Травление (микрообработка)

Резервуары для травления, используемые для очистки Piranha , плавиковой кислоты или RCA на партиях 4-дюймовых пластин на технологическом предприятии LAAS в Тулузе, Франция.

Травление используется в микрообработке для химического удаления слоев с поверхности пластины во время производства. Травление является критически важным технологическим модулем в производстве, и каждая пластина проходит множество этапов травления, прежде чем она будет завершена.

На многих этапах травления часть пластины защищена от травителя «маскирующим» материалом, устойчивым к травлению. В некоторых случаях маскирующий материал представляет собой фоторезист , на который нанесен рисунок с помощью фотолитографии . В других ситуациях требуется более прочная маска, например, из нитрида кремния .

Средства и технологии травления

Двумя основными типами травителей являются жидкофазные («мокрые») и плазменные («сухие»). Каждый из них существует в нескольких вариантах.

Мокрое травление

Радиационно-упрочненный кристалл 1886ВЭ10 микроконтроллера перед металлизацией .

Радиационно-упрочненный кристалл 1886VE10 микроконтроллера после металлизации. использования процесса травления

В первых процессах травления использовались жидкофазные («мокрые») травители. Сейчас этот процесс в значительной степени устарел, но использовался до конца 1980-х годов, когда его заменило травление сухой плазмой. Пластину можно погрузить в ванну с травителем, которую необходимо перемешивать для обеспечения хорошего контроля процесса. Например, плавиковая кислота с буфером (BHF) обычно используется для травления диоксида кремния на кремниевой подложке.

Для характеристики протравленной поверхности можно использовать различные специализированные травители.

Влажные травители обычно изотропны, что приводит к большим погрешностям при травлении толстых пленок. Они также требуют утилизации большого количества токсичных отходов. По этим причинам они редко используются в современных процессах. Однако фотопроявитель, используемый для фоторезиста, напоминает мокрое травление.

В качестве альтернативы погружению в машины для одиночных пластин используется принцип Бернулли, в котором газ (обычно чистый азот ) смягчает и защищает одну сторону пластины, в то время как на другую сторону наносится травитель. Это можно сделать как с лицевой, так и с обратной стороны. Химический состав для травления подается на верхнюю сторону, когда он находится в машине, а нижняя сторона не затрагивается. Этот метод травления особенно эффективен непосредственно перед «завершающей» обработкой ( BEOL ), когда пластины обычно становятся намного тоньше после обратного шлифования и очень чувствительны к тепловым или механическим нагрузкам. Травление тонкого слоя толщиной даже в несколько микрометров удалит микротрещины, образовавшиеся во время обратного шлифования, в результате чего пластина приобретет значительно большую прочность и гибкость без разрушения.

Анизотропное влажное травление (травление в зависимости от ориентации)

Анизотропное влажное травление кремниевой пластины создает полость трапециевидного сечения. Дно полости представляет собой плоскость {100} (см. индексы Миллера ), а стенки — плоскости {111}. Синий материал — это маска травления, а зеленый — кремний.

Некоторые средства для влажного травления травят кристаллические материалы с очень разной скоростью в зависимости от того, какая грань кристалла подвергается воздействию. В монокристаллических материалах (например, кремниевых пластинах) этот эффект может привести к очень высокой анизотропии, как показано на рисунке. Термин «кристаллографическое травление» является синонимом «анизотропного травления по плоскостям кристалла».

Однако для некоторых некристаллических материалов, таких как стекло, существуют нетрадиционные способы анизотропного травления. Для изготовления стеклянной канавки авторы используют многопоточный ламинарный поток, содержащий травящие нетравящие растворы. Травильный раствор в центре окружен нетравящими растворами, а область, контактирующая с травильными растворами, ограничена окружающими нетравящими растворами. Таким образом, направление травления в основном вертикально к поверхности стекла. Изображения, полученные сканирующей электронной микроскопией (СЭМ), демонстрируют нарушение обычного теоретического предела соотношения сторон (ширина/высота = 0,5) и способствуют двукратному улучшению (ширина/высота = 1).

Для кремния доступно несколько анизотропных средств для влажного травления, все они представляют собой горячие водные каустики. Например, гидроксид калия (KOH) демонстрирует селективность скорости травления в 400 раз выше в направлениях кристаллов <100>, чем в направлениях <111>. EDP ​​( водный раствор этилендиамина и пирокатехина ) демонстрирует селективность <100>/<111> 17X, не травит диоксид кремния, как это делает КОН, а также демонстрирует высокую селективность между слаболегированными и сильнолегированными бором (p- тип) кремний. Использование этих травителей на пластинах, которые уже содержат КМОП, интегральные схемы требует защиты схем. КОН может вводить подвижные ионы калия в диоксид кремния , а ЭДФ обладает высокой коррозионной активностью и канцерогеном , поэтому при их использовании требуется осторожность. Гидроксид тетраметиламмония (ТМАГ) представляет собой более безопасную альтернативу, чем EDP, с 37-кратной селективностью между плоскостями {100} и {111} в кремнии.

Травление поверхности кремния (100) через прямоугольное отверстие в маскирующем материале, подобное отверстию в слое нитрида кремния, создает ямку с плоскими наклонными боковыми стенками, ориентированными {111}, и плоским дном, ориентированным (100). Боковые стенки, ориентированные {111}, имеют угол к поверхности пластины:

$\arctan {\sqrt {2}}=54.7^{\circ }$

Если травление продолжать «до конца», т. е. до исчезновения плоского дна, то ямка превращается в траншею V-образного сечения. Если исходный прямоугольник был идеальным квадратом, то после протравливания ямка приобретет пирамидальную форму.

Подрез δ под краем маскирующего материала определяется по формуле:

$\delta ={\frac {{\sqrt {6}}D}{S}}={\frac {{\sqrt {6}}R_{100}T}{R_{100}/R_{111}}}={\sqrt {6}}TR_{111}$,

где R _xxx — скорость травления в направлении <xxx>, T — время травления, D — глубина травления и S — анизотропия материала и травителя.

Различные травители имеют разную анизотропию. Ниже приведена таблица распространенных анизотропных травителей кремния:

Травить	Рабочая температура (°C)	R 100 (мкм/мин)	С=Р 100 /Р 111	Материалы маски
Этилендиамин пирокатехол (EDP)	110	0.47	17	SiO 2 , Si 3 N 4 , Au , Cr , Ag , Cu
Гидроксид калия / Изопропиловый спирт (КОХ/ИПА)	50	1.0	400	Si 3 N 4 , SiO 2 (травление со скоростью 2,8 нм/мин)
Гидроксид тетраметиламмония (ТМАХ)	80	0.6	37	Si3N4 N4 , SiO2

Плазменное травление

Упрощенная иллюстрация сухого травления с использованием позитивного фоторезиста в процессе фотолитографии при микропроизводстве полупроводников. Примечание. Не в масштабе.

Современные процессы очень крупномасштабной интеграции (СБИС) не требуют влажного травления и вместо этого используют плазменное травление . Плазменные травители могут работать в нескольких режимах за счет регулирования параметров плазмы. Обычное плазменное травление работает при давлении от 0,1 до 5 Торр . (Эта единица давления, обычно используемая в вакуумной технике, равна примерно 133,3 паскаля .) Плазма производит энергичные свободные радикалы , нейтрально заряженные , которые реагируют на поверхности пластины. Поскольку нейтральные частицы атакуют пластину со всех сторон, этот процесс изотропен.

Плазменное травление может быть изотропным, т.е. иметь скорость бокового подреза на поверхности с рисунком, примерно такую ​​же, как скорость травления вниз, или может быть анизотропным, т.е. иметь меньшую скорость бокового подреза, чем скорость травления вниз. Такая анизотропия максимизируется при глубоком реактивном ионном травлении (DRIE). Использование термина «анизотропия» для плазменного травления не следует путать с использованием того же термина применительно к ориентационно-зависимому травлению.

Исходный газ для плазмы обычно содержит небольшие молекулы, богатые хлором или фтором . Например, четыреххлористый углерод (CCl ₄ ) травит кремний и алюминий , а трифторметан травит диоксид кремния и нитрид кремния . Плазма, содержащая кислород , используется для окисления (« золы ») фоторезиста и облегчения его удаления.

Ионное фрезерование или травление распылением использует более низкое давление, часто всего 10 ⁻⁴ Торр (10 мПа). Он бомбардирует пластину энергичными ионами благородных газов , часто аргона. ⁺ , которые выбивают атомы из подложки путем передачи импульса . Поскольку травление осуществляется ионами, приближающимися к пластине примерно с одного направления, этот процесс сильно анизотропен. С другой стороны, он имеет тенденцию проявлять плохую избирательность. Реактивно-ионное травление (РИЭ) работает в условиях, промежуточных между распылением и плазменным травлением (между 10 ⁻³ и 10 ⁻¹ Торр). Глубокое реактивно-ионное травление (DRIE) модифицирует метод RIE для создания глубоких и узких элементов.

Цифры достоинств

Если травление предназначено для образования полости в материале, глубину полости можно приблизительно контролировать, используя время травления и известную скорость травления. Однако чаще травление необходимо полностью удалить верхний слой многослойной структуры, не повреждая нижележащие или маскирующие слои. Способность системы травления делать это зависит от соотношения скоростей травления двух материалов ( селективности ).

Некоторые травления подрывают маскирующий слой и образуют полости с покатыми боковыми стенками. Расстояние подрезки называется смещением . Травители с большим смещением называются изотропными , поскольку они разрушают подложку одинаково во всех направлениях. Современные процессы предпочитают анизотропное травление, поскольку оно дает четкие, хорошо контролируемые детали.

Селективность		Синий: слой оставить Плохо селективное травление удаляет верхний слой, но также воздействует на нижележащий материал. Высокоселективное травление оставляет основной материал невредимым.
Изотропия		Красный: маскирующий слой; желтый: слой, который нужно удалить Идеально изотропное травление позволяет получить круглые боковые стенки. Идеально анизотропное травление создает вертикальные боковые стенки.

Распространенные процессы травления, используемые в микропроизводстве

Травители для обычных материалов для микротехнологий

Материал для травления	Мокрые травители	Плазменные травители
Алюминий (Al)	80% фосфорная кислота (H 3 PO 4 ) + 5% уксусная кислота + 5 % азотной кислоты (HNO 3 ) + 10 % воды (H 2 O) при 35–45 °С.	Cl 2 , CCl 4 , SiCl 4 , BCl 3
Оксид индия и олова [ITO] (In 2 O 3 :SnO 2 )	Соляная кислота (HCl) + азотная кислота (HNO 3 ) + вода (H 2 O) (1:0,1:1) при 40 °C.
Хром (Cr)	«Хромовое травление»: цериево-аммиачная селитра ((NH 4 ) 2 Ce(NO 3 ) 6 ) + азотная кислота (HNO 3 ) Соляная кислота (HCl)
Арсенид галлия (GaAs)	Лимонная кислота разведенная (C 6 H 8 O 7 : H 2 O, 1 : 1 ) + Перекись водорода (H 2 O 2 )+ Вода (H 2 O)	Cl 2 , CCl 4 , SiCl 4 , BCl 3 , CCl 2 F 2
Золото (Ау)	Царская водка раствор йода
Молибден (Мо)		КФ 4
Органические остатки и фоторезист	Травление пираньи : серная кислота (H 2 SO 4 ) + перекись водорода (H 2 O 2 )	O 2 ( озоление )
Платина (Пт)	Царская водка
Кремний (Si)	Азотная кислота (HNO 3 ) + плавиковая кислота (HF) Гидроксид калия (КОН) Этилендиамин пирокатехин (EDP) Гидроксид тетраметиламмония (ТМАГ)	КФ 4 , СФ 6 , НФ 3 Cl 2 , CCl 2 F 2
Диоксид кремния (SiO 2 )	плавиковая кислота (HF) Буферное оксидное травление [BOE]: фторид аммония (NH 4 F) и плавиковая кислота (HF)	КФ 4 , СФ 6 , НФ 3
Нитрид кремния (Si 3 N 4 )	85% фосфорная кислота (H 3 PO 4 ) при 180 °C. (Требуется SiO 2 ) маска для травления	КФ 4 , СФ 6 , НФ 3 , CHF 3 швейцарских франка
Тантал (Та)		КФ 4
Титан (Ti)	плавиковая кислота (HF)	БСl 3
Нитрид титана (TiN)	Азотная кислота (HNO 3 ) + плавиковая кислота (HF) СК1 Буферизованная ВЧ (bHF)
Вольфрам (Ж)	Азотная кислота (HNO 3 ) + плавиковая кислота (HF) Перекись водорода (H 2 O 2 )	КФ 4 СФ 6

См. также

• Химико-механическая полировка
• Распиловка слитков
• Химическое травление металлов
• Взлет (микротехнологии)

Ссылки

• Джагер, Ричард К. (2002). «Литография». Введение в производство микроэлектроники (2-е изд.). Река Аппер-Седл: Прентис-Холл. ISBN  978-0-201-44494-0 .
• Там же, «Процессы микроэлектромеханических систем (МЭМС)».