De Bosch-proces voor het etsen van Micro-Mechanical Systems (MEMS) - Principes, voorschotten en toepassingen van Oxford Instruments Plasma-technologie

Besproken onderwerpen

Het bereiken van Deep Etches in de fabricage van MEMS

De twee technologieën die worden gebruikt om diepe etsen te bereiken in de fabricage van micro-elektromechanische systemen (MEMS) zijn de Bosch-proces en het cryogene proces. Zowel het systeem en proces ontwikkeling door de jaren heen hebben toegelaten dat de technieken om door te gaan, maar de fundamentele aspecten van elk blijven hetzelfde. In dezelfde termijn hebben we het toenemende belang van nanoschaal etsen voor de Nano imprintlithografie gezien, Storage Media etc. Waar MEMS-structuren variëren in diepte van ongeveer 10μm tot 500μm met typische openingen van> 1 uM. Hoewel de definities variëren nanoschaal meestal verwijst naar structuren onder 100nm geëtst tot enkele micrometer diep. Het is moeilijk om het gebruik van Bosch proces voor dit soort structuur als gevolg van de aard van het etsproces, cryo etsen leent zich om deze functie te grootte. We zullen beschrijven ook een alternatief proces.

Het principe van de Bosch-proces

De Bosch-proces maakt gebruik van een op basis van fluor plasmachemie te etsen het silicium, in combinatie met een fluorocarbon plasma proces voor zijwand passivering en verbeterde selectiviteit aan maskeren materialen. Een complete etsproces cycli tussen etsen en depositie stappen vele malen tot diepe, verticale profielen etsen te bereiken. Zij beroept zich op de bron gassen worden opgesplitst in een high-density plasma regio voor het bereiken van de wafer, die een kleine, maar beheerste spanningsval uit het plasma is. Deze techniek kan niet worden uitgevoerd in reactief ion etsen systemen (RIE), omdat deze een verkeerde balans van de ionen aan vrije radicalen soorten. Dit evenwicht kan worden bereikt in high-density plasma systemen (HDP). De meest gebruikte vorm van HDP maakt gebruik van inductieve koppeling voor het genereren van de high-density plasma regio zo staat bekend als "inductief gekoppeld plasma (ICP). Zwavelhexafluoride (SF ₆₎ is de bron gas wordt gebruikt om de fluor voor silicium etsen te bieden. Dit molecuul zal gemakkelijk breken in high-density plasma van vrije radicalen fluor release. De zijkant passivering en masker bescherming wordt verzorgd door octofluorocyclobutane (CC ₄ F _8), een cyclisch fluorocarbon dat openbreekt voor CF ₂ en langere keten radicalen produceren in de high-density plasma. Deze gemakkelijk storting als fluorkoolstofpolymeer op de monsters geëtst. Het profiel, etssnelheid en selectiviteit aan de masker materiaal zijn allemaal gecontroleerd door het aanpassen van de ets stap-efficiëntie, de afzetting stap efficiency of de verhouding van de tijden van de twee stappen. Het proces is relatief ongevoelig voor de precieze aard van de fotolak, in de mate dat het niet moeilijk bakken van de resist voorafgaand aan de etsen nodig hebben. In feite is het het beste om te voorkomen dat hoge temperatuur bakt weerstaan ​​van, omdat dit veroorzaakt variatie in de weerstand profiel, dat masker recessie problemen kunnen veroorzaken op bepaalde structuren.

De Grondbeginselen van een goede Bosch Etsen System

De fundamenten van een goede Bosch ets-systeem worden hieronder beschreven, Er zijn een aantal belangrijke kenmerken van de gebruikte apparatuur voor de verwerking van Bosch die afwijken van normale ICP-systemen:

• Snel Pumping
• Fast Response Mass Flow Controllers
• Scheiding tussen Wafer en ICP regio
• Zuiver inductieve koppeling van de macht in de ICP regio
• Het verwarmen van de Muren, deksel en Pump Lines
• Korte Mixed Gas Line
• High Efficiency Wafer Koeling

Snel Pumping

Om te komen tot een hoge etch tarieven, is het noodzakelijk om hoge stromen van procesgassen te gebruiken. Dit kan alleen worden bereikt op de gewenste druk door het gebruik van hoge rendement pompen. In het algemeen betekent dit dat u een grotere capaciteit Turbomoleculaire pomp dan normaal nodig achtte voor de grootte van de kamer / druk en steun dit met een geschikte hoge capaciteit roterende pomp.

Fast Response Mass Flow Controllers

Snelle reactie mass flow controllers zijn nodig voor de Bosch-proces .

Scheiding tussen Wafer en ICP regio

Minimaal 100mm scheiding tussen wafer en ICP regio. Dit verlaagt de verhouding van de ionen vrije radicalen, zoals de vrije radicalen langere decay tijden dan de ionen. Beide soorten zijn nodig in het proces, maar te veel ionen kan leiden tot het profiel van problemen, terwijl meer vrije radicalen alleen maar verhogen de silicium etssnelheid.

Zuiver inductieve koppeling van de macht in de ICP regio

Zuiver inductieve koppeling van de macht in de ICP regio. Dit geeft een betere uniformiteit van bloedplasma in de ICP regio. Capacitieve koppeling zal variëren tussen de gedreven en geaarde delen van de spoel, waardoor verschillen in ion-dichtheid. Deze variatie van ion-dichtheid heeft invloed op zowel het profiel uniformiteit, en kan leiden tot besmetting effecten (zoals 'zwarte siliconen') als er aanval op de ICP buis materiaal.

Het verwarmen van de Muren, deksel en Pump Lines

De muren, het deksel en pomp lijnen moeten worden verwarmd. Dit vermindert de afzetting van fluorkoolstofpolymeer in gebieden waar het kan vlok en vallen als deeltjes op de wafer. Het minimaliseert ook de afzetting van zwavelverbindingen in de pompen lijn en op de turbo pomp, die kan leiden tot de betrouwbaarheid en het onderhoud problemen.

Korte Mixed Gas Lines

Korte mixed gas lijn tussen de massastroom controllers en het proces kamer. Er zal een vertraging tussen de mass flow controllers opening en het gas het bereiken van de kamer zijn. Het houden van de gemengde gasleiding kort minimaliseert deze vertraging, waardoor kortere stap tijden.

High Efficiency Wafer Koeling

Hoog rendement wafer koeling de afvoer van warmte uit de wafer gegenereerd door het gebruik van hogere machten ICP en hogere etch tarieven

Vooruitgang in de Bosch-proces

Wanneer het Bosch proces oorspronkelijk werd ingevoerd voor MEM toepassingen van de hoogste percentages etsen van silicium gebruik van deze techniek zijn in de streek van 3-5μm/min. Nu claims worden gemaakt voor de Bosch proces van het etsen van meer dan 50μm/minute. Echter, deze hoge etsen tarieven zijn alleen haalbaar onder bepaalde omstandigheden van zeer lage blootgestelde gebieden en als de Bosch-proces maakt gebruik van gas hakken schakelen tussen isotrope etsen en polymeer vorming, etsen aan dit tarief blijft meestal ruw zijwanden. Het is ook goed gedocumenteerd dat te bereiken deze hoge etch tarieven zeer hoog gas stromen van zowel SF _{6-en C-4} F ₈ en grote turbomoleculaire pompen, die leiden tot hoge kosten van eigendom vereist. Deze zijn niet nodig omdat de meeste toepassingen in de praktijk (afhankelijk van het apparaat eisen van de zijwand gladheid enz.), etsen tarieven vereisen alleen in het bereik van 5-20μm/min, en zelfs lagere etch tarieven nodig zijn om een ​​soepele zijwanden produceren voor optische toepassingen. In de praktijk is het bereiken van de meerderheid van het apparaat nodig heeft, het proces vereist nauwkeurige gas-controle en switching, snelle RF-matching en een snelle respons onder controle te houden, die niet kan worden bereikt bij hogere etsen tarieven.

Figuur 1 toont een typisch resultaat van een bulk silicium etsen. Dit proces werd uitgevoerd op een 150mm wafer met gedessineerde weerstaan ​​meer dan ongeveer 30% van de wafer. Dit geëtst met een snelheid van 17microns/minute met een bijna verticale profiel. De hogere tarieven zijn meestal bereikt door hogere machten ICP met een hogere etsen tijd in vergelijking met polymeer tijd die kan leiden tot een aantal zijwand afbraak als gevolg van de polymeerfilm die geen deel een volledige dekking van het silicium zijwand. Etch uniformiteit in de gehele wafer was ± 3%.

Figuur 1. 100 urn diep etsen op 17μm/min

Figuur 2. 110 micrometer diep etsen

Figuur 2 toont een bulk-etsproces geëtst in een langzamer tempo van 10μm per minuut met verticale zijwanden. Door het beheersen van de gasomschakeling ratio's, de druk en macht, kan een hoge snelheid verwerking tot 10μm/min via wafer etsen worden bereikt met gladde zijwanden zoals getoond in de figuren 4a-c, zelfs bij 10:1 of groter aspect ratio's

Figuur 4a. Wafer door middel van etsen met gladde zijwanden

Figuur 4b. Zijwand ruwheid

Figuur 4C. Door middel van wafer etsen

Aspect Ratio Afhankelijk Ets (Arde)

Dit probleem doet zich voor wanneer is er een waaier van verschillende grootte loopgraven op een wafer, die verschillende diepten bereikt in een bepaalde tijd. Dit is duidelijk te zien in figuur 5. Dit effect is geometrisch, wordt strenger voor vias dan voor loopgraven. In het verleden kon alleen worden geoptimaliseerd als etsen naar een begraven oxide laag of SOI laag, maar nu door het beheersen van de afzetting cyclus van het proces Arde kan worden verminderd of beëindigd als weergegeven in figuur 6, die laat zien loopgraven etsen bij vergelijkbare tarieven voor grote open gebieden etsen.

Figuur 5. Trench Dieptevariatie met breedte

Figuur 6. Controle van de Arde

Etsen Omlaag om een ​​Begraven oxidelaag

Etsen naar een begraven oxide laag heeft zijn eigen risico's. De grootste moeilijkheid is bij het beheersen van het gedrag van het proces als het eenmaal raakt het begraven laag. Als het proces wordt gewoon op een getimede over-etsen periode te bereiken, zal dit 'kerven' oorzaak, zie Figure7. Dit is een voortzetting van etsen in het oxide op de hoeken van de geëtste functie. Dit wordt deels veroorzaakt door het laden van de begraven oxide. Dit duwt de ionen in de hoeken van de geëtste functies, het verwijderen van flankbescherming in dat gebied. Dit maakt aanval van de etsmiddel soort, waardoor zijdelingse etsen. Dit kan worden gecontroleerd door het controleren van de ion-energie door het verminderen van de RF-macht als de ets bereikt de interface in combinatie met het gas ratio's. De techniek die het meest frequent aangenomen om te elimineren is om de glasplaat de macht in feite puls op een vooraf bepaalde frequentie. Dit vermindert het opladen te bouwen in het SOI-interface en daarmee vermindert de kerven op het grensvlak - dit kan worden gezien in figuur 8. De hoogte van kerven versus duty cycle is te zien in figuur 9 voor de verschillende trench maten.

Figuur 7. Notching bij begraven oxide-interface

Figuur 8. Beheersing van Notching op SOI-interface met behulp van RF-Pulserende

Figuur 9. Grafiek SOI notch controle vs Duty Cycle

Toepassing van de Bosch-proces

Typische Toepassing van de Bosch-proces zijn hieronder aangegeven:

• MEMS
• Microfluidics
• Medisch

MEMS

Microfluidics

Medisch

Overzicht

De Bosch-proces biedt een hogere etch tarieven, maar ten koste van de zijwand ruwheid. Ter beperking van dit ruwheid de snelheid meestal in de regio van 10-20μm, die nog steeds hoger dan de cryo-proces. Om de ultra hoge etch tarieven gevorderd voor de Bosch proces betekent een zeer hoge stromen van gas en vereist zeer grote turbomoleculaire pompen, die resulteren in een hogere cost of ownership. De Bosch-proces is ook niet bieden een zeer goede positieve profielen, die de Cryo kunnen. De cryo-proces heeft vond ook een groeiende markt in de ets van nanostructuren als de Bosch proces verlaat sint-jakobsschelpen in de muren, die in de meeste gevallen is ongewenst voor de toepassing.

Zowel de Bosch-proces en de Cryo-proces vindt gebruik in het groeiende gebied van geïntegreerde sensoren en actuatoren, maar Cryo heeft duidelijke voordelen in de nanoschaal arena. Op het einde moet de gebruiker beslissen welk proces het meest geschikt is voor hun toepassing.

Bron: "Vergelijking van etsen processen voor patroonvorming high aspect ratio en nanoschaal functies in silicium" van Oxford Instruments Plasma-technologie .

Voor meer informatie over deze bron kunt u terecht op Oxford Instruments Plasma-technologie .