804374345348632391-Chapter-4-Etching.pptx

Đây là tài liệu về wet etching

1. Chương 4 Khắc Giới thiệu về khắc axit. Khắc hóa chất ướt: đẳng hướng. Khắc dị hướng của tinh thể Si. Tổng quan về khắc khô. Cơ chế khắc plasma. Các loại hệ thống khắc plasma. Các vấn đề về khắc khô. Phương pháp khắc khô cho nhiều loại màng phim khác nhau. Khắc Si sâu (có thể khắc xuyên qua tấm wafer). 1

2. Loại bỏ vật liệu: quy trình khắc Khắc được thực hiện theo phương pháp “khô” hoặc “ướt”: Khắc ướt sử dụng chất khắc lỏng với các tấm wafer được nhúng trong dung dịch khắc. Khắc ướt rẻ và đơn giản, nhưng khó kiểm soát (không thể tái tạo), không phổ biến trong chế tạo nano nhằm mục đích chuyển mẫu. Khắc khô sử dụng chất khắc pha khí trong plasma, cả về mặt hóa học và vật lý (quy trình phun). Khắc plasma khô có tác dụng với nhiều vật liệu điện môi và một số kim loại (Al, Ti, Cr, Ta, W…). Đối với các kim loại khác, có thể sử dụng phương pháp nghiền ion ( Ar + ), nhưng độ chọn lọc khắc thấp. (do đó, đối với các kim loại không thể khắc khô, tốt hơn là nên tạo mẫu bằng phương pháp nhấc lên) Các chỉ số đánh giá: tốc độ khắc, tính đồng nhất của tốc độ khắc, tính chọn lọc và tính dị hướng. Quá trình khắc bao gồm 3 quá trình: Vận chuyển khối lượng chất phản ứng (qua lớp ranh giới) đến bề mặt cần khắc. Phản ứng giữa chất phản ứng và màng phim cần khắc trên bề mặt. Vận chuyển khối lượng sản phẩm phản ứng từ bề mặt qua lớp ranh giới bề mặt. 2

3. Số liệu về công trạng: tính chọn lọc Khắc bằng phương pháp xói mòn mặt nạ Độ chọn lọc khắc: Tỷ lệ khắc giữa các vật liệu khác nhau, thường càng cao càng tốt. Nhìn chung, phương pháp khắc hóa học có độ chọn lọc cao, phương pháp khắc vật lý (phun, phay) có độ chọn lọc thấp. Đối với chế tạo, độ chọn lọc thường nằm giữa vật liệu màng và vật liệu mặt nạ và được xác định bởi S fm . (f: màng; m: mặt nạ) Nhiệt độ ảnh hưởng đến tính chọn lọc 3

4. Khắc chọn lọc các vật liệu khác nhau Phim được khắc xuyên suốt đến tận đáy, cộng thêm khắc chồng lên để khắc theo chiều ngang tạo thành hình cắt chìm. 4

5. Số liệu công trạng: tính dị hướng Đẳng hướng: tốc độ khắc giống nhau theo mọi hướng. Không đẳng hướng: tốc độ khắc phụ thuộc vào hướng, thường là theo chiều dọc so với chiều ngang. Đối với đẳng hướng, R I = 1. Đối với dị hướng hoàn toàn, R I = 0. CD: chiều quan trọng 5

6. Nói chung, quá trình hóa học (khắc ướt, khắc plasma) dẫn đến khắc đẳng hướng; trong khi quá trình vật lý (bắn phá năng lượng định hướng) dẫn đến khắc dị hướng. Đẳng hướng : Tốt nhất nên sử dụng với các đặc điểm lớn khi độ dốc thành bên không quan trọng và để cắt bớt mặt nạ (để dễ dàng nhấc ra). Mất kích thước quan trọng lớn (CD, tức là kích thước đặc điểm), thường không áp dụng cho chế tạo nano. Nhanh chóng, dễ dàng và rẻ. Dị hướng : Phù hợp nhất để tạo các chi tiết nhỏ có thành bên thẳng đứng, phương pháp chuyển mẫu được ưa chuộng cho chế tạo nano và một số chế tạo vi mô. Thông thường tốn kém hơn. Số liệu công trạng: tính dị hướng 6

7. Chương 4 Khắc Giới thiệu về khắc axit. Khắc hóa chất ướt: đẳng hướng. Khắc dị hướng của tinh thể Si. Tổng quan về khắc khô. Cơ chế khắc plasma. Các loại hệ thống khắc plasma. Các vấn đề về khắc khô. Phương pháp khắc khô cho nhiều loại màng phim khác nhau. Khắc Si sâu (có thể khắc xuyên qua tấm wafer). 7

8. Khắc ướt Khắc ướt chỉ được sử dụng cho đến những năm 1970 khi kích thước đặc điểm >3um. Đối với các đặc điểm có quy mô nhỏ, độ lệch khắc lớn sẽ dẫn đến mất CD (kích thước quan trọng) đáng kể. Đối với ngành công nghiệp IC ngày nay, phương pháp khắc ướt được sử dụng cho các kích thước chi tiết không quan trọng. Ưu điểm: độ chọn lọc cao, thiết bị tương đối rẻ, hệ thống mẻ có năng suất cao, tốc độ khắc có thể rất nhanh (nhiều μm /phút). Nhược điểm: nhìn chung có cấu hình đẳng hướng, sử dụng nhiều hóa chất, kiểm soát quy trình kém (không thể tái tạo được), ô nhiễm hạt quá mức. Tốc độ khắc có thể được kiểm soát bởi bất kỳ một trong ba quá trình nối tiếp sau: vận chuyển chất phản ứng lên bề mặt (phụ thuộc vào nồng độ hóa chất và khuấy…), tốc độ phản ứng (phụ thuộc vào nhiệt độ), vận chuyển sản phẩm phản ứng từ bề mặt (phụ thuộc vào khuấy…). Ưu tiên là có quá trình kiểm soát tốc độ phản ứng vì Tốc độ khắc có thể tăng lên theo nhiệt độ Kiểm soát tốt tốc độ phản ứng – nhiệt độ của chất lỏng dễ kiểm soát Kiểm soát vận chuyển khối lượng sẽ dẫn đến tốc độ khắc không đồng đều: khắc cạnh nhanh hơn. Chất khắc thường được khuấy để giảm thiểu lớp ranh giới và làm cho quá trình khắc đồng đều hơn. 8

9. Khắc ướt đẳng hướng (silicon dioxide) Quá trình khắc có tính đẳng hướng và dễ dàng kiểm soát bằng cách pha loãng HF trong H 2 O. Oxit phát triển nhiệt khắc ở 120nm/phút trong 6H 2 O:1HF  1  m/phút trong HF 49 wt% (tức là không pha loãng như HF mua). Tốc độ khắc nhanh hơn đối với oxit được pha tạp hoặc lắng đọng. Độ chọn lọc khắc cao (SiO 2 /Si) > 100 HF đệm (BHF) hoặc chất khắc oxit đệm (BOE) cung cấp tốc độ khắc đồng nhất Trong quá trình khắc HF thông thường, HF bị tiêu thụ và tốc độ khắc giảm xuống. HF được đệm bằng NH 4 F để duy trì nồng độ HF, thường là 6NH 4 F : 1HF NH 4 F → NH 3 ↑ + HF Tốc độ khắc SiO 2 + 6HF  H 2 SiF 6 +2H 2 O HF rất nguy hiểm! Bởi vì: Đây không phải là loại axit quá mạnh (bạn không cảm thấy đau khi uống HF loãng). Lừa dối: nó trông giống hệt nước. Nó xuyên qua da và tấn công từ từ vào thịt và xương. Có thể đã quá muộn khi bạn bắt đầu cảm thấy đau đớn. 9

10. Khắc đẳng hướng (silicon) Silic được khắc bằng hỗn hợp axit nitric và axit flohydric (HNO 3 có thể được thay thế bằng các chất oxy hóa mạnh khác như H 2 O 2 ) HNO 3 phân hủy một phần thành NO 2 , chất này oxy hóa bề mặt của Si. Sau đó, HF hòa tan SiO 2 . Phản ứng tổng thể là: Axit nitric dư thừa sẽ dẫn đến sự hình thành nhiều silicon dioxide và tốc độ khắc bị hạn chế do HF loại bỏ oxit (đánh bóng). Có thể thêm CH 3 COOH (axit axetic) hoặc H 2 O làm chất pha loãng , nhưng cách khắc thì khác nhau. Axit axetic được ưa chuộng hơn vì nó ngăn chặn sự phân ly HNO 3 . Si + 2NO 2 + 2H 2 O  SiO 2 + H 2 + 2HNO 2 Si + HNO 3 + 6HF → H 2 SiF 6 + HNO 2 + H 2 O + H 2 10

11. Khắc đẳng hướng (silicon nitride) 11

12. 50H 3 PO 4 : 20H 2 O : 1HNO 3 : 1CH 3 COOH Khắc đẳng hướng (nhôm) Nhôm ăn mòn trong hỗn hợp nước, photphoric, nitric và axit axetic. Chuyển đổi Al thành Al 2 O 3 bằng axit nitric (tạo ra H 2 ). Hòa tan Al2O3 trong axit photphoric . Sự thoát khí dẫn đến bong bóng. Tốc độ khắc cục bộ giảm xuống ở nơi hình thành bong bóng, dẫn đến tình trạng không đồng nhất. Al 3+ tan trong nước 12 thể được khắc trong axit hoặc bazơ (pha loãng), chẳng hạn như HCl , HNO3 , H2SO4 , NaOH hoặc KOH, nhưng khó kiểm soát hơn (khắc oxit tự nhiên chậm và không kiểm soát được, sau đó khi đã khắc hết oxit, khắc kim loại Al rất nhanh) . Quá trình khắc có vẻ lặp lại nhiều hơn trong HF pha loãng (pha loãng 1:100), nếu không cần trộn hỗn hợp trên (50H 3 PO 4 …).

13. Người khắc Khắc Không khắc H 3 PO 4 (19), Hac(1), HNO 3 (1), H 2 O(2) Al, SiN , M SiO 2 , Si, PR HF, BOE (HF + NH 4 F) SiO 2 , M Si, SiN , Au H 2 SO 4 (3), H 2 O 2 (1) cá pirahna Hữu cơ, M Si, SiO 2 , SiN I 2 (I),KI(2),H 2 O(10) Âu, M Si, SiO 2 , SiN , M, PR NH4OH (5) , H2O2 ( 1 ) Polyme, Al Si, SiO 2 , SiN , M HNO 3 (64), NH 4 F(3), H 2 O(33) Si, M SiN , PR HCl (3), HNO 3 (1) (nước cường toan ) Au, M khác Cr, Si, SiN , SiO 2 Bản tóm tắt M: kim loại; PR: chất cản quang; Hac : axit axetic Đó chỉ là điểm khởi đầu, có thể sử dụng các tỷ lệ khác nhau. Ví dụ, tỷ lệ chất khắc Al khác với slide trước. Ngoài ra, hầu hết các kim loại đều có thể bị ăn mòn bởi axit (pha loãng), ngoại trừ Ti và Cr tạo thành lớp oxit ổn định dày đặc ở trên cùng. Ti có thể được khắc bằng HF; Cr bằng amoni nitrat 13

14. Chương 4 Khắc NE 343: Công nghệ chế tạo vi mô và màng mỏng Giảng viên: Bo Cui, ECE, Đại học Waterloo, [email protected] Sách giáo khoa: Công nghệ VLSI Silicon của Plummer, Deal, Griffin Giới thiệu về khắc axit. Khắc hóa chất ướt: đẳng hướng. Khắc dị hướng của tinh thể Si. Tổng quan về khắc khô. Cơ chế khắc plasma. Các loại hệ thống khắc plasma. Các vấn đề về khắc khô. Phương pháp khắc khô cho nhiều loại màng phim khác nhau. Khắc Si sâu (có thể khắc xuyên qua tấm wafer). 14

15. Khắc ướt đẳng hướng của Si: tổng quan Sự khắc chọn lọc định hướng của silic xảy ra trong dung dịch hydroxide một phần là do sự đóng gói chặt chẽ hơn của một số định hướng so với các định hướng khác Mật độ mặt phẳng: <111> > <110>, <100> Tốc độ khắc: R(111) << R(110), R(100) Hướng <100> khắc nhanh hơn hướng <111>, với tốc độ khắc R(100) = vài 100  R(111) Nó bị giới hạn bởi tốc độ phản ứng Được sử dụng rất rộng rãi trong MEMS (hệ thống vi cơ điện tử) vì nó không tốn kém, khắc nhanh và dễ kiểm soát. {100} và {110} có 2 liên kết bên dưới bề mặt và 2 liên kết lơ lửng có thể phản ứng. Mặt phẳng {111} có ba liên kết bên dưới bề mặt và chỉ có một liên kết lơ lửng để phản ứng → tốc độ khắc chậm hơn nhiều. 15

16. Một phương pháp khắc ướt đẳng hướng của Si nhiệt độ m/giờ Khắc KOH của <100> Si, dung dịch KOH 30% Ví dụ về khắc KOH: 250 g KOH: 200 g 2-propanol, 800 g H 2 O ở 80 o C 1000 nm/phút của [100] Khắc dừng ở lớp p++ Độ chọn lọc: {111}:{110}:{100}  1:600:400 EDP: xem các slide sau Mô hình khắc của Seidel: Si + 2OH -  Si(OH) 2 2+ + 2e - Si(OH) 2 2+ + 2OH -  Si(OH) 4 + 2e - Si(OH) 4 + 4e - + 4H 2 O  Si(OH) 6 2- + 2H 2 Đây chỉ là mô hình, phản ứng thực tế rất phức tạp. Si(OH) 4 có thể hòa tan. H2 được tạo ra và tạo thành bong bóng . 16

17. Hiệu ứng khắc chậm {111} bằng KOH: quá trình khắc hầu như dừng lại ở mặt phẳng {111}. Ví dụ: đối với wafer (100) Rãnh khắc Khắc “dừng” ở hướng (111) (100) Tấm silicon Mặt nạ khắc: SiO 2 hoặc Si 3 N 4 hoặc Cr/Au Độ chọn lọc khắc đối với oxit nhiệt  1000, đối với nitrua LPCVD  vô cực (>10 4 !). Nhưng KOH tấn công oxit và nitrua PECVD . 17

18. Ví dụ: đối với wafer (100) Đã được sử dụng để chế tạo vòi phun máy in phun bong bóng. 18

19. Mẹo AFM (kính hiển vi lực nguyên tử) (100) tấm wafer Đối với wafer (110) (không phải (100)), có thể tạo rãnh thẳng đứng (không thuôn nhọn). Hướng dọc theo các đường lưới là gì? 19

20. Trong quá trình khắc ướt, độ sâu khắc khó kiểm soát nên cần có lớp dừng khắc. Bên cạnh oxit và nitrua, quá trình khắc có thể được dừng lại bằng hai phương pháp sau, cả hai đều liên quan đến việc pha tạp chất nền silicon. Được kiểm soát bằng cách pha tạp: Si pha tạp hòa tan chậm hơn Si nguyên chất. Được kiểm soát bằng phương pháp dừng khắc điện hóa. Khắc dừng Khắc dừng lại bằng cách pha tạp boron Tốc độ khắc 10 19 - 10 20 Nồng độ Boron mặt nạ Hướng khắc Lớp boron pha tạp nhiều (5-10 m ) x x 5 m Nồng độ Boron 20

21. Dừng khắc điện hóa Khi loại n tiếp xúc với dung dịch, oxit hình thành và quá trình khắc dừng lại. 21 Khi silicon bị phân cực với điện thế anốt đủ lớn so với chất khắc, nó sẽ bị oxy hóa do quá trình thụ động hóa điện hóa, từ đó ngăn cản quá trình khắc. Để quá trình thụ động xảy ra, cần phải có dòng điện chạy qua. Vì vậy, nếu có thể ngăn chặn dòng điện chạy qua, sẽ không có sự phát triển của oxit và quá trình khắc có thể diễn ra. Có thể ngăn chặn dòng điện chạy qua bằng cách thêm cấu trúc diode phân cực ngược.

22. Chương 4 Khắc Giới thiệu về khắc axit. Khắc hóa chất ướt: đẳng hướng. Khắc dị hướng của tinh thể Si. Tổng quan về khắc khô. Cơ chế khắc plasma. Các loại hệ thống khắc plasma. Các vấn đề về khắc khô. Phương pháp khắc khô cho nhiều loại màng phim khác nhau. Khắc Si sâu (có thể khắc xuyên qua tấm wafer). 22

23. Ưu điểm của phương pháp khắc khô Loại bỏ việc xử lý axit và dung môi nguy hiểm Sử dụng một lượng nhỏ hóa chất Hồ sơ khắc đẳng hướng hoặc dị hướng/dọc Khắc định hướng mà không sử dụng hướng tinh thể của Si Chuyển mẫu trung thực vào các lớp bên dưới (mất ít kích thước tính năng) Độ phân giải cao và sạch sẽ Ít cắt giảm hơn Kiểm soát quy trình tốt hơn Các loại khắc khô: Không dựa trên plasma - sử dụng phản ứng tự phát của hỗn hợp khí phản ứng thích hợp. Dựa trên plasma - sử dụng năng lượng tần số vô tuyến (RF) để thúc đẩy phản ứng hóa học. Tại sao phải khắc khô? Nhược điểm của phương pháp khắc khô: Một số loại khí khá độc hại và có tính ăn mòn. Tái lắng đọng hợp chất không bay hơi trên tấm wafer. Thiết bị đắt tiền (200-500 nghìn đô la cho hoạt động R&D, vài triệu đô la cho các công cụ công nghiệp). 23

24. Khắc khô không dựa trên plasma 4Si(r) + 2Cl2 ( g) ---> 4SiCl4 ( g) + 130 kcal/mol Điều này rất hiếm. Ví dụ, Mặc dù có sự gia tăng lớn về năng lượng tự do, nhưng năng lượng hoạt hóa lớn không cho phép các quá trình ở nhiệt độ thấp - phản ứng chỉ có hiệu quả ở trên  800°C. Để thành công với phương pháp khắc "khí", người ta phải thoát khỏi trạng thái cân bằng. Giải pháp là khắc plasma. Một ngoại lệ là quá trình khắc Si bằng XeF 2 ở nhiệt độ phòng . (tương tự đối với BrF 3 và ClF 3 ) XeF 2 là bột màu trắng, có áp suất hơi 3,8 Torr ở 25 o C. Khắc đẳng hướng, khắc không đánh bóng (thô) Độ chọn lọc cao đối với Al, SiO 2 , Si 3 N 4 , chất cản quang và PSG ( kính phospho -silicat). Tốc độ khắc điển hình  1μm/phút Nhiệt được tạo ra trong phản ứng tỏa nhiệt XeF 2 phản ứng với nước (hoặc hơi) để tạo thành HF 2XeF 2 + Si  2Xe (khí) + SiF 4 (khí) Khắc pha khí, không có lực dính giữa cấu trúc được giải phóng và chất nền (không liên quan đến chất lỏng như khắc KOH, do đó không cần sấy khô làm hỏng hoa văn do lực mao dẫn). Phổ biến cho ứng dụng MEMS. Xenon di -florua (XeF 2 ) của Si: MEMS: hệ thống cơ điện tử vi mô 24

25. Khắc dựa trên plasma Khắc định hướng do sự hiện diện của các ion trong plasma và trường điện tự phân cực. (Trường điện tự phân cực không được áp dụng bên ngoài mà được tạo ra một cách tự phát trong plasma RF) Có hai thành phần tồn tại trong huyết tương Các loài ion tạo ra hiện tượng khắc định hướng. Các loài phản ứng hóa học tạo ra khả năng chọn lọc khắc cao. Việc kiểm soát tỷ lệ các thành phần ion/phản ứng trong huyết tương có thể điều chỉnh tốc độ khắc khô và cấu hình khắc. Chất trung tính (khí khắc) Các ion Các gốc tự do hấp thụ phản ứng bề mặt Sản phẩm khí Huyết tương 25

26. Chương 4 Khắc NE 343: Công nghệ chế tạo vi mô và màng mỏng Giảng viên: Bo Cui, ECE, Đại học Waterloo, [email protected] Sách giáo khoa: Công nghệ VLSI Silicon của Plummer, Deal, Griffin Giới thiệu về khắc axit. Khắc hóa chất ướt: đẳng hướng. Khắc dị hướng của tinh thể Si. Tổng quan về khắc khô. Cơ chế khắc plasma. Các loại hệ thống khắc plasma. Các vấn đề về khắc khô. Phương pháp khắc khô cho nhiều loại màng phim khác nhau. Khắc Si sâu (có thể khắc xuyên qua tấm wafer). 26

27. Tổng quan về cơ chế khắc plasma Trong plasma, các loài hóa học trung tính phản ứng (gốc tự do, ví dụ nguyên tử F hoặc các loài phân tử CF 3 ) chủ yếu chịu trách nhiệm cho phản ứng hóa học do số lượng của chúng lớn hơn nhiều so với các ion (ví dụ CF 3 + cũng phản ứng, nhưng với nồng độ thấp trong plasma. Nhưng Ar + không phản ứng và khắc/phun chậm hơn nhiều so với khắc hóa học, ngay cả khi năng lượng ion cao -- nhìn chung khắc hóa học nhanh hơn nhiều so với khắc vật lý). Các gốc tự do và phân tử này cũng đóng vai trò là loài lắng đọng chính trong PECVD. Các gốc tự do này phong phú hơn các ion vì: 1) chúng được tạo ra ở ngưỡng năng lượng thấp hơn (ví dụ < 8eV; để so sánh, Ar được ion hóa ở 15,7eV); và 2) chúng ( các gốc không mang điện ) có thời gian sống dài hơn trong huyết tương. Các gốc trung tính đến bề mặt catốt bằng cách khuếch tán (do đó không định hướng). Hình 10-10 27 Các ion tích điện được tăng tốc về cực âm do tự phân cực. (Trừ khi có năng lượng rất cao >100eV như trong phương pháp khắc chùm ion/phun), bản thân ion không đóng góp đáng kể vào phản ứng hóa học chủ yếu là do nồng độ rất thấp của nó, nhưng sự bắn phá ion có thể tăng cường đáng kể phản ứng hóa học trong phương pháp khắc tăng cường ion.

28. Khắc hóa học: có tính chọn lọc cao nhưng đẳng hướng Do liên kết không hoàn chỉnh (vỏ ngoài không hoàn chỉnh), các gốc tự do (trung tính, ví dụ CF 3 và F từ plasma CF 4 ) là các chất hóa học có khả năng phản ứng cao. Các gốc tự do phản ứng với màng phim để khắc và tạo thành các sản phẩm phụ dễ bay hơi. Khắc hóa học tinh khiết là đẳng hướng hoặc gần đẳng hướng, và hình dạng khắc phụ thuộc vào góc tới và hệ số bám dính của các gốc tự do. Các gốc tự do (không mang điện tích) trong hệ thống plasma có góc tới đẳng hướng. Hệ số bám dính S rất thấp, thường chỉ S 0,01 (tức là hầu hết các gốc tự do hấp thụ rồi bật trở lại mà không phản ứng) . Điều này dẫn đến tính đẳng hướng của quá trình khắc, vì các gốc tự do có thể khắc vùng bên dưới mặt nạ do phản xạ, như thể hiện trong hình. Hình ảnh thu được có vết lõm lớn. Tỷ lệ hấp phụ lên bề mặt 28

29. Hệ số bám dính S “Phản ứng”, ở đây là sự truyền động lượng bằng cách bắn phá vật lý , diễn ra ở mỗi lần bắn, thường bắn ra một vài nguyên tử, do đó S 1. Hầu hết các chất bị hấp phụ chỉ rời khỏi vị trí hấp phụ mà không làm gì cả, do đó S<<1. Hình 10-11 29

30. Thành phần khắc vật lý trong hệ thống khắc plasma (ít quan trọng hơn nhiều so với khắc hóa học) Các ion được tăng tốc về phía mỗi điện cực nhờ độ lệch tự nhiên tích hợp. Các ion như Cl 2 + , CF 4 + , CF 3 + (hoặc Ar + trong quá trình khắc vật lý thuần túy) sẽ va chạm vào bề mặt wafer và loại bỏ vật liệu cần khắc. Định hướng, không chọn lọc - hiệu suất phun tương tự cho các vật liệu khác nhau. (Nhưng CF 3 + cũng có thể khắc Si bằng phương pháp hóa học , sau đó có độ chọn lọc cao) Nó có thể dẫn đến sự lắng đọng lại đáng kể. Plasma Khắc vật lý thuần túy: hệ thống khắc phun Độ tự phân cực thấp khoảng 100V, nhưng năng lượng ion thấp (khoảng 10V) do mất năng lượng va chạm. Do đó, tốc độ nghiền rất thấp trong hệ thống phun, thường chỉ dùng để làm sạch bề mặt. Đây là trường hợp của hệ thống khắc phun với áp suất khí là 10mTorr. Đối với hệ thống nghiền ion chuyên dụng (không có plasma, xem các slide sau), áp suất là 10 -4 Torr hoặc thậm chí thấp hơn (không thể duy trì plasma), dẫn đến đường đi tự do trung bình lớn, năng lượng ion cao và tốc độ nghiền cao. 30

31. Khắc tăng cường ion (IEE): khắc hóa học được hỗ trợ bởi sự bắn phá IEE là quá trình khắc dị hướng (do sự bắn phá ion định hướng) và có tính chọn lọc cao (do phản ứng hóa học). Khắc ion phản ứng ( RIE ) là hình thức phổ biến nhất của IEE. Sự bắn phá ion có thể tăng cường một trong các bước sau trong quá trình khắc hóa học: hấp phụ bề mặt, phản ứng khắc (bằng cách làm hỏng/làm yếu liên kết hóa học của vật liệu cần khắc về mặt vật lý), loại bỏ sản phẩm phụ (lớp ức chế) và loại bỏ chất khắc chưa phản ứng. Lớp ức chế: ví dụ như polyme fluorocarbon hình thành từ CHF 3 trong quá trình khắc SiO 2 . Khi tỷ lệ loại bỏ << tỷ lệ lắng đọng, quá trình lắng đọng ròng sẽ xảy ra, khi đó quá trình này trở nên tương tự như PECVD!! Trên thực tế, RIE và PECVD là những công cụ khá giống nhau, ngoại trừ PECVD thường được làm nóng. Khắc hóa học được tăng cường bằng cách bắn phá ion Chất ức chế được loại bỏ bằng cách bắn phá ion Hình 10-13 31

32. IEE: bằng chứng đầu tiên về cơ chế khắc 32 Khắc bằng pha khí, có hoặc không có sự hỗ trợ của chùm ion Ar . KHÔNG có huyết tương. Khắc rất chậm khi chỉ sử dụng hóa chất hoặc vật lý thuần túy Sự tăng cường ion có thể là do mạng tinh thể silicon bị hư hại/làm yếu đi do sự bắn phá ion, khiến cho quá trình khắc bằng XeF 2 trở nên dễ dàng hơn. Hồ sơ thu được sẽ có tính dị hướng vì các bề mặt nằm ngang bị bắn phá nhiều hơn so với các bề mặt thẳng đứng. Đây là một ví dụ về CAIBE (khắc chùm ion hỗ trợ hóa học), xem các trang trình bày sau

33. Khắc tăng cường ion có tính dị hướng cao Phản ứng thành bên có thể dẫn đến thành phần khắc đẳng hướng. Để ngăn ngừa hiện tượng ăn mòn thành bên, người ta có thể tạo một lớp thụ động (chất ức chế – ngăn chặn phản ứng hóa học) để bảo vệ nó. Sau đó, có sự cạnh tranh giữa phản ứng thụ động hóa và phản ứng khắc. Đối với bề mặt nằm ngang/cơ sở đặc trưng, tốc độ khắc có xu hướng không phụ thuộc vào nhiệt độ do năng lượng ion đầu vào (tức là chất ức chế bị ion bắn ra). Ở thành bên, nhiệt độ của chất nền có thể đóng vai trò quan trọng vì sự thụ động của thành bên phụ thuộc vào độ bay hơi của chất ức chế được kiểm soát bởi nhiệt độ ( gần đây có thể sử dụng chất khắc lạnh ở dưới -100 o C, khi đó lớp thụ động của thành bên không bay hơi). Ngay cả khi không có sự thụ động hóa thành bên, nhiệt độ thấp hơn vẫn làm tăng tính dị hướng vì sự tấn công hóa học vào thành bên bị ngăn chặn ở nhiệt độ thấp. (Sự tấn công vào các bề mặt nằm ngang được hỗ trợ bởi sự bắn phá ion) 33

34. Tỷ lệ lắng đọng chất ức chế cao Tỷ lệ lắng đọng chất ức chế thấp Ví dụ: hồ sơ khắc của Si hoặc SiO 2 Fluoropolymer (như Teflon) trong CHF 3 hoặc CF 4 +H 2 RIE của Si hoặc SiO 2 là chất ức chế. Nếu thêm khí Ar , chất ức chế chủ yếu bị loại bỏ bằng cách bắn phá ion. Do đó, chất ức chế ít bị ảnh hưởng bởi thành bên. Nếu thêm khí O 2 , chất ức chế trên thành bên sẽ bị loại bỏ nhanh hơn ion Ar , nhưng quá trình khắc chất ức chế trên bề mặt nằm ngang thậm chí còn nhanh hơn. Tuy nhiên, ở nhiệt độ rất thấp, chất ức chế SiO x F y (không hoạt động như chất ức chế ở nhiệt độ cao hơn khi nó dễ bay hơi) hình thành khi thêm O 2 , đây là cơ chế để khắc dị hướng nhanh Si bằng phương pháp khắc lạnh . (phương pháp khắc Si sâu, phổ biến cho MEMS – hệ thống cơ điện tử vi mô) Teflon Hình 10-14 34

35. Tính dị hướng do sự bắn phá ion: tóm tắt Do mật độ cực thấp nên các ion không đóng góp nhiều vào quá trình khắc; các gốc trung tính thì có. Vì vậy, ngay cả khi có sự bắn phá ion theo hướng, quá trình khắc tổng thể vẫn có thể khá đẳng hướng. Ví dụ, quá trình khắc SF6 trên Si rất đẳng hướng với phần lõm lớn giống như quá trình khắc ướt. Để đạt được tính dị hướng, có hai cơ chế: Tính dị hướng do năng lượng: sự bắn phá của ion phá vỡ chất nền không phản ứng và gây ra các hư hỏng như liên kết lỏng lẻo và sự sai lệch, khiến chất nền phản ứng mạnh hơn với các chất khắc (electron hoặc photon cũng có thể gây ra sự hoạt hóa bề mặt). Tính dị hướng do chất ức chế: sự bắn phá ion loại bỏ lớp chất ức chế khỏi bề mặt nằm ngang (thành bên vẫn bị thụ động) và phản ứng với chất trung tính chỉ diễn ra trên các bề mặt không bị thụ động này. Người ta có thể nghĩ rằng ion sẽ không giúp ích nhiều vì mật độ của nó thấp hơn nhiều so với gốc tự do. Nhưng ion có hệ số bám dính S1 (mỗi lần bắn phá ion đều được tính), trong khi gốc tự do S0,01 (hầu hết các gốc tự do va chạm với bề mặt và rời đi mà không gây ra tác dụng gì). Sự dị hướng do năng lượng thúc đẩy Tính dị hướng do chất ức chế thúc đẩy 35

36. Chương 4 Khắc NE 343: Công nghệ chế tạo vi mô và màng mỏng Giảng viên: Bo Cui, ECE, Đại học Waterloo, [email protected] Sách giáo khoa: Công nghệ VLSI Silicon của Plummer, Deal, Griffin Giới thiệu về khắc axit. Khắc hóa chất ướt: đẳng hướng. Khắc dị hướng của tinh thể Si. Tổng quan về khắc khô. Cơ chế khắc plasma. Các loại hệ thống khắc plasma. Các vấn đề về khắc khô. Phương pháp khắc khô cho nhiều loại màng phim khác nhau. Khắc Si sâu (có thể khắc xuyên qua tấm wafer). 36

37. Khắc phun và nghiền ion Khắc phun: (khắc bên trong plasma) Cơ chế khắc hoàn toàn là vật lý và năng lượng ion lớn hơn 500 eV . Về nguyên tắc rất giống với phương pháp lắng đọng phun, nhưng mục tiêu trở thành chất nền để khắc. Độ chọn lọc kém (2:1 hoặc 1:1), rất dị hướng. Tốc độ bắn phá phụ thuộc vào năng suất bắn phá, có thể là hàm của góc tới. Các vấn đề bao gồm cắt cạnh ( hiệu suất bắn phá phụ thuộc vào góc tới) , đào rãnh, lắng đọng lại, tích điện và biến dạng đường đi của ion, hư hỏng do bức xạ. Không phổ biến, quá trình khắc quá chậm, mặc dù có thể thêm khí phản ứng (CF4, CCl4, O2) để cải thiện đôi chút khả năng chọn lọc Hình 10-8 Các vấn đề liên quan đến quá trình khắc phun (hoặc bất kỳ quá trình khắc nào có mức độ khắc vật lý/ion cao): a) đào rãnh ở đáy thành bên; b) lắng đọng lại chất cản quang và các vật liệu khác; c) tích điện và biến dạng đường dẫn ion. 37

38. Nghiền vật lý khi sử dụng khí trơ nặng ( Ar ). Plasma được sử dụng để tạo ra chùm ion ( Ar + ), được chiết xuất và tăng tốc để khắc mẫu. (tức là mẫu bên ngoài plasma ) Do đó, mật độ ion (xác định bởi nguồn plasma) và năng lượng ion (xác định bởi điện áp tăng tốc DC – độ lệch theo điện áp DC được áp dụng, không phải theo độ lệch RF như trong hệ thống khắc plasma mật độ cao) có thể được kiểm soát độc lập. Áp suất thấp  10 -4 Torr (thấp hơn RIE 1 bậc), do đó đường đi tự do trung bình lớn và ít mất năng lượng do va chạm. (áp suất thấp như vậy không thể duy trì plasma, do đó nghiền ion không phải là khắc plasma) Điện áp tăng tốc cao (>1kV), dẫn đến tốc độ nghiền  10-30nm/phút. Mặc dù có điện áp cao và áp suất thấp, tốc độ như vậy vẫn < tốc độ RIE thông thường khi quá trình khắc hóa học chiếm ưu thế. Được sử dụng khi không thể thực hiện RIE (do thiếu sự hình thành các chất dễ bay hơi). Thường được sử dụng để khắc Cu, Ni, Au, vật liệu siêu dẫn chứa kim loại… Phay ion hoặc khắc chùm ion (IBE) Trước đây người ta gọi phương pháp nghiền ion, nhưng hiện nay người ta gọi nó là phương pháp khắc chùm ion. 38

39. Nguồn chùm ion plasma RF (ở đây khí phản ứng được thêm vào, vì vậy thực tế đây là CAIBE, xem trang chiếu tiếp theo) Hệ thống khắc chùm ion: cấu hình triode Nguồn chùm ion plasma DC Electron được phun vào mẫu để trung hòa các ion. Nghiêng mẫu để tăng đáng kể tốc độ nghiền. Nhưng sau đó, hiện tượng đổ bóng có thể trở thành vấn đề khi phay các cấu trúc có tỷ lệ khung hình cao. Chùm tia electron đầu tiên được tạo ra bởi dây tóc nóng. Các ion được tạo ra bằng cách bắn phá electron, sau đó được tăng tốc để bắn phá chất nền. 39

40. CAIBE: khắc chùm ion hỗ trợ hóa học, ion Ar trơ , khí phản ứng trung tính được đưa vào buồng dưới, do đó không bị ion hóa, mặc dù một số có thể bị ion hóa do dòng chảy ngược vào vùng plasma hoặc bị bắn phá bởi Ar ion. RIBE: IBE phản ứng, các khí phản ứng được đưa vào vùng plasma cùng với khí Ar , do đó chúng bị ion hóa. RIEB gần như là ví dụ duy nhất mà cùng một ion có cả thành phần vật lý (va chạm ion) và thành phần hóa học (khắc phản ứng). Hệ thống khắc chùm ion hỗ trợ hóa học Thêm khí phản ứng (CF4 , CCl4 , O2 , Cl2 ) để tăng tốc độ khắc và độ chọn lọc. Thông thường phương pháp khắc vật lý vẫn chiếm ưu thế, không cần sản phẩm khắc dễ bay hơi. XeF2 pha khí (không phải plasma) với sự hỗ trợ của ion, khắc hóa học chiếm ưu thế với tốc độ khắc rất cao. Tuy nhiên, sản phẩm khắc SiF4 ở đó lại dễ bay hơi. Ở đây, nó là phương pháp khắc vật lý có hỗ trợ hóa học, khác với RIE là một loại phương pháp khắc hóa học có hỗ trợ vật lý. 40

41. Quá trình hóa học Quá trình vật lý Khắc ướt Khắc plasma Khắc ion phản ứng Khắc plasma mật độ cao Nghiền ion và khắc phun Áp lực Tính chọn lọc Năng lượng (điện) Tính dị hướng Tóm tắt: cơ chế khắc plasma hóa học : các gốc tự do phản ứng với vật liệu cần loại bỏ. Ví dụ: khắc plasma ở áp suất cao gần 1Torr. vật lý hoặc phun phủ: các ion, được tăng tốc bởi điện trường tích hợp (tự phân cực), bắn phá các vật liệu cần loại bỏ. Ví dụ: làm sạch bằng phương pháp phun phủ sử dụng khí Ar trong hệ thống lắng đọng phun phủ. ion tăng cường : kết hợp quá trình hóa học và vật lý, tốc độ loại bỏ vật liệu cao hơn so với từng quá trình riêng lẻ. Ví dụ như khắc ion phản ứng (RIE), là kỹ thuật khắc khô được sử dụng rộng rãi nhất. 41 Hình 10-19