آشنایی با فناوری اچینگ خشک در صنعت نیمه هادی ها

اچینگ به تکنیک حذف انتخابی مواد از طریق ابزارهای فیزیکی یا شیمیایی برای دستیابی به الگوهای ساختاری طراحی شده اشاره دارد.

در حال حاضر، بسیاری از دستگاه های نیمه هادی از ساختارهای دستگاه mesa استفاده می کنند که عمدتاً از طریق دو نوع اچینگ ایجاد می شوند:wet etching and dry etching. در حالی که حکاکی مرطوب ساده و سریع نقش مهمی در ساخت دستگاه های نیمه هادی ایفا می کند، دارای اشکالات ذاتی مانند حکاکی ایزوتروپیک و یکنواختی ضعیف است که منجر به کنترل محدود در هنگام انتقال الگوهای کوچک می شود. اچ خشک، با این حال، با ناهمسانگردی بالا، یکنواختی خوب و تکرارپذیری، در فرآیندهای ساخت دستگاه های نیمه هادی برجسته شده است. اصطلاح "اچ کردن خشک" به طور گسترده به هر فناوری اچ غیر مرطوب که برای حذف مواد سطحی و انتقال الگوهای میکرو و نانو استفاده می شود، از جمله اچ لیزر، اچ پلاسما و اچ شیمیایی بخار اشاره دارد. حکاکی خشک مورد بحث در این متن به طور خاص به کاربرد محدود فرآیندهایی با استفاده از تخلیه پلاسما - اعم از فیزیکی یا شیمیایی - برای اصلاح سطوح مواد مربوط می شود. چندین فناوری رایج حکاکی صنعتی را پوشش می دهد، از جملهحکاکی با پرتو یونی (IBE)، اچینگ یون واکنشی (RIE)، حکاکی پلاسما رزونانس سیکلوترون الکترونی (ECR) و اچ پلاسمای جفت القایی (ICP).

1. حکاکی پرتو یونی (IBE)

همچنین به عنوان آسیاب یونی شناخته می شود، IBE در دهه 1970 به عنوان یک روش حکاکی صرفا فیزیکی توسعه یافت. این فرآیند شامل پرتوهای یونی ایجاد شده از گازهای بی اثر (مانند Ar، Xe) است که توسط یک ولتاژ برای بمباران سطح ماده هدف شتاب می‌گیرد. یون‌ها انرژی را به اتم‌های سطحی منتقل می‌کنند و باعث می‌شوند اتم‌هایی که انرژی بیش از انرژی پیوندشان دارند به دور پرتاب شوند. این تکنیک از ولتاژ تسریع شده برای کنترل جهت و انرژی پرتو یونی استفاده می کند که منجر به ناهمسانگردی اچ عالی و قابلیت کنترل نرخ می شود. در حالی که برای حکاکی مواد شیمیایی پایدار مانند سرامیک ها و فلزات خاص ایده آل است، نیاز به ماسک های ضخیم تر برای اچ های عمیق تر ممکن است دقت اچ را به خطر بیندازد و بمباران یونی با انرژی بالا ممکن است باعث آسیب الکتریکی اجتناب ناپذیر به دلیل اختلالات شبکه شود.

2. اچ کردن یون واکنشی (RIE)

RIE که از IBE توسعه یافته است، واکنش های شیمیایی را با بمباران یونی فیزیکی ترکیب می کند. در مقایسه با IBE، RIE نرخ اچینگ بالاتر و ناهمسانگردی و یکنواختی عالی را در مناطق بزرگ ارائه می‌دهد، که آن را به یکی از پرکاربردترین تکنیک‌های اچ در ساخت میکرو و نانو تبدیل می‌کند. این فرآیند شامل اعمال ولتاژ فرکانس رادیویی (RF) به الکترودهای صفحه موازی است که باعث می‌شود الکترون‌ها در محفظه گازهای واکنش را شتاب داده و یونیزه کنند و منجر به حالت پلاسمایی پایدار در یک طرف صفحات شود. پلاسما به دلیل جذب الکترون ها به کاتد و اتصال به آند دارای پتانسیل مثبت است و در نتیجه یک میدان الکتریکی در سراسر محفظه ایجاد می کند. پلاسمای دارای بار مثبت به سمت بستر متصل به کاتد شتاب می گیرد و به طور موثر آن را حکاکی می کند.

در طی فرآیند اچینگ، محفظه محیطی با فشار کم (0.1 ~ 10 Pa) حفظ می کند که سرعت یونیزاسیون گازهای واکنش را افزایش می دهد و فرآیند واکنش شیمیایی را در سطح بستر تسریع می کند. به طور کلی، فرآیند RIE نیاز دارد که محصولات فرعی واکنش فرار باشند تا به طور موثر توسط سیستم خلاء حذف شوند و دقت اچینگ بالا را تضمین کند. سطح توان RF به طور مستقیم چگالی پلاسما و ولتاژ بایاس شتاب را تعیین می کند و در نتیجه نرخ اچینگ را کنترل می کند. با این حال، در حالی که چگالی پلاسما را افزایش می دهد، RIE ولتاژ بایاس را نیز افزایش می دهد، که می تواند باعث آسیب شبکه و کاهش انتخاب پذیری ماسک شود، بنابراین محدودیت هایی برای کاربردهای اچ ایجاد می کند. با توسعه سریع مدارهای مجتمع در مقیاس بزرگ و کاهش اندازه ترانزیستورها، تقاضای بیشتری برای دقت و نسبت ابعاد در ساخت میکرو و نانو وجود داشته است که منجر به ظهور فناوری‌های اچ کردن خشک مبتنی بر پلاسما با چگالی بالا شده است. فرصت های جدید برای پیشرفت فناوری اطلاعات الکترونیکی.

3. الکترون سیکلوترون رزونانس (ECR) اچ پلاسما

فناوری ECR، یک روش اولیه برای دستیابی به پلاسمای با چگالی بالا، از انرژی مایکروویو برای تشدید با الکترون‌های درون محفظه استفاده می‌کند، که توسط یک میدان مغناطیسی منطبق با فرکانس خارجی اعمال می‌شود تا رزونانس سیکلوترون الکترون را القا کند. این روش چگالی پلاسما به طور قابل‌توجهی بالاتری نسبت به RIE می‌دهد، سرعت اچینگ و انتخاب ماسک را افزایش می‌دهد، بنابراین اچ کردن ساختارهای نسبت ابعاد بسیار بالا را تسهیل می‌کند. با این حال، پیچیدگی سیستم، که بر عملکرد هماهنگ منابع مایکروویو، منابع RF و میدان های مغناطیسی متکی است، چالش های عملیاتی ایجاد می کند. ظهور اچ پلاسمای جفت القایی (ICP) به زودی به عنوان یک ساده سازی نسبت به ECR دنبال شد.

4. اچینگ پلاسمای جفت شده القایی (ICP).

فناوری اچینگ ICP سیستم مبتنی بر فناوری ECR را با استفاده از دو منبع RF 13.56 مگاهرتز برای کنترل تولید پلاسما و ولتاژ بایاس شتاب ساده می‌کند. به جای میدان مغناطیسی خارجی مورد استفاده در ECR، یک سیم پیچ مارپیچی یک میدان الکترومغناطیسی متناوب را القا می کند، همانطور که در شماتیک نشان داده شده است. منابع RF انرژی را از طریق جفت الکترومغناطیسی به الکترون‌های داخلی منتقل می‌کنند که در یک حرکت سیکلوترون در میدان القایی حرکت می‌کنند و با گازهای واکنش برخورد می‌کنند و باعث یونیزاسیون می‌شوند. این تنظیم تراکم پلاسما قابل مقایسه با ECR را به دست می آورد. حکاکی ICP مزایای سیستم های مختلف اچ را ترکیب می کند، نیاز به نرخ های اچ بالا، گزینش پذیری بالا، یکنواختی منطقه بزرگ و ساختار تجهیزات ساده و قابل کنترل را برآورده می کند، بنابراین به سرعت به انتخاب ارجح برای نسل جدیدی از فناوری های اچ پلاسما با چگالی بالا تبدیل می شود. .

5. ویژگی های اچینگ خشک

فناوری اچ خشک به دلیل ناهمسانگردی برتر و نرخ اچینگ بالا به سرعت جایگاه اصلی را در ساخت میکرو و نانو به خود اختصاص داده است و جایگزین اچ مرطوب شده است. معیارهای ارزیابی فناوری اچینگ خشک خوب شامل انتخاب پذیری ماسک، ناهمسانگردی، سرعت اچ، یکنواختی کلی و صافی سطح ناشی از آسیب شبکه است. با بسیاری از معیارهای ارزیابی، وضعیت خاص باید بر اساس نیازهای ساخت در نظر گرفته شود. مستقیم ترین شاخص های حکاکی خشک، مورفولوژی سطح، از جمله صافی کف و دیواره های کناری و ناهمسانگردی تراس های حکاکی شده است، که هر دو با تنظیم نسبت واکنش های شیمیایی به بمباران فیزیکی قابل کنترل هستند. خصوصیات میکروسکوپی پس از اچ کردن معمولاً با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ نیروی اتمی انجام می شود. گزینش پذیری ماسک، که نسبت عمق حکاکی ماسک به عمق ماده در شرایط و زمان حکاکی یکسان است، بسیار مهم است. به طور کلی، هرچه گزینش پذیری بالاتر باشد، دقت انتقال الگو بهتر است. ماسک های متداول مورد استفاده در اچینگ ICP عبارتند از: مقاوم در برابر نور، فلزات و فیلم های دی الکتریک. Photoresist گزینش پذیری ضعیفی دارد و می تواند تحت دماهای بالا یا بمباران انرژی تخریب شود. فلزات گزینش پذیری بالایی دارند اما در حذف ماسک چالش هایی ایجاد می کنند و اغلب به تکنیک های پوشش چند لایه نیاز دارند. علاوه بر این، ماسک های فلزی ممکن است در حین اچ به دیواره های جانبی بچسبند و مسیرهای نشتی را تشکیل دهند. بنابراین انتخاب تکنولوژی ماسک مناسب برای اچینگ اهمیت ویژه ای دارد و انتخاب مواد ماسک باید بر اساس الزامات عملکردی خاص دستگاه ها تعیین شود.**