Pochopenie technológie suchého leptania v polovodičovom priemysle

Leptanie sa týka techniky selektívneho odstraňovania materiálu fyzikálnymi alebo chemickými prostriedkami na dosiahnutie navrhnutých štruktúrnych vzorov.

V súčasnosti mnoho polovodičových zariadení využíva štruktúry mesa zariadení, ktoré sú prevažne vytvorené prostredníctvom dvoch typov leptania:mokré leptanie a suché leptanie. Zatiaľ čo jednoduché a rýchle mokré leptanie hrá významnú úlohu pri výrobe polovodičových zariadení, má svoje vlastné nevýhody, ako je izotropné leptanie a slabá rovnomernosť, čo vedie k obmedzenej kontrole pri prenose vzorov malých rozmerov. Suché leptanie sa však so svojou vysokou anizotropiou, dobrou rovnomernosťou a opakovateľnosťou stalo prominentným v procesoch výroby polovodičových zariadení. Pojem „suché leptanie“ sa vo všeobecnosti vzťahuje na akúkoľvek technológiu nemokrého leptania používanú na odstraňovanie povrchových materiálov a prenos mikro a nano vzorov, vrátane laserového leptania, plazmového leptania a chemického leptania parou. Suché leptanie diskutované v tomto texte sa špecificky týka úzkej aplikácie procesov využívajúcich plazmový výboj - buď fyzikálny alebo chemický - na úpravu povrchov materiálov. Zahŕňa niekoľko bežných technológií priemyselného leptania, vrátaneLeptanie iónovým lúčom (IBE), reaktívne iónové leptanie (RIE), plazmové leptanie s elektrónovou cyklotrónovou rezonanciou (ECR) a leptanie s indukčne viazanou plazmou (ICP).

1. Leptanie iónovým lúčom (IBE)

IBE, tiež známy ako iónové frézovanie, bol vyvinutý v 70. rokoch minulého storočia ako čisto fyzikálna metóda leptania. Proces zahŕňa iónové lúče vytvorené z inertných plynov (ako Ar, Xe), ktoré sú urýchľované napätím, aby bombardovali povrch cieľového materiálu. Ióny prenášajú energiu na povrchové atómy, čo spôsobuje, že tie, ktorých energia presahuje ich väzbovú energiu, rozprášia. Táto technika využíva zrýchlené napätie na riadenie smeru a energie iónového lúča, čo vedie k vynikajúcej anizotropii leptania a regulovateľnosti rýchlosti. Aj keď je ideálny na leptanie chemicky stabilných materiálov, ako je keramika a určité kovy, potreba hrubších masiek pre hlbšie leptanie môže ohroziť presnosť leptania a vysokoenergetické iónové bombardovanie môže spôsobiť neodvratné elektrické poškodenie v dôsledku narušenia mriežky.

2. Reaktívne iónové leptanie (RIE)

RIE, vyvinutý od IBE, kombinuje chemické reakcie s fyzikálnym bombardovaním iónmi. V porovnaní s IBE ponúka RIE vyššiu rýchlosť leptania a vynikajúcu anizotropiu a rovnomernosť na veľkých plochách, čo z nej robí jednu z najrozšírenejších techník leptania v mikro a nano výrobe. Proces zahŕňa aplikáciu vysokofrekvenčného (RF) napätia na elektródy paralelných dosiek, čo spôsobí, že elektróny v komore urýchlia a ionizujú reakčné plyny, čo vedie k stabilnému stavu plazmy na jednej strane dosiek. Plazma nesie kladný potenciál v dôsledku priťahovania elektrónov ku katóde a uzemnenia na anóde, čím sa v komore vytvára elektrické pole. Kladne nabitá plazma sa zrýchľuje smerom k substrátu spojenému s katódou a účinne ju leptá.

Počas procesu leptania komora udržiava nízkotlakové prostredie (0,1~10 Pa), čo zvyšuje rýchlosť ionizácie reakčných plynov a urýchľuje proces chemickej reakcie na povrchu substrátu. Vo všeobecnosti proces RIE vyžaduje, aby vedľajšie produkty reakcie boli prchavé, aby sa účinne odstránili vákuovým systémom, čím sa zabezpečí vysoká presnosť leptania. Úroveň RF výkonu priamo určuje hustotu plazmy a predpätie zrýchlenia, čím riadi rýchlosť leptania. Pri zvyšovaní hustoty plazmy však RIE tiež zvyšuje predpätie, čo môže spôsobiť poškodenie mriežky a znížiť selektivitu masky, čo predstavuje obmedzenia pre aplikácie leptania. S rýchlym vývojom rozsiahlych integrovaných obvodov a zmenšujúcou sa veľkosťou tranzistorov sa zvýšil dopyt po presnosti a pomeroch strán v mikro a nano výrobe, čo viedlo k nástupu technológií suchého leptania na báze plazmy s vysokou hustotou, ktoré poskytujú nové príležitosti pre rozvoj elektronických informačných technológií.

3. Plazmové leptanie elektrónovou cyklotrónovou rezonanciou (ECR).

Technológia ECR, skorá metóda na dosiahnutie plazmy s vysokou hustotou, využíva mikrovlnnú energiu na rezonanciu s elektrónmi v komore, posilnenú externe aplikovaným frekvenčne prispôsobeným magnetickým poľom na vyvolanie elektrónovej cyklotrónovej rezonancie. Táto metóda dosahuje výrazne vyššie hustoty plazmy ako RIE, čím sa zvyšuje rýchlosť leptania a selektivita masky, čím sa uľahčuje leptanie štruktúr s ultra vysokým pomerom strán. Zložitosť systému, ktorý sa spolieha na koordinovanú funkciu mikrovlnných zdrojov, RF zdrojov a magnetických polí, však predstavuje prevádzkové výzvy. Čoskoro nasledoval vznik leptania indukčne viazanou plazmou (ICP) ako zjednodušenie oproti ECR.

4. Leptanie indukčne viazanou plazmou (ICP).

Technológia leptania ICP zjednodušuje systém založený na technológii ECR pomocou dvoch 13,56 MHz RF zdrojov na riadenie generovania plazmy a predpätia zrýchlenia. Namiesto vonkajšieho magnetického poľa používaného v ECR indukuje špirálová cievka striedavé elektromagnetické pole, ako je znázornené na schéme. Zdroje RF prenášajú energiu prostredníctvom elektromagnetickej väzby na vnútorné elektróny, ktoré sa pohybujú cyklotrónovým pohybom v rámci indukovaného poľa, pričom sa zrážajú s reakčnými plynmi a spôsobujú ionizáciu. Toto nastavenie dosahuje hustoty plazmy porovnateľné s ECR. ICP leptanie kombinuje výhody rôznych leptacích systémov, spĺňa požiadavky na vysokú rýchlosť leptania, vysokú selektivitu, veľkoplošnú rovnomernosť a jednoduchú, kontrolovateľnú štruktúru zariadenia, čím sa rýchlo stáva preferovanou voľbou pre novú generáciu technológií vysokohustotného plazmového leptania. .

5. Charakteristika suchého leptania

Technológia suchého leptania rýchlo zaujala hlavné postavenie v mikro a nanofabrikácii vďaka svojej vynikajúcej anizotropii a vysokej rýchlosti leptania, ktoré nahrádzajú mokré leptanie. Kritériá hodnotenia dobrej technológie suchého leptania zahŕňajú selektivitu masky, anizotropiu, rýchlosť leptania, celkovú rovnomernosť a hladkosť povrchu v dôsledku poškodenia mriežky. Pri mnohých hodnotiacich kritériách sa musí konkrétna situácia posudzovať na základe potrieb výroby. Najpriamejšími indikátormi suchého leptania sú morfológia povrchu vrátane rovinnosti leptanej podlahy a bočných stien a anizotropia leptaných terás, ktoré je možné kontrolovať úpravou pomeru chemických reakcií k fyzickému bombardovaniu. Mikroskopická charakterizácia po leptaní sa zvyčajne vykonáva pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie a mikroskopie atómovej sily. Rozhodujúca je selektivita masky, čo je pomer hĺbky leptania masky k hĺbke leptania materiálu pri rovnakých podmienkach leptania a čase. Vo všeobecnosti platí, že čím vyššia je selektivita, tým lepšia je presnosť prenosu vzoru. Bežné masky používané pri ICP leptaní zahŕňajú fotorezist, kovy a dielektrické filmy. Fotorezist má slabú selektivitu a môže degradovať pri vysokých teplotách alebo energetickom bombardovaní; kovy ponúkajú vysokú selektivitu, ale predstavujú problémy pri odstraňovaní masky a často vyžadujú viacvrstvové maskovacie techniky. Okrem toho môžu kovové masky priľnúť k bočným stenám počas leptania a vytvárať tak únikové cesty. Preto je výber vhodnej technológie masky obzvlášť dôležitý pre leptanie a výber materiálov masky by mal byť určený na základe špecifických požiadaviek na výkon zariadení.**