Forståelse af tørætsningsteknologi i halvlederindustrien

Ætsning refererer til teknikken til selektivt at fjerne materiale gennem fysiske eller kemiske midler for at opnå de designede strukturelle mønstre.

I øjeblikket anvender mange halvlederenheder mesa-enhedsstrukturer, som overvejende er skabt gennem to typer ætsning:vådætsning og tørætsning. Mens den enkle og hurtige vådætsning spiller en væsentlig rolle i fremstilling af halvlederanordninger, har den iboende ulemper såsom isotropisk ætsning og dårlig ensartethed, hvilket resulterer i begrænset kontrol ved overførsel af små mønstre. Tørætsning er imidlertid med sin høje anisotropi, gode ensartethed og repeterbarhed blevet fremtrædende i fremstillingsprocesser for halvlederanordninger. Udtrykket "tørætsning" refererer bredt til enhver ikke-vådætsningsteknologi, der bruges til at fjerne overfladematerialer og overføre mikro- og nanomønstre, herunder laserætsning, plasmaætsning og kemisk dampætsning. Den tørre ætsning, der diskuteres i denne tekst, vedrører specifikt den snævre anvendelse af processer, der bruger plasmaudladning - enten fysisk eller kemisk - til at modificere materialeoverflader. Det dækker flere almindelige industrielle ætsningsteknologier, herunderIon Beam Etching (IBE), Reactive Ion Etching (RIE), Electron Cyclotron Resonance (ECR) plasmaætsning og Inductively Coupled Plasma (ICP) ætsning.

1. Ion Beam Etching (IBE)

Også kendt som ionfræsning udviklede IBE i 1970'erne som en rent fysisk ætsningsmetode. Processen involverer ionstråler skabt af inerte gasser (som Ar, Xe), der accelereres af en spænding for at bombardere målmaterialets overflade. Ionerne overfører energi til overfladeatomerne, hvilket får dem med energi, der overstiger deres bindingsenergi, til at sprøjte væk. Denne teknik anvender accelereret spænding til at styre retningen og energien af ​​ionstrålen, hvilket resulterer i fremragende ætsningsanisotropi og hastighedskontrollerbarhed. Selvom den er ideel til ætsning af kemisk stabile materialer såsom keramik og visse metaller, kan behovet for tykkere masker til dybere ætsninger kompromittere ætsningspræcisionen, og højenergi-ionbombardementet kan forårsage uundgåelig elektrisk skade på grund af gitterforstyrrelser.

2. Reaktiv ionætsning (RIE)

Udviklet fra IBE, RIE kombinerer kemiske reaktioner med fysisk ionbombardement. Sammenlignet med IBE tilbyder RIE højere ætsningshastigheder og fremragende anisotropi og ensartethed på tværs af store områder, hvilket gør det til en af ​​de mest anvendte ætsningsteknikker inden for mikro- og nanofremstilling. Processen involverer påføring af radiofrekvens (RF) spænding til parallelle pladeelektroder, hvilket får elektroner i kammeret til at accelerere og ionisere reaktionsgasserne, hvilket fører til en stabil plasmatilstand på den ene side af pladerne. Plasmaet bærer et positivt potentiale på grund af, at elektroner bliver tiltrukket af katoden og jordet ved anoden, hvilket skaber et elektrisk felt på tværs af kammeret. Det positivt ladede plasma accelererer mod det katodeforbundne substrat og ætser det effektivt.

Under ætsningsprocessen opretholder kammeret et lavtryksmiljø (0,1 ~ 10 Pa), hvilket øger ioniseringshastigheden af ​​reaktionsgasserne og accelererer den kemiske reaktionsproces ved substratoverfladen. Generelt kræver RIE-processen, at reaktionsbiprodukterne er flygtige for effektivt at blive fjernet af vakuumsystemet, hvilket sikrer høj ætsningspræcision. RF-effektniveauet bestemmer direkte plasmadensiteten og accelerationsforspændingen og styrer derved ætsningshastigheden. Men samtidig med at plasmatætheden øges, øger RIE også biasspændingen, hvilket kan forårsage gitterskader og reducere maskens selektivitet, hvilket udgør begrænsninger for ætsningsapplikationer. Med den hurtige udvikling af integrerede kredsløb i stor skala og den faldende størrelse af transistorer har der været en større efterspørgsel efter præcision og størrelsesforhold i mikro- og nanofremstilling, hvilket fører til fremkomsten af ​​plasmabaserede tørætsningsteknologier med høj tæthed, hvilket giver nye muligheder for fremme af elektronisk informationsteknologi.

3. Elektroncyklotronresonans (ECR) Plasmaætsning

ECR-teknologi, en tidlig metode til at opnå plasma med høj densitet, udnytter mikrobølgeenergi til at resonere med elektroner i kammeret, forstærket af et eksternt påført, frekvenstilpasset magnetfelt for at inducere elektroncyklotronresonans. Denne metode opnår væsentligt højere plasmadensiteter end RIE, hvilket øger ætsningshastigheden og maskeselektiviteten og letter således ætsningen af ​​strukturer med ultrahøjt aspektforhold. Systemets kompleksitet, som er afhængig af koordineret funktion af mikrobølgekilder, RF-kilder og magnetiske felter, udgør imidlertid driftsmæssige udfordringer. Fremkomsten af ​​Inductively Coupled Plasma (ICP) ætsning fulgte snart som en forenkling i forhold til ECR.

4. Induktivt koblet plasma (ICP) ætsning

ICP-ætsningsteknologi forenkler systemet baseret på ECR-teknologi ved at bruge to 13,56MHz RF-kilder til at kontrollere både plasmagenerering og accelerationsforspændingen. I stedet for det eksterne magnetfelt, der bruges i ECR, inducerer en spiralspole et vekslende elektromagnetisk felt, som vist i skemaet. RF-kilderne overfører energi gennem elektromagnetisk kobling til de indre elektroner, som bevæger sig i en cyklotronbevægelse inden for det inducerede felt og kolliderer med reaktionsgasserne for at forårsage ionisering. Denne opsætning opnår plasmadensiteter, der kan sammenlignes med ECR. ICP-ætsning kombinerer fordelene ved forskellige ætsningssystemer, der opfylder behovene for høje ætsningshastigheder, høj selektivitet, ensartethed i stort område og enkel, kontrollerbar udstyrsstruktur, og bliver således hurtigt det foretrukne valg for en ny generation af plasmaætsningsteknologier med høj tæthed .

5. Karakteristika ved tørætsning

Tørætsningsteknologi har hurtigt indtaget en hovedposition inden for mikro- og nanofabrikation på grund af dens overlegne anisotropi og høje ætsningshastigheder, der erstatter vådætsning. Kriterierne for evaluering af god tørætsningsteknologi omfatter maskeselektivitet, anisotropi, ætsningshastighed, generel ensartethed og overfladeglathed fra gitterskader. Med mange evalueringskriterier skal den specifikke situation overvejes ud fra fabrikationsbehov. De mest direkte indikatorer for tørætsning er overflademorfologien, herunder fladheden af ​​det ætsede gulv og sidevægge og anisotropien af ​​de ætsede terrasser, som begge kan kontrolleres ved at justere forholdet mellem kemiske reaktioner og fysisk bombardement. Mikroskopisk karakterisering efter ætsning udføres typisk ved hjælp af scanningselektronmikroskopi og atomkraftmikroskopi. Maskeselektivitet, som er forholdet mellem maskens ætsningsdybde og materialets dybde under samme ætsningsbetingelser og tid, er afgørende. Generelt gælder det, at jo højere selektivitet, jo bedre er nøjagtigheden af ​​mønsteroverførsel. Almindelige masker, der bruges til ICP-ætsning, omfatter fotoresist, metaller og dielektriske film. Fotoresist har dårlig selektivitet og kan nedbrydes under høje temperaturer eller energisk bombardement; metaller tilbyder høj selektivitet, men udgør udfordringer i maskefjernelse og kræver ofte flerlagsmaskeringsteknikker. Derudover kan metalmasker klæbe til sidevæggene under ætsning og danne lækageveje. Derfor er det særligt vigtigt at vælge den passende masketeknologi for ætsning, og valget af maskematerialer bør bestemmes baseret på enhedernes specifikke ydeevnekrav.**