Сравнение Bosch и Криогенно Охлаженных Глубоких Процессов Etch Кремния

2 метода использованного для того чтобы достигнуть глубоких etches в изготовлении микро--electro-механически систем (MEMS) Процесс Криогенных и Bosch. Должно к системе и отростчатому развитию над летами много изменения в методах хотя основные аспекты каждого остают этими же. Важность вытравливания nanoscale значительно увеличивала и находит использование в nano литографировании отпечатка, ряд структур Etc. MEMS носителей записи глубокий от вокруг 10µm к 500µm с типичными отверстиями больше чем 1µm. Nanoscale нормально ссылается к структурам более менее чем 100nm вытравленное до нескольких микронов глубоких. Трудно использовать процесс Bosch для этого типа структуры должного к природе процесса вытравливания, вытравливания cryo одалживает к этому размеру характеристики. Мы также опишем альтернативный процесс.

В этом методе, фтор-основанная химия плазмы использована для вытравливания кремния, которое совмещено с процессом плазмы перфторуглеводорода для того чтобы предложить запассивированность стенки и увеличенную селективность к маскируя материалам. Полный процесс etch включает шаги вытравливания и низложения несколько времен достигнуть глубоких, вертикальных профилей etch. Пробивание изоляции быть в зависимости от метода газов источника в high-density зоне плазмы прежде чем она достигнет вафлю, которая обеспечивает малое только контролируемое падение напряжения тока от плазмы.

Не возможно выполнить этот метод в реактивных системах etch иона (RIE), как эти имеют неправильный баланс ионов к видам свободного радикала. Баланс достижим в high-density системах плазмы (HDP). Наиболее обыкновенно используемая форма соединения польз HDP индуктивного для того чтобы произвести high-density зону плазмы следовательно как плазма ` индуктивно соединенная' (ICP). Газ источника используемый для того чтобы обеспечить фтор для вытравливания кремния гексафторид Серы (SF₆). Эта молекула будет легко замкнула вулканизационный барабан в high-density плазме для того чтобы выпустить фтор свободного радикала. Предохранение от запассивированности и маски стенки обеспечено octofluorocyclobutane (c-CF₄₈), цикловым перфторуглеводородом который дезинтегрировал для того чтобы произвести CF₂ и более длинние цепные радикалы в high-density плазме. Эти охотно депозируют по мере того как полимер перфторуглеводорода на будучи вытравлянными образцах. Тариф, профиль, и селективность к материалу маски все etch проконтролированы путем регулировать эффективность шага etch, эффективность шага низложения или коэффициент времен обоих шагов.

Основы хорошей системы вытравливания Bosch детальны ниже. Несколько значительно характеристик оборудования используемого для обрабатывать Bosch которые отличают от нормальных систем ICP.

• Быстро нагнетающ - Достигнуть высокого etch классифицирует, высокие подачи отростчатых газов нужно быть использованным на пожеланном давлении используя насос большой емкости turbomolecular вместе с соотвествующим насосом большой емкости роторным.
• Быстрые регуляторы потока массы реакции.
• Минимум разъединение 100 mm между вафлей и зоной ICP. Следовательно коэффициент ионов к свободным радикалам уменьшен, по мере того как свободные радикалы имеют более длинние времена разложения чем ионы.
• Чисто индуктивное соединение силы в зоне ICP, которая обеспечивает более лучшее единообразие плазмы в пределах зоны ICP.
• Линии стен, крышки и насоса должны быть heated, которая обеспечивает уменьшение низложения полимера перфторуглеводорода в зонах где она может шелушиться и упасться как частицы на вафле. Низложение смесей серы в нагнетая линии и на насосе turbo также уменьшено.
• Короткий смешанный газопровод между массовыми регуляторами потока и отростчатой камерой.
• Вафля Высокой эффективности охлаждая для того чтобы исключить жару от вафли произведенной при помощи более высоких сил ICP и более высоких тарифов etch.

Показывают типичному плану системы Диаграмму 1:

Источник 300mm совместимый ICP Диаграммы 1. Технологии Плазмы Аппаратур Оксфорда

Некоторые замечания относительно Процесса Bosch для применений MEM перечислены ниже:

• Первоначально наиболее высоко тарифы etch кремния были 3-5 µm/min.
• Теперь требуется что etch больше чем 50µm/minute возможен.
• Однако, процесс Bosch использует газ прерывая переключение между равносвойственными etches и образование полимера, должное к что, вытравляя на этих тарифах обычно выходит грубые стенки.
• Высокие подачи газа потребности тарифов etch очень высокие и SF₆ и CF₄₈ и больших turbomolecular насосов водя к высоким ценам.
• Для того чтобы достигнуть большинства потребностей прибора, процесс требует точных управления и переключения газа, быстрого соответствовать RF и управления давления быстрой реакции, которые не возможны для того чтобы достигнуть на более высоких тарифах etch.

На Диаграмму 2 показано результат от навального etch кремния. Этот процесс был выполнен на вафле 150 mm с сделано по образцу сопротивляет тому вытравленному по норме 17 µm/min имея близко вертикальный профиль. Единообразие Etch через вафлю было ±3%.

Диаграмма 2. 100µm глубокий etch на 17µm/min

Диаграмма 3. etch 110 µm глубокий

Диаграмма 3 выставки навальный процесс etch вытравленный на более медленном тарифе 10µm в минуту с вертикальными стенками.

Управление коэффициентов, давления и силы переключения газа может включить высокий темп обрабатывая до 10µm/min через etches вафли с ровными стенками как показано в диаграммах 4a.c., даже на 10:1 или больших коэффициентах сжатия.

Диаграмма 4a. через etch вафли с ровными стенками

Диаграмма 4b. шершавость стенки

Диаграмма 4c. через etch вафли

Этот вид вытравливания происходит когда ряд различных шанцов размера на одной вафле, которая достигнет отличая глубины в, котор дали времени. Это ясно увидено в Диаграмме 5. Ранее, это смогло только быть оптимизировано путем вытравлять к похороненному слою окиси или слою SOI но теперь путем контролировать цикл низложения процесса, ARDE можно или уменьшить или исключить как показано в Диаграмме 6.

Диаграмма 5. изменение глубины Шанца с шириной.

Диаграмма 6. Управление ARDE

Пока вытравляющ вниз к похороненному слою окиси трудно контролировать поведение процесса раз он ударяет похороненный слой. В случае если процесс просто выйден дальше для того чтобы достигнуть синхронизированного периода над-etch, это причинит ` надрезая', как показано в Figure7. Метод используемый для того чтобы исключить это фактически пульсировать сила platen на определенную частоту. Строение обязанности вверх на интерфейсе SOI уменьшает и таким образом надрезать на интерфейсе также уменьшен как замечено в Диаграммы 8. Количество надрезать против круга обязаностей показано в диаграмме 9 для ряда размеров шанца.

Диаграмма 7. Надрезая на похороненном интерфейсе окиси

Диаграмма 8. Управление Надрезать на интерфейсе SOI используя зазубрину RF Пульсируя SOI против Пульсированного круга обязаностей LF

Диаграмма 9. Диаграмма показывая управление зазубрины SOI против Круга Обязаностей

Типичные Применения процесса Bosch выделены ниже:

• MEMS

  

• Microfluidics

  

• Медицинско

  

В этом методе также, SF₆ использовано для того чтобы обеспечить радикалы фтора для вытравливания кремния. Кремний извлекается в форме SiF₄, которое испаряюще. Основное отличие в механизме запассивированности стенки и предохранения от маски. Вместо использования полимера перфторуглеводорода, этот процесс полагается на формировать преграждая слой окиси/фторида (SiOF_xy) на стенках (вокруг 10-20nm толщиной), вместе с криогенными температурами блокируя нападение на этом слое радикалами фтора.

Это можно сделать в таком же оборудовании как процесс Bosch. Различные требования для оборудования перечислены ниже:

• Криогенно охлаженный этап. Этому нужен жидкий азот охлаждая для того чтобы достигнуть температур вниз - 110°C. Этап должен иметь гелий впрыснутый за вафлей для предусмотрения хорошего термального контакта. Не должно быть всех уплотнений на или в этапе, по мере того как любой материал уплотнения освободит свою гибкость на криогенных температурах.
• Низкий регулятор потока массы подачи (MFC) для кислорода. Форма профиля etch будет более положительной по мере того как больше кислорода добавлен. Слишком много кислорода причинит образование черного кремния по мере того как малюсенькие несовершенства в вытравлять поверхностный действуют как micromasks.
• Эффективный зажимать вафли. Это необходимо для того чтобы достигнуть точного контроля температуры поверхности вафли.
• Наименьшее количество изменения в размерах характеристики. Это нет переменной величины машины, а важно в процессах создания. Различные размеры характеристик покажут различные характеристики etch которое включает глубину etch на, котор дали процесс/время.

Основные глубокие процессы для процесса cryo не изменяли над летами тарифы etch в зависимости от коэффициента сжатия типично большие после этого 2µm/min несколько примерам ниже вытравливания шанца унесенного на >3µm/min см. диаграмму 10 и 11.

Диаграмма 10

Диаграмма 11

Главным образом самое интересное etch cryo очень ровные стенки которые не могут быть достиганы процессом Bosch так же, как могут представить положительный профиль, пример показано в Диаграмме 12.

Диаграмма 12

Недавнее выдвижение в вытравливание cryo исключение зазубрины на интерфейсе mask/Si который известный вопрос с процессом. Это было исключено при помощи и оборудования и ramping коэффициентов газа во время основных этапов процесса, результаты показан в диаграммах 13 и 14.

Диаграмма 13. Зазубрина на интерфейсе mask/Si

Диаграмма 14. исключение зазубрины

Типичное применение процесса cryo глубокого выделено ниже, ровные стенки делает его очень применимой для прессформ, оптических приборов Etc.

MEMS

Оптически Волноводы

Cryo вытравляя нормально работает на более низком косом уровне (типично 15-20 V) сравнивано к процессу Bosch (вокруг 50 V). Это приводит к в минимальном нападении на материале маски давая более высокую селективность. Etches Nanoscale также нужны ровные стенки оборотная сторона традиционного etch Bosch то с вытравливания и шаги запассивированности дискретны, стенки начнут scalloping или бит равносвойственного вытравливания. Мы сравним cryo вытравляя здесь при несколько другие методы используемые для вытравливания nanoscale. Фотонный кристаллам нужно контролируемое вытравливание кремния с ровными стенками. Figure15 показывает типичную маску с отверстиями 200nm, Диаграммой 16 выставками результат etch под условиями cryo к глубине больш чем 1.6µm на тарифе etch 0.5µm/min

Диаграмма 15. pre-etch маски

Диаграмма 16. Фотонный кристаллический etch столба

На Диаграммы 17 и 18 показано более дополнительные применения процесса cryo к вытравливанию nanoscale, в FIG. 17 мы имеем линии 50nm и космосы вытравленные над 500nm глубоко с маской все еще неповрежденной, в Диаграмме 18 мы имеем шанцы 300nm вытравили 15µm глубоко в кремний чточто коэффициент сжатия 50: 1.

Диаграмма 17. характеристики 50nm вытравила >500nm глубоко

Диаграмма 18. характеристики 300nm вытравила >15µm глубоко (AR 50: 1)

Другие отростчатые методы которые можно использовать для вытравливания nanoscale газ смешивая, который использует SF₆ смешанное в таком же шаге с CF₄₈, это иногда вызваны процессом Псевдо Bosch и основанной HBr отростчатой химией. Тарифы etch можно контролировать в некоторый объем путем изменять коэффициенты газа но он как не controllable как с процессом cryo, пример показан в Диаграмме 19.

Диаграмма 19. Смешанное SF/CF₆₄₈

HBr обрабатывает химию очень селективное к двуокиси кремния, но тарифы etch более медленны после этого cryo и химия газа как не чиста как другие методы nanoscale водя к большой камере очищают, пример etch HBR останавливая на слое 3nm SOI показаны в Диаграмме 20.

Диаграмма 20. Учтивость etch HBr AMO Аахен

И обсуженные методы Bosch и Cryo эволюционировали над летами и оперируя понятиями оборудования и процесса. Процесс Bosch предлагает более высокие тарифы etch но за счет шершавость стенки. Для того чтобы ограничивать эту шершавость тарифы обычно в границах 10-20µm, которое все еще более высоко после этого процесс cryo. Достигнуть ультра высоких тарифов etch востребованных для подач середин процесса Bosch очень высоких газа и требует очень больших turbomolecular насосов, которые приводят к в более высокие цены. Процесс Bosch также не предлагает очень хорошие положительные профили, которые чонсервная банка cryo. Процесс cryo также находил растущий рынок в вытравливании Nanostructures по мере того как процесс Bosch выходит scallops в стены, который в большинств случай нежелателен для применения. И процессы Bosch и Cryo найдут применения в выдвигаясь поле интегрированных датчиков и приводов, но cryo имеет определенные преимущества в арене nanoscale. Под конец, пользователь должен решить который процесс будет наиболее подходить для их применения.