Pochopení technologie suchého leptání v polovodičovém průmyslu

Leptání se týká techniky selektivního odstraňování materiálu fyzikálními nebo chemickými prostředky k dosažení navržených strukturních vzorů.

V současné době mnoho polovodičových zařízení využívá struktury mesa zařízení, které jsou převážně vytvářeny prostřednictvím dvou typů leptání:mokré leptání a suché leptání. Zatímco jednoduché a rychlé mokré leptání hraje významnou roli při výrobě polovodičových součástek, má své vlastní nevýhody, jako je izotropní leptání a špatná stejnoměrnost, což má za následek omezenou kontrolu při přenosu vzorů malých rozměrů. Suché leptání se však díky své vysoké anizotropii, dobré jednotnosti a opakovatelnosti stalo prominentním v procesech výroby polovodičových součástek. Termín „suché leptání“ široce označuje jakoukoli technologii nemokrého leptání používanou pro odstraňování povrchových materiálů a přenos mikro a nano vzorů, včetně laserového leptání, plazmového leptání a chemického leptání par. Suché leptání diskutované v tomto textu se konkrétně týká úzké aplikace procesů využívajících plazmový výboj – ať už fyzikální nebo chemický – k úpravě povrchů materiálů. Zahrnuje několik běžných technologií průmyslového leptání, včetněLeptání iontovým paprskem (IBE), reaktivní iontové leptání (RIE), plazmové leptání elektronovou cyklotronovou rezonancí (ECR) a leptání indukčně vázaným plazmatem (ICP).

1. Leptání iontovým paprskem (IBE)

IBE, známý také jako iontové frézování, byl vyvinut v 70. letech minulého století jako čistě fyzikální metoda leptání. Proces zahrnuje iontové paprsky vytvořené z inertních plynů (jako Ar, Xe), které jsou urychlovány napětím, aby bombardovaly povrch cílového materiálu. Ionty přenášejí energii na povrchové atomy a způsobují, že ty s energií přesahující jejich vazebnou energii prskávají pryč. Tato technika využívá zrychlené napětí k řízení směru a energie iontového paprsku, což má za následek vynikající anizotropii leptání a ovladatelnost rychlosti. I když je ideální pro leptání chemicky stabilních materiálů, jako je keramika a některé kovy, potřeba silnějších masek pro hlubší leptání může ohrozit přesnost leptání a ostřelování vysokoenergetickými ionty může způsobit nevyhnutelné elektrické poškození v důsledku narušení mřížky.

2. Reaktivní iontové leptání (RIE)

RIE, vyvinutá od IBE, kombinuje chemické reakce s fyzikálním bombardováním ionty. Ve srovnání s IBE nabízí RIE vyšší rychlost leptání a vynikající anizotropii a jednotnost na velkých plochách, což z ní dělá jednu z nejrozšířenějších technik leptání v mikro a nano výrobě. Proces zahrnuje aplikaci vysokofrekvenčního (RF) napětí na elektrody paralelních desek, což způsobí, že elektrony v komoře urychlí a ionizují reakční plyny, což vede ke stabilnímu plazmovému stavu na jedné straně desek. Plazma nese kladný potenciál v důsledku přitahování elektronů ke katodě a uzemnění na anodě, čímž se vytváří elektrické pole napříč komorou. Kladně nabité plazma se zrychluje směrem k substrátu spojenému s katodou a účinně jej leptá.

Během procesu leptání komora udržuje nízkotlaké prostředí (0,1~10 Pa), což zvyšuje rychlost ionizace reakčních plynů a urychluje proces chemické reakce na povrchu substrátu. Obecně proces RIE vyžaduje, aby vedlejší produkty reakce byly těkavé, aby byly účinně odstraněny vakuovým systémem, což zajišťuje vysokou přesnost leptání. Úroveň RF výkonu přímo určuje hustotu plazmatu a předpětí zrychlení, čímž řídí rychlost leptání. Při zvyšování hustoty plazmatu však RIE také zvyšuje předpětí, což může způsobit poškození mřížky a snížit selektivitu masky, což představuje omezení pro aplikace leptání. S rychlým rozvojem rozsáhlých integrovaných obvodů a zmenšující se velikostí tranzistorů se zvýšila poptávka po přesnosti a poměrech stran v mikro a nano výrobě, což vedlo k nástupu technologií suchého leptání na bázi plazmy s vysokou hustotou, které poskytují nové příležitosti pro rozvoj elektronických informačních technologií.

3. Plazmové leptání elektronovou cyklotronovou rezonancí (ECR).

Technologie ECR, raná metoda pro dosažení vysokohustotního plazmatu, využívá mikrovlnnou energii k rezonanci s elektrony v komoře, zesílenou externě aplikovaným frekvenčně přizpůsobeným magnetickým polem k indukci elektronové cyklotronové rezonance. Tato metoda dosahuje výrazně vyšších hustot plazmatu než RIE, čímž se zvyšuje rychlost leptání a selektivita masky, čímž se usnadňuje leptání struktur s ultra vysokým poměrem stran. Složitost systému, který se opírá o koordinovanou funkci mikrovlnných zdrojů, RF zdrojů a magnetických polí, však představuje provozní problémy. Brzy následoval vznik leptání s indukčně vázanou plazmou (ICP) jako zjednodušení oproti ECR.

4. Leptání indukčně vázaným plazmatem (ICP).

Technologie ICP leptání zjednodušuje systém založený na technologii ECR pomocí dvou 13,56 MHz RF zdrojů pro řízení jak generování plazmy, tak urychlovacího předpětí. Místo vnějšího magnetického pole použitého v ECR indukuje spirálová cívka střídavé elektromagnetické pole, jak je znázorněno na schématu. RF zdroje přenášejí energii prostřednictvím elektromagnetické vazby na vnitřní elektrony, které se pohybují cyklotronovým pohybem v indukovaném poli a srážejí se s reakčními plyny a způsobují ionizaci. Toto nastavení dosahuje plazmových hustot srovnatelných s ECR. ICP leptání kombinuje výhody různých leptacích systémů, které splňují požadavky na vysokou rychlost leptání, vysokou selektivitu, velkoplošnou uniformitu a jednoduchou, ovladatelnou strukturu zařízení, a tak se rychle stává preferovanou volbou pro novou generaci technologií vysokohustotního plazmového leptání. .

5. Charakteristika suchého leptání

Technologie suchého leptání rychle zaujala hlavní pozici v mikro a nanovýrobě díky své vynikající anizotropii a vysoké rychlosti leptání, která nahradila mokré leptání. Kritéria pro hodnocení dobré technologie suchého leptání zahrnují selektivitu masky, anizotropii, rychlost leptání, celkovou jednotnost a hladkost povrchu v důsledku poškození mřížky. S mnoha hodnotícími kritérii musí být konkrétní situace zvážena na základě výrobních potřeb. Nejpřímějšími indikátory suchého leptání jsou morfologie povrchu, včetně rovinnosti leptané podlahy a bočních stěn a anizotropie leptaných teras, které lze ovládat úpravou poměru chemických reakcí k fyzikálnímu bombardování. Mikroskopická charakterizace po leptání se typicky provádí pomocí rastrovací elektronové mikroskopie a mikroskopie atomárních sil. Rozhodující je selektivita masky, což je poměr hloubky leptání masky k hloubce leptání materiálu za stejných podmínek a času leptání. Obecně platí, že čím vyšší je selektivita, tím lepší je přesnost přenosu vzoru. Běžné masky používané při ICP leptání zahrnují fotorezist, kovy a dielektrické filmy. Fotorezist má špatnou selektivitu a může degradovat při vysokých teplotách nebo energetickém bombardování; kovy nabízejí vysokou selektivitu, ale představují problémy při odstraňování masky a často vyžadují vícevrstvé maskovací techniky. Kovové masky mohou navíc během leptání přilnout k bočním stěnám a vytvořit tak únikové cesty. Proto je výběr vhodné technologie masky zvláště důležitý pro leptání a výběr materiálů masky by měl být určen na základě specifických požadavků na výkon zařízení.**