Etching Anders Elfwing

Lite om Etsning Föreläsningens mål: Introducera följande begrepp: Torrets/Våtets Isotropi/anisotrpi Selektivitet Torretsning: Våtetsning olika metoder Kisel kristallografi Etsstopp tekniker Förklara: Fysiken/kemin bakom plasma och dess etseffekter Fördelar med olika typer av etsningsmetoder Mål med föreläsningen Ett antal grundbegrepp inom etsning Efter föreläsningen ska ni i stora drag kunna förklara hur etsning går till. Fysiken och kemin bakom och lite fördelar och nackdelar med de olika medoderna .

Torrets/Våtets Etsning är att avlägsna material från en arbetsskiva. Materialborttagning: produkter lösliga/flyktiga. Torrets Våtets Reaktanter Gas fas Vätske fas Produkter Flyktiga Lösliga Mekanism Fysikalisk / Kemisk Kemisk Fördel Specifik, ren Enkel, billig Nackdel Utrustnings-krävande Kontaminerande,svårstyrd Etsning = avlägnsa material från en arbetskiva. Kemisk eller fysikalisk energi gör att produkter blir lättlösliga ofta enligt def mönster. Hur funkar det.Rita! Rörlig Molekyl kommer i kontakt med ytmolekyl- > reaktion sker (till skillnad från upplösning). Resulterande molekyl är rörlig men måste förflyttas från ytan (flöde). Sätt fart på reaktant med temperatur/plasma. Först användes våtets.Idag med submicrometer strukturer är våtets svår pga ytspänning Idag Torr ets. Är absolut vanligast I stora processer. .

Etsers egenskaper Anisotropi/isotropi: riktningsberoende Etsselektvitet Maskmaterial Etshastighet Ytojämnhet Processtålighet Viktiga parametrar när man väljer etsmetod. Tänk på : geometeri, material, noggrannhet, kostnad. Själva etsens: etsas anisotropt eller isotropt? Dvs har etsen ett riktningsberoende. Vilken selektivitet har etsen för olika material – avgör maskmaterial. Hur fort går det. Ytojämnheten. Hur tålig är processen, temperaturreglering, reglering av spänningar/strömmar kontamineringar.

Isotropi/Anisotropi Är etsningsprocessen riktningsberoende? I våtets följer anisotropi kristallplan och i torrets maskens geometri. Riktninsberoende. Isotrop/anisotrop. Isotrop är enkel, billig och snabb. OK när lutningen är oviktig. Kan vara bra för att minska materialspänningar. Aniso – dyrare och långsammare. Raka väggar, viktigt vid små gap. kristallpan Våtets – kemiska reaktionen. Mask och kristallplan definierar. Masstransportbeg. Torrets – kemiskt och fysikaliskt bombardemang. Masken definierar. Andra material kan introduceras för att skapa anisotropi.

Isotrop våtets Isotrop = Alla riktningar etsas lika fort, ~10 µm/min Används för att ”putsa” detaljer, ”polishing etchant” och skapa tunna kiselskivor Oftast syrabaserad HNA ets Består av HF, HNO3 och CH3COOH/H20 Reaktion i två steg: Oxidation av Si med HNO3 HF löser SiO2 Totalreaktion: Si + HNO3 + 6 HF  H2SiF6 + HNO2 + H2O + H2 (g) CH3COOH ger högre etshast pga av mindre autokatalys av HNO3 . Dessutom bättre vätning av Si. Isotrop våtets. Allt etsas alltså lika fort – kan bli masstransport begränsning. Putsande. Syrabaserad. En enkel ets är HNA. Dvs vätefluorid (HF), salpetersyra (nitric acid) och ättiksyra (acetic acid) kontra vatten. Går ut på att jobba i två steg, HNO3 oxiderar kisel.andra oxidanter kan också fungera. Genom att injicera hål valensbandet på Si, hålen attakerar Si och OH- skapar då oxid, HF löser upp kiseloxiden. Totalreaktion: kisel + salpetersyra ger divätekiselhexafluoride + nitrous acid + vatten + vätgas. Ättiksyra gör att det blir mindre sönderfall av HNO3 i vatten till NO3 och proton. Ättiksyra dessutom mindre polärt än vatten. Till Höger syns en etssetup. Ser till att det är rätt temp. Omrörning, gasflöden. Ets setup

HF and BHF Vätefluorid (HF) etsar SiO2 isotropt och selektivt mot Si (2000:1) Hastighet Max vid konc HF (49 %): > 2 μm/min, HF ~1%: 0.1 μm/min Ofta buffrat med NH4F – kontrollerar pH OBS!!! Mycket hälsofarlig, penetrerar vanliga plasthandskar och hud och förstör skelettvävnad. Använd genast motmedel (Kalciumpasta) – annars  amputation Etsar SiO2 isotropt och selektivt, 2000ggr snabbare än Si. Hastighet är över 2 um/min. Ofta buffrat med ammoniumfluorid kallas BHF. SiO2 + 4 HF → SiF4 (g) + 2 H2OSiO2 + 6 HF → H2SiF6 + 2 H2O OBS Extremt farlig process, förbjuden på många ställen. Kräver särskild utbildning/utrustning

Anistrop ets Anisotrop = Olika kristallplan etsas olika fort Används för att skapa specifika strukturer Oftast basbaserad, KOH, NaOH, LiOH, CsOH och RbOH, NH4OH etsar Si anisotropt Reaktionshastighetsbegränsat  temperaturberoende, ökad temperatur  ökad etshastighet, jämnare ytor Anisotropi ratio (AR) = Si+2OH-+2H2O  Si2(OH)22-+2H2 Anisotropa etser – skapar strukturer efter kristallplan. Kan användas för att skapa specifika strukturer som raka kanter, V.grooves, mesas mm. Nästan alltid basbaserad, hydroxidjoner som attackerar Si. Ibland tillsätts alkohol som propanol och isopropanol för att göra långsammare. Är långsammare bättre? Blir lättare att kontrollera processsen. Reaktionshastighetsbegränsat och därmed temperaturberoende. Ökar man temperaturen blir det jämnare och snabbare. Anisotropiratio – hastighet mellan plan

Kristallstruktur Enkristallint kisel har atomerna ordnade i diamant gitter, två sammanflätade fcc Si har fyra kovalenta bindning till sina grannar

Miller index Miller index (hkl) motsvarar plan i kristallen, [hkl] är riktningen vinkelrätt mot planet. Anisotropa etser etsar efter atompackningsdensitet  (111) långsammast Miller index. Tag interceptet med de kristallografiska axlarna. Reciprokt och normalisera till heltal. Tänk på att plan med vanlig parantes, hak är riktning och kursiv parantes är en familj av plan, tex {100} är 100, 010 osv Det finns olika teorier för hur etsning egentligen beror av planen det behöver ni inte fokusera på.

KOH ets Innehåll: KOH 30 – 60 wt%, H2O eller IPA Temperatur: 40 – 100 grader Hastighet: 0.7 – 3 µm/min, högre vid hög temp KOH/H2O (111) < (100) < (110) IPA (111) < (110) < (100) Mask: SiO2, LPCVD nitride Kommentar: under 20 wt % blir ytan mkt skrovlig pga H2 (g). Långsammare ets vid högre wt%. Etsar metall t ex Al och även SiO2 (max ratio 1:400) Kalium hydroxid ets. Finns en mängd varianter med olika viktsprocent och temp. Hastighet givetvis temp beroende, Om man tar med IPA blir etsning plan omvänt, Masker kiseloxid, nitrid, Låga wt och hög T ger skrovlig yta. Ej IC-komponenter eftersom ej selektiv och etsar aluminium. Frätande, Alkalijoner kontanimerar Munstycken i kisel gjorde med KOHets www.gesim.de

Ets stopp För att uppnå en viss membran tjocklek En kontrollerad våtets 1 % noggranhet V-groove metoden Dopat kisel eller elektrokemiskt etsstopp V groove metoden Processer aldrig tillräcklig precisa för att tid ska räcka till – anledningar!??

Ets stopp Dopad kisel etssas inte lika lätt, kan användas som ett etsstopp

Torrets - plasma Torretsning sker i m h a plasmagenerering Plasma: Def: En gas innehållande laddade och neutrala föreningar t ex elektroner, positiva joner, negativa joner, atomer and molekyler Tillför reaktiva substanser; joner, radikaler, i gasfas Skapar en kontrollerad atmosfär Används kommersiellt både subtraktivt och additivt All torretsning bygger på att det skapas plasman. Def . Används för att skapa en mycket kontrollerad, ren atmosfär med reaktiva substanser. Plasma används både add o subtr. Bilden visar syreplasma. Används under lab.

RF plasma Ett osc. E-fält får fria elektroner att oscillera och kollidera med gas molekyler  plasma Plasma vid lägre tryck möjligt Dielektriskt material möjligt att etsa RF plasma – fria elektroner oscillerar – ger plasma. Kräver ej secondary e från katod, Plasma vid lägre tryck möjligt, högre energi kan skapas av ocsill. och dielektrikum möjligt att etsa. Paschens lag följs ändå. RF frekvens ofta 13.56MHZ (kommer ev användas)

Plasma etsning Reaktiva gasföreningar påverkar materialet och flyktiga föreningar skapas Snabb Selektiv Isotrop Gasflöde mycket viktigt, pga s k loading effect PE kemiska reaktioner med neutrala föreningar ger effekt. Isotrop och selektiv Produkter tas bort av vakuum system. Gasflöde mkt viktigt annars uppstår loading effekter. Dvs att det ej finns tillräckligt med reaktanter utnyttjande faktor och residence time viktiga att uppskatta annars ojämn process.

Mekanismer plasmaetsning Exempel med CF4 och Si Etsande föreningar skapas i plasmat, CF3+, CF3, F Diffusion till yta Adsorption till yta Reaktion Desorption Diffusion till gas fas Mekanismer för PE. CF4 och Si. Mha plasma skapas etsande föreningar, fria radikaler, Diffusion av dessa till yta. Dvs ej acc. I Efält. Adsorption, reaktion, desorption och diffusion till gasfas. Viktigt med utbyte av gas.

Sputtring Enkel ”Allt” går etsa Anistrop Långsam Oselektiv Defekter vanliga Sputtring dvs fysikalisk etsning är enkelt, allt går etsa. Relativt ansiotrop. Energin viktigt – vid <3 eV physical adsorption. 10 – 5 keV sputtring, däröver implantering av joner. Men långsamt ofta ett par 100 Å /min. Oselektiv pga den största energin går åt att ”kasta ut” materialet. Defekter vanliga vid sputtring. Facettering: sker alltid pga av att hörnen är lite rundade. Extra problem om dc pga att Efält blir ojämt. Ditching/trenching_ – joner kolliderar med sidan, högre hast i kanter. Endast på tjocka lager. Redeposition:EJ flyktiga substanser hamnar på väggar. Luta och snurra för att undvika. Eller RIE Backscattering: Produkter reagerar i gasfas och återdep. Olika vinkel på inkommande joner: pga scattering på olika joner och efält.

RIE – Reactive ion etch För att öka anisotropin kombineras – kemisk och fysikalisk etsning Jonerna skapar defekter i ytan  underlättad etsning Hög etshastighet CAIBE – chemical assicted ion beam etch är likt RIE men med triod setup och med reaktanter som Cl2 RIBE – reactive ion beam etch jonerna själva som är reaktiva RIE – kombination kemisk och fysikalisk etsning. Eg joner ej reaktiva utan de skapar defekter i ytan som underlättar etsning, Ger anisotropi och hög etshastighet. Varianter är CAIBE (chemically assisted) reaktiva kemikalier ger hög anisotropi. RIBE nästan samma med reaktiva joner.

DRIE - Deep Reactive Ion Etch Två-stegs En två stegs process (utvecklad av Bosch) som itereras hundratals gånger. Steg ett: torrets (viss anisotropi pga mask). Bryt i tid Steg 2. belägg alla ytor (isotropiskt) med polymer Steg 2-1 torrets igen, reagerar med såväl polymer (och när den är genomtuggad underliggande kisel), sidorna angrips också men långsammar pga mask

DRIEDRIE Hög aspect ratio (up to 50:1) Djup etsning (10µm-700µm) Snabb (4-20µm/min) Hög selektivet (70-150:1 for resist, 100-200:1 for oxide masks) Släta sidor Kan användas för att skapa hål rakt igenom kiselskiva (sk vias). Ex silex

Etsprofiler A – fysikalisk sputtring med joner, anisotrop B – kemisk plasma ets, isotrop C - RIE, kombination av A och B, mycket anisotrop D- RIE med inhibitor, ytterst anisotrop A- fysikliskt – anisotrop – lågt tryck, joner med hög kinetisk energi denna förloras genom studsar på sidor och i mask. B – relativt höga tryck med reaktiva gaser ger isotrop ets, dvs undercut. C- Reactive ion etch. Kombinerar A och B. ger bra anisotropi vid rätt inställning. Vanligt för att ta bort residuallager. Om mycket höga strukturer används RIE med inhibitor lager

Torrets, våtets, anisotropisk etsning, isotropi, KOH, HF,DRIE Etsningsordlista Torrets, våtets, anisotropisk etsning, isotropi, KOH, HF,DRIE