Анизотропные травления полупроводников

Сухое травление, основной метод удаления материала, использует потенциал плазмы — высокореактивного и энергетического газа — для избирательного удаления материала с подложки. Генерация плазмы инициируется воздействием электрического поля на газ низкого давления, что приводит к ионизации молекул газа и созданию смеси ионов, электронов и нейтральных частиц. Затем эти реактивные частицы взаимодействуют с поверхностью подложки, организуя удаление материала за счет синергии химических реакций и физического распыления.
Основные принципы сухого травления основаны на тщательном контроле процесса образования плазмы, ускорения ионов и химических реакций для достижения желаемых результатов травления. Обычно для получения плазмы используются радиочастотные (RF) или микроволновые источники питания, которые обеспечивают необходимую энергию для ионизации молекул газа. С другой стороны, ускорение ионов регулируется путем приложения напряжения смещения к подложке, притягивающего положительно заряженные ионы к поверхности. Сложный химический состав между химически активными веществами и материалом подложки зависит от выбора газа для травления, давления газа и температуры процесса.
Сухое травление может использоваться для травления широкого спектра материалов, включая металлы, полупроводники, диэлектрики и полимеры. Выбор газа для травления и технологических параметров может быть адаптирован для достижения высокой селективности, что означает, что в процессе травления предпочтительно удаляется один материал, а не другой. Это особенно важно при производстве полупроводников, где на одной подложке часто наносят несколько слоев различных материалов.
В более широком контексте сухое травление охватывает спектр различных технологий, включая, но не ограничиваясь ими.

1.2. Реактивное ионное травление (RIE)
Реактивное ионное травление (RIE) - это широко используемый метод сухого травления, который сочетает в себе как химические, так и физические процессы для удаления материала с подложки. В RIE плазма генерируется путем подачи радиочастотного (RF) излучения на газовую смесь низкого давления, обычно содержащую химически активный газ, такой как CF4, SF6 или Cl2, и инертный газ, такой как аргон. Молекулы химически активного газа ионизируются и диссоциируют в плазме, образуя высокореактивные частицы, которые могут вступать в реакцию с материалом подложки. В то же время электрическое поле ускоряет ионы по направлению к подложке, вызывая физическое распыление материала.
К преимуществам RIEE относится его способность достигать высоких скоростей травления, хорошей селективности и анизотропных профилей травления. Анизотропное травление подразумевает преимущественное удаление материала в одном направлении, в результате чего получаются вертикальные боковые стенки и четко очерченные элементы. Это особенно важно при производстве полупроводников, где точный контроль размеров элементов имеет решающее значение для производительности устройства.
Однако RIE также имеет некоторые недостатки, такие как возможность повреждения подложки из-за бомбардировки ионами высокой энергии. Это может привести к дефектам, таким как повреждение кристаллической решетки или образование аморфного слоя, что может негативно сказаться на производительности устройства. Кроме того, RIE может пострадать от неравномерного травления по всей подложке, особенно когда скорость травления чувствительна к изменениям параметров процесса или распределения плазмы.
RIE широко используется в производстве полупроводников для различных применений, включая травление кремния, диоксида кремния, нитрида кремния и металлических слоев. Он также используется при изготовлении микроэлектромеханических систем (MEMS), где для обеспечения функциональности устройства необходим точный контроль размеров элементов и соотношений сторон.

1.3. Глубокое реактивное ионное травление (DRIE)
Глубокое реактивное ионное травление (DRIE) - это специализированный метод сухого травления, предназначенный для создания структур с высоким соотношением сторон, таких как глубокие канавки и сквозные отверстия в кремнии, на кремниевых подложках. Технология DRIE основана на принципах реактивного ионного травления (RIE), но использует уникальный процесс, известный как процесс Bosch, в котором чередуются две различные стадии травления и пассивации для получения глубоких анизотропных профилей травления.
На этапе травления для химического травления кремниевой подложки используется плазма, содержащая химически активные вещества, такие как SF6. Ионы в плазме ускоряются по направлению к подложке, удаляя материал за счет сочетания химических реакций и физического распыления. После этапа травления выполняется этап пассивации с использованием другого газа, обычно C4F8, который образует защитный полимерный слой на боковых стенках протравленных элементов. Этот пассивирующий слой защищает боковые стенки от дальнейшего травления во время последующих циклов, в результате чего получаются сильно анизотропные профили травления с почти вертикальными боковыми стенками.
Преимущества DRIE заключаются в его способности создавать структуры с высоким соотношением сторон глубиной до нескольких сотен микрометров при сохранении превосходной гладкости и однородности боковых стенок. Это делает DRIE особенно подходящим для применения в производстве микроэлектромеханических систем (MEMS), где часто требуются глубокие желоба, сквозные кремниевые переходы и другие структуры с высоким соотношением сторон.
Однако у DRIE также есть некоторые проблемы, такие как образование выступов или шероховатостей на боковых стенках из-за циклического характера технологического процесса Bosch. Кроме того, технология DRIE может быть более сложной и трудоемкой по сравнению с обычной RIE, поскольку требует точного контроля этапов травления и пассивации для достижения желаемых профилей травления.
Несмотря на эти трудности, технология DRIE стала незаменимым инструментом при изготовлении MEMS-систем и в других областях применения, где требуются структуры с высоким соотношением сторон на кремниевых подложках. Ее способность создавать глубокие, четко очерченные элементы с минимальным повреждением подложки делает ее ценным методом в области производства полупроводников.