Grabado profundo de iones reactivos - Deep reactive-ion etching

El grabado profundo de iones reactivos ( DRIE ) es un proceso de grabado altamente anisotrópico que se utiliza para crear agujeros y zanjas de penetración profunda con lados empinados en obleas / sustratos, generalmente con relaciones de aspecto altas . Fue desarrollado para sistemas microelectromecánicos (MEMS), que requieren estas características, pero también se utiliza para excavar zanjas para condensadores de alta densidad para DRAM y, más recientemente, para crear a través de vías de silicio ( TSV ) en tecnología avanzada de envasado a nivel de oblea 3D. En DRIE, el sustrato se coloca dentro de un reactor y se introducen varios gases. Se golpea un plasma en la mezcla de gases que rompe las moléculas de gas en iones. Los iones se aceleran y reaccionan con la superficie del material que se está grabando, formando otro elemento gaseoso. Esto se conoce como la parte química del grabado con iones reactivos. También hay una parte física, si los iones tienen suficiente energía, pueden eliminar átomos del material para grabarlos sin reacción química.

DRIE es una subclase especial de RIE.

Hay dos tecnologías principales para DRIE de alta velocidad: criogénica y Bosch, aunque el proceso de Bosch es la única técnica de producción reconocida. Tanto Bosch como los procesos criogénicos pueden fabricar paredes de 90 ° (verdaderamente verticales), pero a menudo las paredes están ligeramente ahusadas, por ejemplo, 88 ° ("reentrante") o 92 ° ("retrógrado").

Otro mecanismo es la pasivación de las paredes laterales: los grupos funcionales SiO x F y (que se originan a partir de hexafluoruro de azufre y gases de grabado de oxígeno) se condensan en las paredes laterales y las protegen del ataque lateral. Como combinación de estos procesos se pueden realizar estructuras verticales profundas.

Proceso criogénico

En criogénico-DRIE, la oblea se enfría a -110 ° C (163 K ). La baja temperatura ralentiza la reacción química que produce el grabado isotrópico. Sin embargo, los iones continúan bombardeando las superficies que miran hacia arriba y las eliminan. Este proceso produce zanjas con paredes laterales muy verticales. El problema principal con cryo-DRIE es que las máscaras estándar en los sustratos se agrietan bajo el frío extremo, además de que los subproductos del grabado tienden a depositarse en la superficie fría más cercana, es decir, el sustrato o electrodo.

Proceso Bosch

Un pilar de silicio fabricado mediante el proceso de Bosch
Un micropilar de silicio fabricado mediante el proceso de Bosch

El proceso Bosch, que lleva el nombre de la empresa alemana Robert Bosch GmbH que patentó el proceso, también conocido como grabado pulsado o multiplexado en el tiempo, alterna repetidamente entre dos modos para lograr estructuras casi verticales:

  1. Un grabado con plasma estándar, casi isotrópico . El plasma contiene algunos iones que atacan la oblea desde una dirección casi vertical. El hexafluoruro de azufre [SF 6 ] se utiliza a menudo para el silicio .
  2. Deposición de una capa de pasivación químicamente inerte . (Por ejemplo, el gas fuente de octafluorociclobutano [C 4 F 8 ] produce una sustancia similar al teflón ).
Pared lateral ondulada como resultado del proceso de Bosch
Pared lateral ondulada de una estructura de silicio creada mediante el proceso de Bosch

Cada fase dura varios segundos. La capa de pasivación protege todo el sustrato de un mayor ataque químico y evita un mayor ataque químico. Sin embargo, durante la fase de grabado, los iones direccionales que bombardean el sustrato atacan la capa de pasivación en el fondo de la zanja (pero no a lo largo de los lados). Chocan con él y lo escupieron , exponiendo el sustrato al grabador químico.

Estos pasos de grabado / depósito se repiten muchas veces dando como resultado un gran número de pasos de grabado isotrópico muy pequeños que tienen lugar solo en el fondo de las picaduras grabadas. Para grabar a través de una oblea de silicio de 0,5 mm, por ejemplo, se necesitan 100–1000 pasos de grabado / depósito. El proceso de dos fases hace que las paredes laterales se ondulen con una amplitud de aproximadamente 100 a 500 nm . El tiempo del ciclo se puede ajustar: los ciclos cortos producen paredes más suaves y los ciclos largos producen una tasa de grabado más alta.

Aplicaciones

La "profundidad" de RIE depende de la aplicación:

  • en los circuitos de memoria DRAM, las trincheras de los capacitores pueden tener una profundidad de 10 a 20 µm,
  • en MEMS, DRIE se utiliza para cualquier cosa, desde unos pocos micrómetros hasta 0,5 mm.
  • en el corte en cubitos de chips irregulares, DRIE se utiliza con una nueva máscara híbrida suave / dura para lograr un grabado submilimétrico para cortar troqueles de silicio en piezas similares a lego con formas irregulares.
  • En la electrónica flexible, DRIE se utiliza para hacer que los dispositivos CMOS monolíticos tradicionales sean flexibles al reducir el grosor de los sustratos de silicio a unos pocos o decenas de micrómetros.

Lo que distingue a DRIE de RIE es la profundidad de grabado: las profundidades de grabado prácticas para RIE (como se usa en la fabricación de CI ) se limitarían a alrededor de 10 µm a una velocidad de hasta 1 µm / min, mientras que DRIE puede grabar características mucho mayores, hasta 600 µm o más con velocidades de hasta 20 µm / min o más en algunas aplicaciones.

DRIE de vidrio requiere una alta potencia de plasma, lo que dificulta encontrar materiales de máscara adecuados para un grabado realmente profundo. El polisilicio y el níquel se utilizan para grabados de 10 a 50 µm de profundidad. En DRIE de polímeros, se lleva a cabo el proceso Bosch con etapas alternas de grabado SF 6 y pasivación C 4 F 8 . Se pueden usar máscaras metálicas, sin embargo, su uso es caro ya que siempre se requieren varios pasos adicionales de fotografía y deposición. Sin embargo, las máscaras metálicas no son necesarias en varios sustratos (Si [hasta 800 µm], InP [hasta 40 µm] o vidrio [hasta 12 µm]) si se utilizan resistencias negativas amplificadas químicamente.

La implantación de iones de galio se puede utilizar como máscara de grabado en cryo-DRIE. El proceso combinado de nanofabricación de haz de iones enfocado y crio-DRIE fue informado por primera vez por N Chekurov et al en su artículo "La fabricación de nanoestructuras de silicio por implantación local de galio y grabado criogénico de iones reactivos profundos".

Maquinaria de Precision

DRIE ha permitido el uso de componentes mecánicos de silicio en relojes de pulsera de alta gama. Según un ingeniero de Cartier , "No hay límite para las formas geométricas con DRIE". Con DRIE es posible obtener una relación de aspecto de 30 o más, lo que significa que una superficie se puede grabar con una zanja de paredes verticales 30 veces más profunda que su ancho.

Esto ha permitido sustituir componentes de silicio por algunas piezas que suelen ser de acero, como la espiral . El silicio es más liviano y más duro que el acero, lo que conlleva beneficios pero hace que el proceso de fabricación sea más desafiante.

Referencias

  1. ^ Solicitud de patente de proceso básico de Bosch
  2. ^ Solicitud de patente de proceso Bosch mejorada
  3. ^ Solicitud de patente "Parameter Ramping" del proceso Bosch
  4. ^ Ghoneim, Mohamed; Hussain, Muhammad (1 de febrero de 2017). "Grabado profundo (submilimétrico) altamente fabricable habilitado con alta relación de aspecto, geometría compleja, electrónica de silicio similar a Lego" (PDF) . Pequeño . 13 (16): 1601801. doi : 10.1002 / smll.201601801 . hdl : 10754/622865 . PMID  28145623 .
  5. ^ Mendis, Lakshini (14 de febrero de 2017). "Electrónica tipo Lego". Naturaleza de Oriente Medio . doi : 10.1038 / nmiddleeast.2017.34 .
  6. ^ Berger, Michael (6 de febrero de 2017). "Electrónica de silicio similar a Lego fabricada con máscaras de grabado híbridas" . Nanowerk .
  7. ^ Ghoneim, Mohamed; Alfaraj, Nasir; Torres-Sevilla, Galo; Fahad, Hossain; Hussain, Muhammad (julio de 2016). "Efectos de deformación fuera del plano en CMOS FinFET físicamente flexible". Transacciones IEEE en dispositivos electrónicos . 63 (7): 2657–2664. Código Bibliográfico : 2016ITED ... 63.2657G . doi : 10.1109 / ted.2016.2561239 . hdl : 10754/610712 . S2CID  26592108 .
  8. ^ Ghoneim, Mohamed T .; Hussain, Muhammad M. (23 de julio de 2015). "Revisión sobre memoria no volátil físicamente flexible para internet de todo lo electrónico" . Electrónica . 4 (3): 424–479. arXiv : 1606.08404 . doi : 10.3390 / electrónica4030424 . S2CID  666307 .
  9. ^ Ghoneim, Mohamed T .; Hussain, Muhammad M. (3 de agosto de 2015). "Estudio de funcionamiento en entornos hostiles de memoria ferroeléctrica flexible integrada con PZT y tejido de silicona" (PDF) . Letras de Física Aplicada . 107 (5): 052904. Código bibliográfico : 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 de noviembre de 2014). "Análisis eléctrico de condensadores semiconductores de óxido de metal y aislante de alta constante dieléctrica y puerta metálica en silicio monocristalino a granel flexible". Transacciones IEEE sobre confiabilidad . 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 de junio de 2015). "Electrónica flexible: condensadores ferroeléctricos basados ​​en PZT delgados en silicio flexible para aplicaciones de memoria no volátil". Materiales electrónicos avanzados . 1 (6): 1500045. doi : 10.1002 / aelm.201500045 .
  12. ^ Ghoneim, Mohamed T .; Kutbee, Arwa; Ghodsi, Farzan; Bersuker, G .; Hussain, Muhammad M. (9 de junio de 2014). "Impacto de anomalía mecánica en condensadores semiconductores de óxido de metal en tejido de silicio flexible" (PDF) . Letras de Física Aplicada . 104 (23): 234104. Código bibliográfico : 2014ApPhL.104w4104G . doi : 10.1063 / 1.4882647 . hdl : 10754/552155 .
  13. ^ Chekurov, N; Grigoras, K; et al. (11 de febrero de 2009). "La fabricación de nanoestructuras de silicio mediante implantación local de galio y grabado criogénico de iones reactivos profundos" . Nanotecnología . 20 (6): 065307. doi : 10.1088 / 0957-4484 / 20/6/065307 . PMID  19417383 .
  14. ^ Kolesnikov-Jessop, Sonia (23 de noviembre de 2012). "El futuro preciso de las piezas de silicio aún se está debatiendo" . The New York Times . Nueva York.
  15. ^ Yeom, Junghoon; Wu, Yan; Selby, John C .; Shannon, Mark A. (2005). "Relación de aspecto máxima alcanzable en el grabado profundo de iones reactivos de silicio debido al transporte dependiente de la relación de aspecto y el efecto de microcarga". Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectrónica y estructuras nanométricas . Sociedad Americana de Vacío. 23 (6): 2319. Código Bibliográfico : 2005JVSTB..23.2319Y . doi : 10.1116 / 1.2101678 . ISSN  0734-211X .

Ver también