуют пластину почти вертикально. Гексафторид серы [SF ₆ ] часто используется для получения кремния .
Нанесение химически инертного пассивационного слоя. (Например, исходный газ октафторциклобутан [C ₄ F ₈ ] дает вещество, похожее на тефлон .)

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 дают более гладкие стенки, а длинные циклы дают более высокую скорость травления.

Приложения

Глубина травления обычно зависит от применения:

в схемах памяти DRAM траншеи конденсаторов могут иметь глубину 10–20 мкм,
в MEMS DRIE используется для размеров от нескольких микрометров до 0,5 мм.
при нарезке кристаллов неправильной формы DRIE используется с новой гибридной мягкой/твердой маской для достижения субмиллиметрового травления и нарезки кремниевых штампов на детали неправильной формы, напоминающие лего. ^[7]^[8]^[9]
в гибкой электронике DRIE используется для придания гибкости традиционным монолитным КМОП-устройствам за счет уменьшения толщины кремниевых подложек до нескольких или десятков микрометров. ^[10]^[11]^[12]^[13]^[14]^[15]

DRIE отличается от RIE глубиной травления. Практическая глубина травления для RIE (используемого при производстве ИС ) будет ограничена примерно 10 мкм со скоростью до 1 мкм/мин, в то время как DRIE может протравливать гораздо большие характеристики - до 600 мкм и более со скоростью до 20 мкм/мин. 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 _{процесс Bosch с чередованием стадий травления SF 6} и пассивации C ₄ F ₈ имеет место . 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 и более. ^[18] Это означает, что на поверхности можно протравить траншею с вертикальными стенками, глубина которой в 30 раз превышает ее ширину.

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.

См. также

Микроэлектромеханические системы

Ссылки

^ Основная заявка на патент на процесс Bosch
^ Улучшенная заявка на патент процесса Bosch.
^ Заявка на патент процесса Bosch «Увеличение параметров».
^ Метод анизотропного травления кремния.
^ Метод анизотропного травления кремния.
^ Метод анизотропного травления кремния.
^ 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 .
^ Мендис, Лакшини (14 февраля 2017 г.). «Лего-подобная электроника» Природа Ближнего Востока . дои : 10.1038/middleeast.2017.34 .
^ Бергер, Майкл (6 февраля 2017 г.). «Легоподобная кремниевая электроника, изготовленная с использованием гибридных масок травления» . Нановерк .
^ Гонейм, Мохамед; Альфараж, 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 .
^ 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 . doi : 10.3390/electronics4030424 . S2CID 666307 .
^ 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 .
^ 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 .
^ 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 .
^ 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 .
^ Чекуров, Н; Григорас, К; и др. (11 февраля 2009 г.). «Изготовление кремниевых наноструктур методом локальной имплантации галлия и криогенного глубокого реактивного ионного травления» . Нанотехнологии . 20 (6): 065307. Бибкод : 2009Nanot..20f5307C . дои : 10.1088/0957-4484/20/6/065307 . ПМИД 19417383 . S2CID 9717001 .
^ Колесников-Джессоп, Соня (23 ноября 2012 г.). «Точное будущее кремниевых деталей все еще обсуждается» . Нью-Йорк Таймс . Нью-Йорк.
^ 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 . 23 (6). Американское вакуумное общество: 2319. Бибкод : 2005JVSTB..23.2319Y . дои : 10.1116/1.2101678 . ISSN 0734-211X .

[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/middleeast.2017.34 .

[9] Бергер, Майкл (6 февраля 2017 г.). «Легоподобная кремниевая электроника, изготовленная с использованием гибридных масок травления» . Нановерк .

[10] Гонейм, Мохамед; Альфараж, 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 . doi : 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 др. (11 февраля 2009 г.). «Изготовление кремниевых наноструктур методом локальной имплантации галлия и криогенного глубокого реактивного ионного травления» . Нанотехнологии . 20 (6): 065307. Бибкод : 2009Nanot..20f5307C . дои : 10.1088/0957-4484/20/6/065307 . ПМИД 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 . 23 (6). Американское вакуумное общество: 2319. Бибкод : 2005JVSTB..23.2319Y . дои : 10.1116/1.2101678 . ISSN 0734-211X .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]