Mikrosystemy 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. VSi : VAl = 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
(HNO3:HF:CH3COOH=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 SF6 (12sccm, 100W, 4x10–2mbar)
selektywność trawienia krzemu i fotorezystu AZ 1350 wynosi 5:1.
kierunkowość trawienia - jest określana poprzez tzw. współczynnik
anizotropowości, który wyrażony jest wzorem: A = 1 – VS/VP gdzie: VS jest
szybkością trawienia w kierunku stycznym do trawionej powierzchni, a VP jest
szybkością trawienia w kierunku prostopadłym. W przypadku trawienia
anizotropowego VS=0 i A=1, natomiast dla trawienia izotropowego VP > VS > 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.
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 CF4 , gazowy czterofluorek węgla dysocjuje wg reakcji:
CF4 + e → CF3* + F* + e
a wolny rodnik fluorowy reaguje z krzemem dając lotny czterofluorek krzemu
Si + 4F* → SiF4
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, USB). 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.
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.
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 (cm3/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
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
SF6/O2., 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.
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 SiCl4, SiF4, które mogą być
odpompowane (Tab.1). Kiedy jako gaz roboczy zastosujemy freon SF6 trawienie krzemu jest
szybkie oraz izotropowe (Rys.7). Natomiast jeśli zastosujemy chlor lub związki chloru np.
C2F5Cl, SiCl4 trawienie jest bardziej anizotropowe ale za to wolniejsze. Trawienie krzemu w
plazmie SF6/O2 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 SiXOYFZ, 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 SF6.
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 SF6 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 SF6 w różnych temperaturach: a) T=300K, b) T=210K.
Jeśli duża część powierzchni płytki krzemowej jest wystawiona na działanie plazmy np.
SF6/C2ClF5 lub SF6/O2 (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
(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 SF6/O2/CHF3. 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 Cl2/BCl3, która daje
podobne wyniki jak w przypadku SF6/O2 (Rys. 10).
Rys. 10. Mikrostruktury krzemowe o wysokości 25 µ m wytrawione w plazmie Cl2/BCl3..
Dla specjalnej mieszaniny gazów roboczych (SF6+CHF3+O2), 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 SF6 - widoczna jest chropowata
powierzchnia krzemu z "trawą".
. 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 CHF3 + O2) 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) 14-28
2. J. Zdanowski, Trawienie jonowe i plazmowe w technologii i badaniach, Elektronika, 7
(1991) 3-10
3. R. Kassing, I. Rangelow, Etching processes for high aspect ratio micro systems
technology, Microsystem Technologies, 3 (1996) 20-27
4. V. Spiering et al., Realization of mechanical decoupling zones for package-stress
reduction, Sensors and Actuators A, 37-38 (1993) 800-804
5. C. Linder et al., Deep etching of silicon – novel micromachining tool, Sensors and
Materials, 3, 6 (1992) 311-324
6. 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) 339-346