オックスフォードインスツルメンツプラズマ技術による原理、進歩と応用 - マイクロメカニカルシステム（MEMS）エッチング用ボッシュプロセス

トピックがカバー

MEMSの作製にディープエッチングを実現

マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）の製造に深いエッチングを達成するために使用される2つの技術はボッシュプロセスと低温プロセス。年間の両方のシステムとプロセスの開発は、技術が進歩することを可能にしたが、それぞれの基本的な側面は同じままです。我々はナノインプリントリソグラフィのためのナノスケールのエッチングの重要性の高まりを見ている同じタイムスケールでは、ストレージメディアなどどこに>1μmの典型的な開口部を持つまで約10μm以下から500μmまでの深さのMEMS構造の範囲。定義はナノスケールの異なるものの、通常、深さ数ミクロンまでエッチングさ100nmの下の構造を指します。それは、使用することは困難であるボッシュプロセスをエッチングプロセスの性質に起因するこのタイプの構造のため、低温エッチングは、この機能のサイズに適しています。我々はまた、別のプロセスを説明します。

ボッシュプロセスの原理

ボッシュプロセスは、側壁のパッシベーションとマスキングの材料に改良された選択性を提供するために、フルオロカーボンプラズマプロセスを組み合わせたエッチシリコン、フッ素に基づいて、プラズマ化学を使用しています。エッチングとデポジションの間に完全なエッチングプロセスのサイクルが深く、垂直のエッチングプロファイルを達成するために何度も繰り返します。それは、プラズマから小さいながらも、制御電圧降下を持つ、ウェハに到達する前に、高密度プラズマ領域に分解されるソースガスに依存しています。これらはフリーラジカル種のイオンの間違ったバランスを持っているとして、この技術は、反応性イオンエッチング装置（RIE）で実行することはできません。このバランスは、高密度プラズマ装置（HDP）で達成することができます。 HDPの最も広く使用されている形式は、その"誘導結合プラズマ"（ICP）として知られ、高密度プラズマ領域を生成するための誘導結合を使用しています。硫黄六フッ化（SF _6）は、シリコンのエッチングのためのフッ素を提供するために使用される原料ガスである。この分子は容易にフリーラジカルフッ素を解放するために、高密度プラズマで分割されます。側壁のパッシベーションとマスクの保護がoctofluorocyclobutane（CC ₄ F _8）、高密度プラズマでCF ₂と長鎖のラジカルを生成するために開いて壊れるの環状フッ素によって提供されます。エッチングされるサンプルの含フッ素系ポリマーとして、これらは容易に預金。マスク材料のプロファイル、エッチング速度と選択性は、すべてのエッチング工程の効率化、膜工程の効率性または2つのステップの回数の比率を調整することによって制御されます。プロセスは、エッチング前にレジストのハードベーキングを必要としない程度に、フォトレジストの正確な性質に対して比較的鈍感です。実際に、それは特定の構造上、マスクの不況の問題を引き起こす可能性レジストのプロファイルに、この原因の変化として、レジストの高温ベークを避けるのが最善の方法です。

グッドボッシュのエッチング装置の基礎

良いのファンダメンタルズボッシュのエッチングシステムは以下のとおりです。ために使用される機器の重要な機能の数がありますボッシュの処理通常のICPシステムと異なる。

• 高速ポンピング
• 高速応答のマスフローコントローラ
• ウェーハとICPの領域の間に分離
• ICP地域における電力の純粋な誘導性クロストーク
• 壁、蓋とポンプラインを加熱
• 短い混合ガスライン
• 高効率のウエハー冷却

高速ポンピング

高いエッチング速度を達成するために、それはプロセスガスの高いフローを使用する必要があります。これは、ポンプの高効率を使用することによって所望の圧力で達成することができます。一般的に、これは通常はチャンバー/圧力の大きさのために必要と考え、かつ適切な高容量のロータリーポンプでこれをバックアップされるよりも大きい容量のターボ分子ポンプを使用することを意味します。

高速応答のマスフローコントローラ

高速応答のマスフローコントローラーは、のために必要とされるボッシュプロセス 。

ウェーハとICPの領域の間に分離

ウェハとICPの地域間の最小100ミリメートルの分離。フリーラジカルが長いイオンよりも時間が崩壊しているので、これは、フリーラジカルへのイオンの比率を低下させる。より多くのフリーラジカルは、単にシリコンエッチング速度を高める一方、両種は、プロセスで必要とされるが、あまりにも多くのイオンが、プロファイルの問題が発生する可能性があります。

ICP地域における電力の純粋な誘導性クロストーク

ICP地域における電力の純粋に誘導結合。これは、ICPの領域内でプラズマの優れた均一性を与える。容量性カップリングは、イオン密度の違いを引き起こして、コイルの駆動と接地部の間で変化します。イオン密度のこの変化は、両方のプロファイルの均一性に影響を与える、とICPのチューブの材料で攻撃が行われている場合は汚染の影響を（"ブラックシリコン"など）を引き起こす可能性があります。

壁、蓋とポンプラインを加熱

壁、蓋とポンプラインを加熱する必要があります。これは、地域でフッ素樹脂の堆積を低減どこに、ウエハ上の粒子のようなフレークと落ちることがあります。また、信頼性と保守の問題を引き起こす可能性がポンプラインに、ターボポンプの硫黄化合物の堆積を最小限に抑えます。

短い混合ガスライン

マスフローコントローラとプロセスチャンバとの間の短い混合ガスライン。マスフローコントローラの開口部とチャンバーに到達するガスとの間の時間遅延が発生します。混合ガスのラインが短く維持することはより短いステップの時間をできるように、この遅延を最小限に抑えることができます。

高効率のウエハー冷却

高いICPパワーと高いエッチング速度を使用することによって生成されたウェーハから熱を除去する高効率のウエハー冷却

ボッシュプロセスの進歩

ときにボッシュプロセスはもともとMEMのアプリケーションのために導入されたこの手法を用いてシリコンの高いエッチング速度は3-5μm/minの地域にあった。今すぐクレームがために作られているボッシュのプロセス以上50μm/minuteのエッチングの。しかし、これらの高いエッチングレートが非常に低い露光された領域のいくつかの状況下でのみ達成可能であるととしてボッシュプロセスはこれらのレートでエッチング、等方性エッチングとポリマーの形成の間にガスのチョッピングスイッチングを使用して、通常は粗い側壁を残します。また、よくこれらの高いエッチング速度を達成することは所有権のコスト高につながるSF ₆とC ₄ F ₈と大型ターボ分子ポンプ、両方の非常に高いガスの流れを必要とする文書化されています。これらは、実用的な面でほとんどのアプリケーション（側壁の滑らかさ等のデバイスの要件に応じて）として必要とされていない、だけ5-20μm/minの範囲でエッチング速度を必要とせず、さらに低いエッチング速度は、光のために滑らかな側壁を生成するために必要とされていますアプリケーション。実際には、デバイスのニーズの大部分を達成するために、プロセスは、より高いエッチング速度で達成することは不可能な正確なガスの制御とスイッチング、迅速なRFマッチングや高速応答の圧力制御を必要とします。

図1は、エッチングバルクシリコンから典型的な結果を示しています。このプロセスは、ウェハの約30％を上に抵抗パターン形成と150ミリメートルウエハで行われた。これは近い垂直プロファイルと17microns/minuteの速度でエッチングする。高い金利は通常のシリコン側壁の完全なカバレッジを形成しないポリマーフィルムに起因するいくつかの側壁の破壊につながることができるポリマーの時間に比べて高いエッチング時間で、より高いICPの力によって達成される。ウェハ全体のエッチング均一性は± 3％であった。

図1。17μm/minで100μmの深いエッチ

図2。110μmの深さのエッチング

図2は、垂直な側壁と毎分10μm以下の遅い速度でエッチングバルクエッチングプロセスを示しています。図4a - cに示すように比、圧力と消費電力をスイッチングガスを制御することにより、ウェハのエッチングによって10μm/minまでの処理に高い率は、さらに10:1以上のアスペクト比で、滑らかな側壁を達成することができます

図4a。ウェハを通る滑らかな側壁とエッチング

図4b。側壁粗さ

図4C。ウエハを介してエッチング

アスペクト比依存エッチング（ARDE）

与えられた時間内に異なる深さに到達する1つのウェハ上に異なるサイズのトレンチの範囲が、あるとき、この問題が発生します。これは明らかに図5に見られる。この効果は、トレンチよ​​りもビアのより深刻であること、幾何学的です。過去に埋め込み酸化物層またはSOI層にエッチング場合のみに最適化することができますが、現在のプロセスARDEの堆積サイクルを制御することによっては、大規模なオープンに同様の速度でエッチング溝を示している図6に示すように減らしたり、なくすことができますどちらか領域はエッチング。

図5。幅のトレンチの深さの変化

図6。ARDEの制御

埋め込み酸化物層へのダウンエッチング

埋め込み酸化物層までエッチングすると、独自の危険性を持っています。最大の困難は、埋込層を販売されるプロセスの動作を制御しています。プロセスが単純にタイムアウトオーバーエッチング時間を達成するために残っている場合は、これは"ノッチング"原因となる、図7を参照してください。これは、エッチングされた機能の四隅にある酸化物への継続的なエッチです。これは、部分的に埋め込み酸化膜の帯電によって引き起こされる。これは、その領域内側壁の保護を削除し、エッチングされた機能の隅にイオンをプッシュします。これは、横方向のエッチングを引き起こし、エッチング液種により攻撃を可能にする。これは、エッチングではガスの比率との組み合わせでインタフェースに到達するようにRF電力を低減させることでイオンエネルギーを制御することによって制御することができます。最も頻繁に除去するために採用された手法は、実際に所定の周波数でプラテン電力をパルスすることです。これは、電荷がSOIのインターフェイスで構築低減し、従ってインターフェイスでノッチを低減 - これは、図8に見ることができます。デューティサイクル対ノッチングの量が異なるトレンチのサイズについては、図9に示されています。

図7。埋め込 ​​み酸化界面におけるノッチング

図8。RFパルスを用いてSOI界面でのノッチの制御

図9。SOIノッチの制御対デューティサイクルを示すグラフ

ボッシュプロセスのアプリケーション

の代表的なアプリケーションボッシュプロセスは、以下の強調表示されています：

• MEMS
• マイクロ流体工学
• 医療

MEMS

マイクロ流体工学

医療

まとめ

ボッシュプロセスは、側壁の粗さのコストで高いエッチング速度を提供していますが。この粗さを制限するレートは、その後、さらに高い低温プロセスである10 -20μmの、の領域では通常です。のために主張超高エッチレートを達成するためにボッシュのプロセスは、ガスの非常に高いフローを意味し、非常に大きなターボ分子ポンプ、所有権のより高いコストで結果が必要です。 ボッシュプロセスはまた、非常に良好な正のプロファイルは、提供されていませんクライオが可能に。 低温プロセスでは、また、ナノ構造のエッチングにおける成長市場として見ているボッシュプロセスは 、ほとんどのケースではアプリケーションのための望ましくない壁にホタテ貝葉を、。

両方ボッシュプロセスと低温プロセスが統合されたセンサーとアクチュエータの成長分野での使用を見つけるだろうが、 クライオは、ナノスケールの分野で明確な利点があります。最後に、ユーザはそのアプリケーションに最も適したものとなるプロセスを決定する必要があります。

ソース：で"パターン形成、高アスペクト比とシリコンのナノスケールの機能のためのエッチングプロセスの比較" オックスフォードインスツルメンツプラズマ技術 。

このソースの詳細についてはをご覧くださいオックスフォードインスツルメンツプラズマ技術を 。