Адаптация технологического рецепта поэтапно или непрерывно [1, 2] помогает уменьшить количество пассивации в процессе и сохраняет прямой профиль. Например, время цикла пассивации или поток пассивирующего газа может линейно снижаться. Как альтернатива, время цикла травления или поток травильного газа может линейно увеличиваться.

Хотя есть другие варианты, включая мощность источника, мощность смещения или линейное изменение давления. Для простоты и предсказуемости изменения баланса «травление-осаждение», изменение времени цикла является наиболее очевидным подходом линейного изменения. С использованием линейного изменения параметров, канавки с аспектным соотношением >50:1 могут быть изготовлены, сохраняя боковые стенки прямыми и вертикальными.

Скорость травления и эволюция профиля сильно зависят от отношения глубины к ширине канавки, так называемое аспектное соотношение. В целом травление  более узких траншей происходит с меньшей скоростью, чем в более широкие канавках; то есть, канавки с большим аспектным соотношением отстают от канавок с меньшим  аспектным соотношением.

Это происходит частично из-за того, что количество ионов, достигающих дна траншее постепенно уменьшается, по причине апертурных эффектов, в сочетании с угловым распределением ионов. Другой важный аспект – транспортные ограничения газообразных частиц – радикалов – в высоко-аспектных канавках.

Величина эффекта задержки, главным образом, зависит от средней длины свободного пробега газообразных частиц, то есть давления газа.

Задержка РИТ является распространенным и хорошо понятным явлением переноса в плазменном травлении [3]. Влияние эффекта задержки зависит, главным образом, от средней длины свободного пробега газовых частиц, которая определяет их транспорт при травлении канавок. Зависимость скорости травления от аспектного соотношения изучена на основании простой вакуумной модели проводимости [4]. Кроме того, в канавках важно взаимодействие и изменение баланса между травлением и пассивацией частиц при их транспортировке. Эта транспортировка снова зависит от  длины свободного пробега частиц и от давления при процессе. Изменение  баланса частиц травления и пассивации с увеличением аспектного соотношения, также влияет на анизотропию и профиль. Рисунок‑1 показывает характерный пример запаздывания RIE в высоко-аспектном Bosch-процессе травления.

 Рисунок 1. Иллюстрация эффекта запаздывания

В циклическом процессе с отдельными циклами травления и пассивации, которые могут управляться независимо друг от друга, есть индивидуальные эффекты задержки, как для травления, так и для пассивации. Для стадии травления, чем выше соотношение сторон канавки, тем меньше радикалов фтора за единицу времени могут достичь дна канавки и травить кремний. Эффект задержки на шаге травления зависит, главным образом, от давления. Для стадии осаждения, чем выше соотношение сторон канавки, тем меньше полимеров в единицу времени могут достичь дна траншеи. Таким образом, скорость травления зависит, главным образом, от давления, так как чем тоньше пленка на дне канавки, тем больше скорость при последующей стадии травления. Это включает в себя некоторую компенсацию снижения скорости от увеличения аспектного соотношения при снижении подачи радикалов фтора. Отставание при шагах осаждения и травления  можно взаимно компенсировать для устранения задержки в общем процессе в широком диапазоне аспектных соотношений. Это достижимо путем индивидуального управления параметрами на шаге травления и осаждения, в основном, изменением значения давления.

Установка высокого давления для отдельного шага, увеличивает его инерционность; установка давление ниже – уменьшает эту инерционность. Увеличение давления на шаге осаждения относительно шага травления, и даже до значений выше, чем при шаге травления, снижает общую RIE задержку всего процесса и даже его инвертирует на определенном этапе. В высоко-аспектных структурах (например, узкие щели), травление быстрее, чем меньше соотношение сторон канавки (т.е. более широкие щели). Однако, компенсация RIE-отставания идет за счет снижения скорости травления в более широких канавках. С другой стороны, при давлении на стадии осаждения ниже, чем на шаге травления, вызывает значительное RIE-отставание. Однако обычно регулируют процесс в пользу более высоких общих скоростей травления в более широких канавках. Это “нормальный” режим процесса, который используется в большинстве случаев и интересен более высокими скоростями.

Стабильность полимера на дне канавки важный весомый фактор при регулировании задержки травления и осаждения, поэтому величина достижимой компенсации зависит также от температуры подложки. Понижение температуры подложки делает полимер на  дне более устойчивым и увеличивает значение стадии осаждения в общей балансировки задержки. По этой причине температура подложки 0^◦C или даже ниже, вместо нормальной 40^◦C, выгодно для достижения травления без задержки в широком диапазоне коэффициентов формы [5].

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 (-100^◦C) 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.