УДК 66.088

ОБЗОР ВЫСОКО-АСПЕКТНЫХ ПРОЦЕССОВ ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ

Запевалин Александр Иванович
Пензенский государственный университет
аспирант кафедры «Приборостроение»

Аннотация
Данная статья посвящена обзору высоко-аспектных процессов травления кремния для производства микро электромеханических систем (МЭМС). Рассмотрены пригодные для этих процессов конфигурации плазменных систем. В статье рассматривается криопроцесс и Bosch-процесса травления кремния.

Ключевые слова: криогенный процесс, Реактивно-ионное травление, РИТ


AN OVERVIEW OF HIGH-ASPECT PROCESS SILICON ETCHING

Zapevalin Alexander Ivanovich
Penza State University
Postgraduate of "Instrument making" department

Abstract
This article provides an overview of high-Aspect silicon etching processes for the production of micro electromechanical systems (MEMS). Reviewed suitable for these processes, plasma systems configuration. The article describes cryogenic process and Bosch-process silicon etching.

Keywords: Bosch-process, Bosch-процесс, cryogenic process, DRIE, RIE


Библиографическая ссылка на статью:
Запевалин А.И. Обзор высоко-аспектных процессов травления кремния // Современная техника и технологии. 2014. № 6 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2014/06/3970 (дата обращения: 01.10.2017).

Процессы плазменного травления на основе фтора это способ травления кремния с высокой скоростью, с возможностью глубинного травления и  хорошей селективностью к маске, в частности, возможностью защиты с помощью фоторезиста с хорошей селективностью между кремнием и фоторезистом. В основном это связано с высокой химической активностью и спонтанной природой травления радикалами фтора по отношению к кремнию, и высокой летучестью фторидов кремния, как продуктов реакции. Как следствие, травление по своей природе изотропно. Радикалам фтора не нужна ионная активация, чтобы запустить или ускорить их реакцию с кремнием, или для удаления продуктов реакции с поверхности кремния; анизотропия может быть достигнута только за счет добавления пассивации боковой стенки в схему  процесса. Существующие подходы к глубинному реактивно-ионному травлению (DRIE) кремния отличаются способом достижения пассивации боковой стенки – ключ к анизотропии и общей производительности процесса травления.

Криогенное травление и так называемый “Bosch процесс” с переменными циклами травления и пассивации являются двумя наиболее известными высоко-аспектными процессами травления кремния и обсуждаются в этой статье. Источники плазмы высокой плотности, с так называемой несвязанной плазмой, желательны или даже необходимы для всех подходов DRIE кремния, будь то криогенный или Bosch процесс. DRIE кремния основан на химической активности в плазме. Этот процесс требует  достаточно высокую концентрацию пассивирующих радикалов, и также достаточно высокую концентрацию радикалов фтора для получения высоких скоростей травления. При высокой плотности химически активных частиц (ХАЧ), наиболее подходящее давление в реакторе во время процесса, как правило, от 1 до 10 Па. Энергия потока ионов, бомбардирующих поверхность пластины должна управляться независимо от возбуждения плазмы, с помощью напряжения смещения.

Для хорошего контроля ускорения ионов не зависимо от возбуждения плазмы, потенциал плазмы должен быть низким, насколько это возможно вблизи нулевого потенциала. Последнее связано с развязкой зоны возбуждения плазмы с областью подложки. Традиционные источники плазмы для RIE терпят неудачу в одном или нескольких  этих требованиях. Триодные и диодные реакторы показывают недостаточную плотность плазмы, ниже 1016 м-3. Источники на основе электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) не подходят из-за очень низкого рабочего давления (<0,1 Па) при котором существует режим циклотронного резонанса. ECR представляет собой типичный источник ионов и ему не хватает достаточной химической активности. Микроволновые источники сурфатроны, геликонные источники и источники индуктивно-связанной плазмы (ICP) работают в диапазоне давлений до 10 Па и еще выше. Среди этих альтернатив, ICP стала наиболее подходящей и широко распространенной технологией источника плазмы для DRIE и стала отраслевым стандартом.

Криопроцесс сухого травления.

Защита боковых стенок необходима для  получения анизотропного травления кремния. Один из подходов заключается в использовании радикалов фтора, полученных из гексафторида серы (SF6 газа) в плазменном разряде, в качестве основных ХАЧ, которые быстро и изотропно травят кремний, где он не защищен и доступен. Радикалы кислорода образуются в плазме от газообразного кислорода (O2) и служат для поверхностного окисления кремния. Окисление насыщает оборванные связи на поверхности кремния и приводит к росту пассивирующих пленок оксида кремния, которые ингибирует фтор, защищая кремний от травления. После нахождения необходимого соотношения потока SF6 к O2, может быть добавлен газ  очистки от оксида, такой как, трифторметанол CHF3, чтобы улучшить результаты и в некоторой степени расширить окно процесса (так называемый “Black Silicon Method”, см. [1]). При комнатной температуре, необходимый процент кислорода для достижения анизотропного профиля больше чем 50%, значительно снижая как скорость травления, так и селективность к маске.

Криогенное сухое травление является вариацией техники боковой пассивации на основе окисления поверхности. Понижение температуры пластины до криогенной, обычно, около 173К (-100C) с помощью охлаждения электрода подложки жидким азотом (LN2), снижает необходимое количество кислорода для анизотропного травления до нескольких процентов от общего потока газа, таким образом, это резко приводит к росту скорости травления и к селективности маски. Кроме того, окно процесса для достижения анизотропного травления сильно расширяется. В результате это приводит к повышению химической стабильности ингибирующей оксидной пленки в плазме фтора, главным образом из-за реакции десорбции продуктов кремния типа-оксифторидов из не бомбардированной поверхности замороженной низкой температурой. Ионное травление дна распыляет пассивирующую пленку  от большинства химических соединений. Прекрасное вертикальное травление  кремния может быть достигнуто при  сильно избыточном травлении радикалами фтора, по сравнению с пассивирующими кислородными радикалами, дающие высокие скорости травления и относительно широкое окно процесса, в сравнении с ситуацией при комнатной температуре. Впечатляющие результаты достигаются при криогенном сухом травлении в индуктивно связанной плазме. В реакторах Alcatel, скорость травлениям кремния 4-6 мкм/мин и селективность SiO2 маски около 100:1[2, 3].

Из-за растрескивания и расслаивания использование фоторезистов затрудняется, причина этого в низких температурах подложки, однако, если будет сделана специальная обработка фоторезиста, для уменьшения механического напряжения до процесса травления, то использование фоторезиста возможно. Основный недостаток криогенного метода травления связан с необходимостью использования низкой температуры подложки, и критическая зависимость свойств процесса от температуры подложки, учитывая высокое воздействие тепла от плазмы к подложке и экзотермические реакции травления между кремнием и радикалами фтора. Кроме того, подложка, как самая холодная часть в реакторе, действует как крионасос, вымораживая соединения из плазмы, которые действуют как трудноудаляемая микромаскировка на поверхности пластины. Микромаскировка отвечает за формирование микроиголок и «травы» на кремнии, которые часто наблюдаются при глубоком криогенном травлении, как тревожный и часто неприемлемый фактор. Тем не менее, криогенное сухое травление является очень важной техникой микрообработки кремния, например, в микрооптических применениях, где гладкие боковины в нанометровом масштабе имеют ключевое значение.

Bosch процесс 

Описанная ранее технология травления использует относительно трудно удаляемые соединения, такие как слои пассивации, в виде оксида кремния или оксифторидов в результате окисления поверхности кремния. Для их полного удаления со дна травления требуется воздействие ускоренными ионами, в комбинации с добавлением акцепторов. Чрезмерное ионное распыление и использование акцепторов снижают избирательность по отношению к маскирующим материалам. Это особенно верно в случае защиты фоторезистом. Существует компромисс между чистым дном  канавки и высокой селективностью к маске.

Технология, которая позволяет избегать образования таких трудно удаляемых соединений это – осаждение гладкого политетрафторэтилена (ПТФЭ) или тефлона® – как пленки на поверхности кремния в процессе травления. В ранее опубликованной работе описывается важность баланса между частицами травления и полимеризации, и последствия изменения этого баланса для травления Si и SiO2 [4].

Плазменная полимеризация может быть достигнута путем генерации радикалов (CF2)n  в плазме, от газов-прикурсоров, таких как гексафторпропилен (C3F6) или октафторциклобутан (RC318R, C4F8), причем последний не токсичен и стабильный продукт распада тетрафторэтилена (ТФЭ, C2F4). Осажденная пассивирующая пленка состоит из сети длинных линейных (CF2)n цепей с небольшим сшиванием, пленка легко удалима со дна травления бомбардировкой низко энергичными ионами. Газовая смесь гексафторида серы для доставки радикалов фтора и октафторциклобутана для доставки радикалов формирующих полимерную пленку может быть использована в плазме для достижения пассивации боковой стенки и травления на дне канавки, в результате получая анизотропные профили в кремнии. Кроме того, наличие в процессе фторуглерода в той или иной степени удаляет нежелательный примесный кислород из газа или выделившейся из кремния, и тем самым препятствует образованию трудно удаляемой пассивации (оксиды кремния) на поверхности (дне). Тем не менее, одновременное присутствие радикалов фтора как частиц травления и пассивирующих частиц в плазме, приводит к рекомбинации и к взаимному исчезновению обоих типов частиц. Это делает “смешанный процесс” трудно управляемым для более глубокого травления и снижает производительность процесса, в основном по отношению к скорости травления. Хотя эти недостатки несколько смягчаются высокой плотностью ICP плазмы, по-прежнему потенциал «смешанного процесса» остается ограниченным для мелких канавок с глубиной порядка 10 мкм. Проблема рекомбинации была преодолена в запатентованной технологии: Bosch – процесс[5], который представляет собой разновидность технологии пассивации боковой стенки на основе тефлона®. Bosch – процесс имеет следующий механизм: газы пассивации и травления подаются отдельно и попеременно в технологическую камеру и подложка травится в плазме высокой плотности, в ходе  циклов пассивации и травления. В каждом цикле пассивации, тонкая тефлоновая® пленка осаждается на боковых стенках структур травления из частиц C4F8.

Также может произойти некоторая очистка от оксидов на дне травления кремния во время или после стадии осаждения тефлона®. В течение последующего цикла травления, часть этой пленки удаляется с боковой стенки, защищенной от удара вертикальными ионами. В то же время дно траншеи свободно от фторуглеродного полимера и травится радикалами фтора, полученными из плазмы SF6. Обычно переключение между шагами происходит в пределах от нескольких секунд до 1 мин, в зависимости от требуемой шероховатости боковой стенки. Поскольку пассивирующая полимерная пленка может быть удалена с помощью небольшого ударного ионого воздействия, селективность к маске достигает очень высокого значения, например, 150:1 для фоторезиста и >>300:1 для  маски SiO2. Если использованы трудно удаляемые пассивирующие полимеры, необходимо более агрессивное воздействие ионами и как следствие, селективность по отношению к маскирующим материалам будет ниже.

Рисунок 1 показывает типичные структуры, формы профиля и характерные боковые «скалопы», вытекающие из особенностей Bosch процесса.

Рисунок 1. Типичные структуры, получаемые с помощью Bosch-процесса.

Циклический характер процесса преодолевает ряд проблем, связанных с анизотропным травлением.

Во-первых, разделение активных частиц во временной области, исключает их потерю при рекомбинации в газофазных реакциях. Это наиболее важно для объема у источника плазмы, где частицы генерируются при высоких концентрациях и где высокая степень рекомбинации. Вне этой области высокой плотности, при меньших концентрациях, легче достичь сосуществования частиц, и допустимо некоторое смешивание их между источником и подложкой. Для источника плазмы высокой плотности малого объема, возможно время переключения меньше 1 с, например, вплоть до 100 мс.

Частицы пассивации и травления разграничены в ограниченном объеме возбуждения плазмы высокой плотности, но могут перекрывать друг друга на своем пути от источника до подложки. Это так называемое “состояние сверхбыстрого переключения газа” дает очень гладкие стенки с малыми боковыми гребешками («скалопами).

Во-вторых, процесс вертикального травления, имеющий высокую селективность к маске, имеет риск микромаскровки дна канавки. Даже незначительные загрязнения на поверхности травления могут привести к образованию остатков, микрошероховатости, и даже микроигл.

В случае боковой стенки со скалопами порядка 10 нм  это является преимуществом.


Библиографический список
  1. H. Jansen, M.d. Boer, R. Legtenberg, M. Elwenspoek: The black silicon method: A universal method for determining the parameter setting of a fluorine-based reactive ion etcher in deep silicon trench etching with profile control, J. Micromech. Microeng. 5, 115–120 (1995)
  2. J.W. Bartha, J. Greschner, M. Puech, P.Maquin: Low temperature etching of Si in high density plasma using SF6/O2, Microelectron. Eng. 27, 453–456 (1995)
  3. M. Puech, P. Maquin: Low temperature etching of Si and PR in high density plasmas, Appl.Surf. Sci. 100–101, 579–582 (1996)
  4. C.J. Mogab, A.C. Adams, D.L. Flamm: Plasma etching of Si and SiO2 – The effect of oxygen additions to CF4 plasmas, J. Appl. Phys. 49, 3796–3803 (1978)
  5. F. Laermer, A. Schilp: Method of Anisotropically Etching Silicon Patent 5501893, Office, U.S.P., USA (1996)


Все статьи автора «Александр Запевалин»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: