Dyp reaktiv ion -etsing - Deep reactive-ion etching

Deep reactive-ion etching ( DRIE ) er en svært anisotrop etseprosess som brukes til å lage dyp penetrasjon, bratte sider og grøfter i skiver /underlag, vanligvis med høye sideforhold . Den ble utviklet for mikroelektromekaniske systemer (MEMS), som krever disse funksjonene, men brukes også til å grave ut grøfter for kondensatorer med høy tetthet for DRAM og mer nylig for å lage gjennom silisiumvias ( TSVs ) i avansert 3D- wafernivåemballasje teknologi. I DRIE plasseres substratet inne i en reaktor, og flere gasser blir introdusert. Et plasma treffes i gassblandingen som bryter gassmolekylene i ioner. Ionene akselererte mot og reagerer med overflaten av materialet som etses, og danner et annet gassformig element. Dette er kjent som den kjemiske delen av den reaktive ionetsingen. Det er også en fysisk del, hvis ioner har nok energi, kan de slå atomene ut av materialet som skal etses uten kjemisk reaksjon.

DRIE er en spesiell underklasse av RIE.

Det er to hovedteknologier for DRIE med høy hastighet: kryogen og Bosch, selv om Bosch-prosessen er den eneste anerkjente produksjonsteknikken. Både Bosch og cryoprosesser kan lage 90 ° (virkelig vertikale) vegger, men ofte er veggene lett koniske, f.eks. 88 ° ("reentrant") eller 92 ° ("retrograd").

En annen mekanisme er passivisering av sidevegg: SiO x F y funksjonelle grupper (som stammer fra svovelheksafluorid og oksygenetsgasser) kondenserer på sideveggene og beskytter dem mot lateral etsing. Som en kombinasjon av disse prosessene kan dype vertikale strukturer lages.

Kryogen prosess

I cryogenic-DRIE avkjøles skiven til -110 ° C (163 K ). Den lave temperaturen bremser den kjemiske reaksjonen som produserer isotrop etsning. Imidlertid fortsetter ioner å bombardere oppovervendte overflater og etse dem bort. Denne prosessen produserer grøfter med svært vertikale sidevegger. De primære problemene med cryo-DRIE er at standardmasker på underlag sprekker under ekstrem kulde, pluss etsende biprodukter har en tendens til å avsette seg på den nærmeste kalde overflaten, dvs. underlaget eller elektroden.

Bosch -prosess

En silisiumstolpe produsert ved hjelp av Bosch -prosessen
En mikrosøyle av silisium produsert ved hjelp av Bosch-prosessen

Bosch-prosessen, oppkalt etter det tyske selskapet Robert Bosch GmbH som patenterte prosessen, også kjent som pulserende eller tidsmultiplekset etsing, veksler gjentatte ganger mellom to moduser for å oppnå nesten vertikale strukturer:

  1. En standard, nesten isotrop plasma ets . Plasmaet inneholder noen ioner, som angriper skiven fra en nesten vertikal retning. Svovelheksafluorid [SF 6 ] brukes ofte til silisium .
  2. Avsetning av et kjemisk inert passiveringslag . (For eksempel gir Octafluorocyclobutane [C 4 F 8 ] kildegass et stoff som ligner teflon .)
Bølgende sidevegg som et resultat av Bosch -prosessen
Bølgende sidevegg av en silisiumstruktur laget ved hjelp av Bosch -prosessen

Hver fase varer i flere sekunder. Passiveringslaget beskytter hele underlaget mot ytterligere kjemisk angrep og forhindrer ytterligere etsning. Men under etsning fase, retnings ioner som skyller over substratet angriper den passiveringslag ved bunnen av grøften (men ikke langs sidene). De kolliderer med det og spruter det av og utsetter substratet for kjemisk etsemiddel.

Disse ets/deponeringstrinnene gjentas mange ganger, noe som resulterer i at et stort antall svært små isotrope etsetrinn bare finner sted på bunnen av de etsede gropene. For å etse gjennom en 0,5 mm silisiumskive, er det for eksempel nødvendig med 100–1000 ets/deponeringstrinn. Tofaseprosessen får sideveggene til å bølge med en amplitude på omtrent 100–500 nm . Syklustiden kan justeres: korte sykluser gir jevnere vegger, og lange sykluser gir en høyere etsingshastighet.

applikasjoner

RIE "dyphet" avhenger av applikasjonen:

  • i DRAM -minnekretser kan kondensatorgravene være 10–20 µm dype,
  • i MEMS brukes DRIE til alt fra noen få mikrometer til 0,5 mm.
  • ved uregelmessig terning av brikker brukes DRIE med en ny hybrid myk/hard maske for å oppnå sub-millimeter etsning for å skjære silisiumdier i legolignende stykker med uregelmessige former.
  • innen fleksibel elektronikk brukes DRIE til å gjøre tradisjonelle monolitiske CMOS -enheter fleksible ved å redusere tykkelsen på silisiumsubstrater til få til titalls mikrometer.

Det som skiller DRIE fra RIE er etsedybde: Praktiske etsedybder for RIE (slik de brukes i IC -produksjon) vil være begrenset til rundt 10 µm med en hastighet på opptil 1 µm/min, mens DRIE kan etse funksjoner mye større, opptil 600 µm eller mer med hastigheter på opptil 20 um/min eller mer i noen applikasjoner.

DRIE av glass krever høy plasmakraft, noe som gjør det vanskelig å finne passende maskematerialer for virkelig dyp etsing. Polysilisium og nikkel brukes til 10–50 µm etsede dybder. I DRIE av polymerer finner Bosch -prosessen sted med vekslende trinn med SF 6 -etsing og C 4 F 8 -passivering. Metallmasker kan brukes, men de er dyre å bruke siden flere ekstra foto- og avsetningstrinn alltid er nødvendig. Metallmasker er imidlertid ikke nødvendig på forskjellige underlag (Si [opptil 800 µm], InP [opptil 40 µm] eller glass [opp til 12 µm]) ved bruk av kjemisk forsterkede negative motstander.

Galliumionimplantasjon kan brukes som etsemaske i cryo-DRIE. Kombinerte nanofabrikasjonsprosesser for fokusert ionestråle og cryo-DRIE ble først rapportert av N Chekurov et al i artikkelen "The fabrication of silicon nanostructures by local gallium implantation and cryogenic deep reactive ion etching".

Presisjonsmaskiner

DRIE har muliggjort bruk av mekaniske silisiumkomponenter i avanserte armbåndsur. Ifølge en ingeniør ved Cartier , "Det er ingen grense for geometriske former med DRIE,". Med DRIE er det mulig å få et sideforhold på 30 eller mer, noe som betyr at en overflate kan etses med en vertikalvegget grøft 30 ganger dypere enn bredden.

Dette har gjort det mulig for silisiumkomponenter å erstatte noen deler som vanligvis er laget av stål, for eksempel hårfjæret . Silisium er lettere og hardere enn stål, noe som gir fordeler, men gjør produksjonsprosessen mer utfordrende.

Referanser

  1. ^ Grunnleggende patentprosess for Bosch -prosess
  2. ^ Forbedret patentsøknad fra Bosch -prosessen
  3. ^ Bosch -prosessen "Parameter Ramping" patentsøknad
  4. ^ Ghoneim, Mohamed; Hussain, Muhammad (1. februar 2017). "Sterkt produserbar dyp (sub-millimeter) etsning aktivert høyformatskompleks kompleks geometri lego-lignende silisiumelektronikk" (PDF) . Liten . 13 (16): 1601801. doi : 10.1002/smll.201601801 . hdl : 10754/622865 . PMID  28145623 .
  5. ^ Mendis, Lakshini (14. februar 2017). "Lego-lignende elektronikk". Natur Midtøsten . doi : 10.1038/nmiddleeast.2017.34 .
  6. ^ Berger, Michael (6. februar 2017). "Lego -lignende silisiumelektronikk produsert med hybrid etsemasker" . Nanowerk .
  7. ^ Ghoneim, Mohamed; Alfaraj, Nasir; Torres-Sevilla, Galo; Fahad, Hossain; Hussain, Muhammad (juli 2016). "Effekter utenom flyet på fysisk fleksibel FinFET CMOS". IEEE -transaksjoner på elektroniske enheter . 63 (7): 2657–2664. Bibcode : 2016ITED ... 63.2657G . doi : 10.1109/ted.2016.2561239 . hdl : 10754/610712 . S2CID  26592108 .
  8. ^ Ghoneim, Mohamed T .; Hussain, Muhammad M. (23. juli 2015). "Gjennomgang om fysisk fleksibelt, ikke -flyktig minne for internett av alt elektronikk" . Elektronikk . 4 (3): 424–479. arXiv : 1606.08404 . doi : 10.3390/electronics4030424 . S2CID  666307 .
  9. ^ Ghoneim, Mohamed T .; Hussain, Muhammad M. (3. august 2015). "Studie av tøff miljødrift av fleksibelt ferroelektrisk minne integrert med PZT og silisiumstoff" (PDF) . Applied Physics Letters . 107 (5): 052904. Bibcode : 2015ApPhL.107e2904G . doi : 10.1063/1.4927913 . hdl : 10754/565819 .
  10. ^ Ghoneim, Mohamed T .; Rojas, Jhonathan P .; Young, Chadwin D .; Bersuker, Gennadi; Hussain, Muhammad M. (26. november 2014). "Elektrisk analyse av høy-dielektrisk konstantisolator og metallport-metalloksid-halvlederkondensatorer på fleksibelt bulk-monokrystallinsk silisium". IEEE -transaksjoner om pålitelighet . 64 (2): 579–585. doi : 10.1109/TR.2014.2371054 . S2CID  11483790 .
  11. ^ Ghoneim, Mohamed T .; Zidan, Mohammed A .; Alnassar, Mohammed Y .; Hanna, Amir N .; Kosel, Jurgen; Salama, Khaled N .; Hussain, Muhammad (15. juni 2015). "Fleksibel elektronikk: Tynne PZT-baserte ferroelektriske kondensatorer på fleksibelt silisium for ikke-flyktige minneprogrammer". Avanserte elektroniske materialer . 1 (6): 1500045. doi : 10.1002/aelm.201500045 .
  12. ^ Ghoneim, Mohamed T .; Kutbee, Arwa; Ghodsi, Farzan; Bersuker, G .; Hussain, Muhammad M. (9. juni 2014). "Mekanisk anomali påvirkning på metall-oksid-halvleder kondensatorer på fleksibelt silisiumstoff" (PDF) . Applied Physics Letters . 104 (23): 234104. Bibcode : 2014ApPhL.104w4104G . doi : 10.1063/1.4882647 . hdl : 10754/552155 .
  13. ^ Chekurov, N; Grigoras, K; et al. (11. februar 2009). "Fremstilling av silisiumnanostrukturer ved lokal galliumimplantasjon og kryogen dypreaktiv ionetsing" . Nanoteknologi . 20 (6): 065307. doi : 10.1088/0957-4484/20/6/065307 . PMID  19417383 .
  14. ^ Kolesnikov-Jessop, Sonia (23. november 2012). "Presis fremtid for silisiumdeler som fortsatt blir diskutert" . New York Times . New York.
  15. ^ Yeom, Junghoon; Wu, Yan; Selby, John C .; Shannon, Mark A. (2005). "Maksimalt oppnåelig aspektforhold i dyp reaktiv ionetsing av silisium på grunn av aspektforholdsavhengig transport og mikroladingseffekten". Journal of Vacuum Science & Technology B: Mikroelektronikk og nanometerstrukturer . American Vacuum Society. 23 (6): 2319. Bibcode : 2005JVSTB..23.2319Y . doi : 10.1116/1.2101678 . ISSN  0734-211X .

Se også