OBRÓBKA PLAZMOWA W MIKROELEKTRONICE I MIKROMECHANICE

Transkrypt

1 OBRÓBKA PLAZMOWA W MIKROELEKTRONICE I MIKROMECHANICE Metody suchego i mokrego trawienia umożliwiają selektywne trawienie metali, przewodników, dielektryków a także światłoczułych materiałów organicznych (rezystów). Procesy trawienia można podzielić na: mokre - realizowane w wodnych roztworach kwasów i ługów oraz suche - realizowane w plazmie aktywnych chemicznie i szlachetnych gazów lub przy zastosowaniu wiązki jonowej. Procesy trawienia charakteryzują się następującymi cechami: selektywność trawienia jest określana jako iloraz szybkości trawienia różnych materiałów w tym samym procesie np. V Si : V Al = 100 : 1. Trawienie o małej selektywności jest potrzebne w przypadku planaryzacji podłoży z przyrządami mikroelektronicznymi. Trawienie o dużej selektywności jest niezbędne w procesach fotolitografii i wytwarzania mikromechanicznych struktur przestrzennych. Zatem, materiał trawiony i maskujący trawienie muszą się cechować wysoką selektywnością. W przypadku trawienia mokrego w wodnych roztworach kwasów i ługów uzyskuje się duże selektywności. Np. selektywność trawienia krzemu i dwutlenku krzemu dla 10M roztworu KOH, przy 80 C, wynosi 250:1, zaś dla roztworu NHA (HNO 3 :HF:CH 3 COOH=25:3:10) przy 20 C, selektywność wynosi 25:1. Dla procesów suchego trawienia selektywności są z reguły mniejsze, ponieważ do chemicznego mechanizmu trawienia dodaje się mechanizm fizyczny. Materiał maskujący dobiera się więc analizując zarówno procesy chemiczne jak i parametry suchego trawienia takie jak: ciśnienie gazu roboczego, moc zasilania, temperatura podłoży. Dla procesu trawienia plazmowego w SF 6 (12sccm, 100W, 4x10 2 mbar) selektywność trawienia krzemu i fotorezystu AZ 1350 wynosi 5:1. kierunkowość trawienia - jest określana poprzez tzw. współczynnik anizotropowości, który wyrażony jest wzorem: A = 1 V S /V P gdzie: V S jest szybkością trawienia w kierunku stycznym do trawionej powierzchni, a V P jest szybkością trawienia w kierunku prostopadłym. W przypadku trawienia anizotropowego V S =0 i A=1, natomiast dla trawienia izotropowego V P > V S > 0 i A < 1. Trawienie mokre w wodnych roztworach kwasów cechuje się dużą izotropią. Wyjątkiem jest proces trawienia monokrystalicznych materiałów np. krzemu w wodnych roztworach ługów. Poszczególne płaszczyzny krystalograficzne mają różne szybkości trawienia (V <100> :V <111> = 100:1) i dlatego można uzyskać dużą anizotropię. Suche trawienie plazmowe charakteryzuje się izotropowością, chyba że na ścianach formowanego wzoru osadza się polimer blokujący chemiczne usuwanie materiału (tzw. inhibitor). W wielu technologiach potrzebne jest uzyskanie pionowych ścian, które tworzą otwory (via hole), rowki, głębokie szczeliny (trench). Elementy te są stosowane do wykonywania połączeń pomiędzy metalizacjami poszczególnych warstw układu scalonego, kondensatorów do cyfrowych układów pamięci, izolacji w układach scalonych, struktur dyfrakcyjnych w układach optoelektronicznych oraz do budowania złożonych mikrosystemów MEMS (mikro-elektro-mechaniczny system). Trawienie izotropowe stosuje się do kształtowania kanałów dla cieczowych i gazowych systemów analitycznych (µ TAS), formowania matryc mikroemiterów polowych, odwzorowywania szerokich linii (powyżej 3µ m) i wszędzie tam, gdzie podtrawienia maski nie mają znaczenia. Wybierając mokry lub suchy proces trawienia o odpowiedniej kierunkowości można uzyskiwać również ściany o małym nachyleniu.

2 Jest to konieczne dla prawidłowego wykonania warstw przewodzących, nanoszonych na wytrawione okno w warstwie izolacyjnej. Technika suchego trawienia została opracowana dla potrzeb mikroelektroniki i umożliwia uzyskiwanie wzorów o większej rozdzielczości niż w przypadku trawienia mokrego. Obecnie standardowo wytwarza się tą techniką wzory o szerokości linii 0.18µ m. Proces ten jest podstawowym etapem nowoczesnego cyklu technologicznego (VLSI) i podlega precyzyjnemu, automatycznemu sterowaniu. Suche trawienie wykonuje się technikami jonowymi i plazmowymi, które wykorzystują zjawiska zachodzące w plazmie lub oddziaływanie wiązki jonów z materiałem trawionym. Podział metod suchego trawienia może być przeprowadzony ze względu na typ zastosowanego urządzenia (Rys.1) lub rodzaj zachodzących zjawisk. Rys. 1. Podział metod suchego trawienia ze względu na typ zastosowanego urządzenia. Główne mechanizmy suchego trawienia to mechanizm chemiczny i fizyczny. Mechanizm chemiczny polega na reakcji wolnych rodników z materiałem trawionym, wytworzeniu lotnych produktów tej reakcji i odpompowaniu ich z reaktora. Przykładowo, podczas trawienia krzemu w plazmie CF 4, gazowy czterofluorek węgla dysocjuje wg reakcji: CF 4 + e CF 3 * + F * + e a wolny rodnik fluorowy reaguje z krzemem dając lotny czterofluorek krzemu

3 Si + 4F * SiF 4 Mechanizm fizyczny polega na wybijaniu atomów lub cząsteczek trawionego materiału przez wysokoenergetyczne jony. W plazmowym reaktorze planarnym można wykorzystywać zarówno oddziaływania chemiczne, jak i fizyczne. Wzbudzenie wyładowania jarzeniowego powoduje powstanie plazmy, która składa się z aktywnych chemicznie rodników (atomy lub cząsteczki nie posiadające ładunku), elektronów, atomów zjonizowanych, atomów wzbudzonych oraz atomów (cząsteczek) nie zdysocjowanych. Reaktor ten może pracować w modzie trawienia plazmowego PE (plasma etching) albo w modzie reaktywnego trawienia jonowego RIE (reactive ion etching). W pierwszym przypadku powierzchnia obu elektrod jest jednakowa. Trawione podłoża umieszczane są na uziemionej elektrodzie i mają potencjał niewiele niższy od potencjału plazmy wyładowania w.cz. w reaktorze. W tej konfiguracji elektrod jony bombardujące podłoże mają stosunkowo małe energie, niższe niż 50eV. Udział jonów w procesie trawienia jest nieznaczny, dominuje chemiczne oddziaływanie rodników z materiałem trawionym. W drugim przypadku, elektrody są niesymetryczne, tzn. katoda zasilana w.cz. ma wielokrotnie mniejszą powierzchnię niż uziemiona anoda. Trawione podłoża umieszczane są na zasilanej elektrodzie i mają względem plazmy ujemny potencjał, o bezwzględnej wartości nawet rzędu kilkuset woltów. Jest to składowa stała napięcia elektrody indukująca się w wyładowaniu jarzeniowym w.cz. - tzw. napięcie samopolaryzacji (self-bias voltage, U SB ). Duże pole elektryczne, powstające blisko powierzchni elektrody (obszar ciemni katodowej wyładowania jarzeniowego), powoduje znaczne przyspieszenie jonów, które znalazły się w obszarze jego oddziaływania. Uzyskują one energie dużo większe od 50eV. W tym modzie mechanizm fizyczny ma duży wpływ na proces trawienia, który jest bardziej anizotropowy i mniej selektywny. Poniżej przedstawiono schematy konstrukcyjne 2-ch plazmowych reaktorów planarnych i typowe dla nich profile trawienia: Rys. 2. Reaktor symetryczny typu PE i typowy dla niego profil trawienia.

4 Rys. 3. Reaktor niesymetryczny typu RIE (GIR -300 firmy Alcatel) i typowe profile trawienia. Proces PE daje izotropowe profile, duże szybkości trawienia i wysoką selektywność. Technika RIE pozwala na uzyskanie kompromisu pomiędzy szybkością trawienia a jego anizotropią. Poprzez zmianę składu gazu roboczego, odpowiedni dobór parametrów procesu oraz materiału maski, można uzyskać głębokie anizotropowe, izotropowe lub kierunkowe trawienie wzorów w krzemie (Rys. 4). Rys. 4. Różne profile trawienia uzyskiwane techniką RIE. Suche trawienie w technologii mikrosystemów Ciągły rozwój technik mikro-obróbki (mikromachiningu) krzemu, zarówno powierzchniowego jak i w litym materiale, w połączeniu z możliwościami standardowych technologii mikroelektronicznych owocują nowymi typami mikroczujników i aktuatorów. Obecnie obserwuje się nowy trend rozwojowy polegający na łączeniu czujników, aktuatorów i nowoczesnej elektroniki w celu uzyskania funkcjonalnych systemów nazywanych mikrosystemami (MST) lub mikro-elektro-mechanicznymi systemami (MEMS). Mikrosystemy zaczynają wypierać znane, klasyczne czujniki. Stosowane są już w niektórych wyrobach masowych takich jak sztuczna rzeczywistość komputerowa, poduszki powietrzne air-bag, urządzenia VHS, zabawki oraz w medycynie i mikrorobotyce.

5 W miarę rozwoju mikrosystemowych technik wytwarzania, procesy suchego trawienia i osadzania stały się bardzo przydatne w produkcji czujników i aktuatorów. Suche trawienie jest techniką kompatybilną ze standardowymi procesami IC, które potrzebne są do wykonania elektroniki przyrządu. Standardowe, mokre trawienie pozwala na selektywną obróbkę materiałów, co jest zaletą tego procesu. Trawienie monokrystalicznego krzemu w wodnych roztworach mieszanin kwasów jest procesem izotropowym, a w wodnych roztworach alkalicznych anizotropowym. Właściwości procesu mokrego trawienia krzemu umożliwiają kształtowanie trójwymiarowych struktur mikromechanicznych, ale proces ten cechuje się również pewnymi ograniczeniami: trudności w trawieniu submikrometrowych wzorów, duża możliwość uszkodzenia delikatnych struktur przestrzennych, względnie słaba jednorodność trawienia na całej płytce. Przy dużych trawionych powierzchniach krzemu powstają miejsca o znacznie zmniejszonej szybkości trawienia z powodu tworzenia się pęcherzy gazowych oraz miejsca o zwiększonej szybkości trawienia, związanej z niejednorodnością krystalograficzną płytki. Wiele z potencjalnych problemów związanych z mokrym trawieniem może być ominięte poprzez zastosowanie zoptymalizowanego procesu suchego trawienia. Zastosowanie procesu plazmowego trawienia w technologii czujników mikromechanicznych ma następujące zalety: wymiary trawionych wzorów mogą być mniejsze niż 1µ m i zależą praktycznie tylko od zastosowanej maski, uzyskiwane profile formowanych struktur nie zależą od krystalografii podłoża, profil trawienia można dobierać w zależności od konstrukcji przyrządu, możliwe jest selektywne usunięcie tzw. warstwy poświęcanej (sacrificial layer) celem uwolnienia ruchomej struktury, plazma nie wywiera nacisku na mikrostruktury przestrzenne. Zalety te okupione są skomplikowaniem próżniowego urządzenia do trawienia oraz samego procesu trawienia, który zależy od wielu parametrów. Podstawowe z nich to: ciśnienie tła próżniowego w reaktorze oraz konieczność stosowania bezolejowego systemu pompowego, odpornego na działanie chemicznie aktywnych gazów, rodzaj gazu roboczego, który może być również mieszaniną wielu gazów, przepływ gazu roboczego (cm 3 /min, sccm) ciśnienie gazu roboczego, temperatura podłoża, rodzaj i wielkość powierzchni trawionego podłoża, materiał ścian bocznych i elektrod reaktora, geometria reaktora, elektromagnetyczne parametry wzbudzania wyładowania jarzeniowego. Zarówno płytkie jak i głębokie trawienie krzemu jest bardzo użyteczne w formowaniu trójwymiarowych struktur krzemowych dla potrzeb mikromechaniki. Gładkie trawienie jest szczególnie przydatne do pocieniania płytki lub jakiejś mikrostruktury np. doregulowywania

6 grubości membran czujników ciśnienia oraz do wyrównywania i oczyszczania strukturyzowanej powierzchni krzemu. Trawienie plazmowe jest również bardzo przydatną techniką do całkowitego, selektywnego usunięcia krzemu, rezystu lub innego materiału z gotowej struktury. Głębokie, izotropowe trawienie służy do uwalniania różnych mikromechanizmów takich jak belki, mostki czy kładki (Rys. 5). Proces ten służy również do oddzielenia ruchomego elementu mikromechanicznego od podłoża. Technika ta nazywa się metodą warstwy poświęcanej (sacrificial layer). Jako materiał na ruchomą strukturę mikromechaniczną stosuje się najczęściej poli-si (LPCVD) a na warstwę poświęcaną azotek krzemu (LPCVD) lub PSG (domieszkowany fosforem dwutlenek krzemu). Przykładem zastosowania tej technologii jest masowo produkowany przez firmę Analog Devices Inc. (USA) przyspieszeniomierz ADXL50. Głębokie, anizotropowe trawienie służy jako metoda formowania membran oraz bardzo wąskich szczelin (trenczy) (Rys. 6) potrzebnych do wykonywania kondensatorów i izolacji w układach elektronicznych, wytwarzania masek dla elektrono i rentgenolitografii, jak również struktur przestrzennych dla czujników i aktuatorów. Proces ten stosuje się tam, gdzie wymagana jest prostopadłość ścian mikrostruktury. W technologii mikroelektronicznej stosuje się również głębokie trawienie profilowane wszędzie tam, gdzie nachylenie trawionego zbocza powinno być łagodne a więc np. przy wykonywaniu okien pod metalizację, czy dla pokryć warstwą dielektryczną. a) b) c) Rys. 5. a) Wolno stojące belki oraz mostki z Al wykonane techniką selektywnego trawienia krzemu w plazmie SF 6 /O 2., b) i c) poli-krzemowe struktury oscylatorów swobodnie zawieszonych nad powierzchnią krzemu. a) b) c) Rys. 6. Otwory przelotowe w membranie (a), głębokie szczeliny (b), cienka membrana krzemowa (c), wytrawione w krzemie metodą suchego trawienia.

7 Jednym z podstawowych problemów w produkcji mikroczujników jest ich montaż, pakowanie oraz izolowanie od wpływu czynników zewnętrznych, a w szczególności aktywnych mediów pomiarowych. Rozwijaną techniką rozwiązującą te problemy jest technologia wykonywania kontaktów od tylnej strony struktury mikromechanicznej (backside contacts). Kontakty te wykonywane są jako metalizowane otwory o głębokości nawet kilkuset mikrometrów. Mokre trawienie tylnych kontaktów wymaga dużej powierzchni na płytce krzemowej. Aby ją zminimalizować stosowane są technologie suchego trawienia głębokich oraz w miarę możliwości kierunkowych otworów w Si (GaAs). Idealny proces plazmowy użyteczny dla mikromechaniki to proces trawienia o dużej szybkości, anizotropii i selektywności, przy dużej gładkości wytrawionej powierzchni krzemu. Taki proces nie został jeszcze opracowany i dlatego w zależności od potrzeb stosuje się jego zoptymalizowaną, choć nie idealną wersję. Krzem może być sucho trawiony w zjonizowanych gazach zawierających chlor i fluor, ponieważ gazy te tworzą lotne związki z krzemem takie jak SiCl 4, SiF 4, które mogą być odpompowane (Tab.1). Kiedy jako gaz roboczy zastosujemy freon SF 6 trawienie krzemu jest szybkie oraz izotropowe (Rys.7). Natomiast jeśli zastosujemy chlor lub związki chloru np. C 2 F 5 Cl, SiCl 4 trawienie jest bardziej anizotropowe ale za to wolniejsze. Trawienie krzemu w plazmie SF 6 /O 2 powoduje chropowatość zarówno ścian bocznych jak i dna struktury. Chropowatość trawionej powierzchni jest wynikiem bombardowania jej jonami oraz reosadzania się produktów reakcji chemicznych (Rys.8). Osadzający się na ścianach bocznych polimer określany jako Si X O Y F Z, hamuje dostęp rodnikom do trawionego materiału i poprawia anizotropię. Jeśli jest to możliwe ze względów technologicznych, chropowatość ścian bocznych i powierzchni krzemu po trawieniu RIE, może być zmniejszona poprzez zastosowanie termicznego utleniania. Rys. 7. Mikroostrza krzemowe wytrawione w plazmie SF 6.

8 Tab. 1. Zestaw gazów stosowanych do trawienia plazmowego krzemu. Podano wzór chemiczny gazu, wolnych rodników powstających w plazmie, produktu reakcji z krzemem oraz warstwy hamującej trawienie. a) b) c) Rys.8. Rowek wytrawiony w krzemiej: a) na mokro, b) i c) w plazmie SF 6 przy różnych parametrach procesu - widoczna różna gładkość powierzchni krzemu i różne profile trawienia. Anizotropia suchego trawienia krzemu zależy również od temperatury podłoża. Jeśli temperatura zostanie obniżona do T< - 60 C prędkość trawienia bocznego gwałtownie maleje i trawienie staje się anizotropowe (Rys. 9). Tłumaczy się to efektywniejszym tworzeniem się inhibitorów i zwiększeniem się reaktywności wolnych rodników... a) b) Rys. 9. Wzory krzemowe trawione w plazmie SF 6 w różnych temperaturach: a) T=300K, b) T=210K. Jeśli duża część powierzchni płytki krzemowej jest wystawiona na działanie plazmy np. SF 6 /C 2 ClF 5 lub SF 6 /O 2 (mała powierzchnia maski) to maleje anizotropia procesu trawienia. Jeśli załadujemy do reaktora podłoże o dużej powierzchni do wytrawienia, maleje koncentracja reaktywnych atomów fluoru, co spowoduje zmniejszenie szybkości trawienia

9 (loading effect). Należy zadbać o to, aby trawić tylko jedną płytkę Si o małej powierzchni wzoru do wytrawienia. Do plazmowego trawienia krzemu można stosować maski z fotoczułego rezystu, jednakże maska ta szybko ulega wytrawieniu lub uszkodzeniu termicznemu. Stosując maskę z emulsji światłoczułej można trawić tylko kilka minut i wobec tego uzyskuje się mniejszą głębokość trawienia. Do trawienia plazmowego produkowane są specjalne fotorezysty, które są odporniejsze na temperaturę. Jeśli maska do trawienia jest dwuwarstwą Al-fotorezyst, to prawdopodobnie nastąpi zanieczyszczenie atmosfery gazu roboczego rodnikami zawierającymi węgiel. Skutkiem tego mogą powstawać polimery, które będą się osadzać na ścianach bocznych i dnie trawionej struktury. Odpowiednio dobrane warunki procesu trawienia mogą sprzyjać usuwaniu polimeru z dna trawionego wzoru, a polimer na ścianach bocznych będzie poprawiał anizotropię procesu. Analogiczne efekty można uzyskiwać w plazmie SF 6 /O 2 /CHF 3. Jeśli zastosujemy maskę z warstwy aluminium, a w plazmie jest tlen, można oczekiwać czystych powierzchni trawionych. Tlen redukuje reosadzanie się aluminium na trawionej powierzchni, ponieważ tworzy na powierzchni maski tlenek aluminium, który jest odporny na plazmę fluorową. Do suchego trawienia krzemu stosuje się również mieszaninę gazów Cl 2 /BCl 3, która daje podobne wyniki jak w przypadku SF 6 /O 2 (Rys. 10). Rys. 10. Mikrostruktury krzemowe o wysokości 25 µ m wytrawione w plazmie Cl 2 /BCl 3.. Dla specjalnej mieszaniny gazów roboczych (SF 6 +CHF 3 +O 2 ), na powierzchni trawionego krzemu powstaje tzw. czarny krzem (black silicon). Występowanie czarnego krzemu jest związane ze zjawiskiem mikromaskowania trawionej powierzchni przez różne materiały osadzające się na krzemie. Objawia się to powstawaniem bardzo cienkich struktur kolumnowych, prostopadłych do trawionej powierzchni, tzw. trawą (grass effect) (Rys. 11) Rys. 11. Struktura krzemowa wytrawiona przez maskę Al w plazmie SF 6 - widoczna jest chropowata powierzchnia krzemu z "trawą".

10 . Przy ściśle dobranych warunkach procesu suchego trawienia dla danego reaktora, można wykorzystując technikę czarnego krzemu uzyskać prawie idealne trawienie kierunkowe. Dzieje się to wtedy, gdy ustali się równowaga pomiędzy procesem utleniania podłoża a trawienia. Ściany boczne są zabezpieczone polimerem, a dno trawi się dzięki energetycznym jonom docierającym do powierzchni. Oprócz parametrów procesu trawienia również właściwe oczyszczenie powierzchni próbki (zanurzenie w HF i plazmowe trawienie np. w CHF 3 + O 2 ) oraz reaktora plazmowego pozwala na uzyskanie względnie gładkiej powierzchni krzemu o typowo jasno metalicznym kolorze. Literatura 1. H. Jansen et al., A survey on the reactive ion etching of silicon in microtechnology, J. Micromech. Microeng., 6 (1996) J. Zdanowski, Trawienie jonowe i plazmowe w technologii i badaniach, Elektronika, 7 (1991) R. Kassing, I. Rangelow, Etching processes for high aspect ratio micro systems technology, Microsystem Technologies, 3 (1996) V. Spiering et al., Realization of mechanical decoupling zones for package-stress reduction, Sensors and Actuators A, (1993) C. Linder et al., Deep etching of silicon novel micromachining tool, Sensors and Materials, 3, 6 (1992) Materiały reklamowe firmy Alcatel i NovaSensor 7. A. Górecka-Drzazga, Plasma dry etching of monocrystalline silicon for the microsystem technology, Optica Applicata, Vol. XXXII, No. 3 (2002)