ETCHING Università degli Studi di Roma “La Sapienza”

ETCHING Università degli Studi di Roma “La Sapienza”
C.D.L. Ingegneria delle Nanotecnologie industriali Corso di MEMS A.A ETCHING Professore Marco Balucani Ingegnere Rocco Crescenzi Studente: Stefano Gay

Sommario Background Wet Etching Dry Etching Nuove Idee Bibliografia

Componente Mems finale
Background Wafer Deposition (e in caso doping) Litography Etch Processo tramite Fotoresist positivo o negativo Componente Mems finale Background

Selettività e Isotropia
Giallo: strato da rimuovere Blu strato che vogliamo rimanga Un etch poco selettivo rimuove il livello superiore, ma attacca anche il materiale sottostante. Un etch altamente selettivo non attacca il materiale sottostante La selettività è definita come il rapporto tra la velocità di etch verticale di due materiali (es maschera e layer, o tra due layer) Selettività Isotropia Rosso: maschera Giallo: strato da rimuovere Un etch isotropo produce pareti arrotondate Un etch anisotropo produce pareti verticali Background

Etching isotropo e anisotropo
La velocità di etching è la stessa in verticale e orizzontale Etching anisotropo La velocità di etching verticale si differenzia da quella orizzontale Etching isotropo Etching anisotropo Etching direzionale Bias: la differenza in dimensione laterale tra forma data dalla maschera e il pattern che effettivamente si ottiene dopo l’etching: più piccolo e’ e minore sarà la dimensione del bias Background

Under cut e Over Etch Background “Under cut”
RL=1, la dimensione del pattern non è ben definita RL=0.5, la dimensione è definita meglio Over Etch: profilo più verticale ma bias più grandi Poco controllo con il wet etching sui film spessi Background

Wet Etching Caratteristiche generali Pulitura Wafer Etch isotropo
RCA Piranha Etch isotropo HNA H3PO4 Etch anisotropo KOH EDP TMAH Anodic etching of p-type silicon Geometrie di etch anisotropo Altri metalli Caso reale - Etching Microfono Mems Wet etching

Caratteristiche Generali
Fase liquida di partenza Trattamento chimico Atmosfera controllata, o bagno chimico reagenti in soluzione che si trasferiscono sulla superficie del wafer per diffusione dove avvengono poi le reazioni Vantaggi: Basso costo e facile da implementare Alta velocità di etching Buona selettività su un gran numero di materiali Svantaggi: Non adeguato per definire caratteristiche < di 1 µm Possibili rischi dovuti alla manipolazione di reagenti chimici Contaminazioni del wafer Wet Etching – Caratteristiche generali

Caratteristiche Generali
Attacchi chimici in soluzioni acide vanno eseguiti sotto cappa aspirante I prodotti di reazione dovranno essere solubili in modo da essere facilmente eliminati Etch Rate: quantità di materiale rimosso nell'unità di tempo Per ottimizzare il processo si cerca di raggiungere un etch rate il più possibile uniforme Un altro fattore importante per il wet etch è la selettività: il processo wet deve essere in grado di attaccare solo un particolare film senza corrodere nè il substrato nè le maschere Wet Etching – Caratteristiche generali

Back side protection Spesso è necessario proteggere il retro del wafer dall’attacco chimico o fisico Protezione meccanica Il wafer viene protetto da un supporto di Teflon (o simili) Protezione chimica Viene fatto uno sputter sul retro del wafer di cera o altri rivestimenti organici. Wet etching – Pulitura Wafer - Piranha

Clean Prima e dopo i processi di etching è importante effettuare fasi di cleaning, allo scopo di evitare che componenti esterni e residui di prodotti di reazione, creino problemi nelle successive reazioni. Vediamo alcuni di questi processi, utilizzati per i wafer di Silicio: RCA PIRANHA Wet etching – Pulitura Wafer - RCA

RCA Rimuovere i contaminanti organici
Soluzione 1:1:5 NH4OH + H2O2 + H2O a 75 o 80 °C Alternativamente è possibile utilizzare una soluzione tipo C5H14NO+ (Choline) diluita con acqua (Summa-Clean) Rimuovere il livello di ossido dove possono essersi accumulati dei contaminanti metallici Soluzione diluita 50:1 H2O:HF Rimuovere le contaminazioni ioniche e metalli pesanti Soluzione 6:1:1 H2O:H2O2: HCl. La pulizia RCA non attacca lo strato di silicio, e solo un sottile strato di ossido è rimosso (al punto II). La procedura è pensata anche per prevenire il ridepositarsi dei metalli contaminanti sulla superficie del wafer. Per abbassare la temperatura e diluire la soluzione è possibile utilizzare ultrasuoni a alta frequenza (0.8-1MHz, chiamati anche Megasonics), che grazie all’elevata energia cinetica staccano fisicamente particelle dalla superficie del wafer Wet etching

RCA – passi di processo Mettere i wafer su un supporto in teflon
Sommergere in soluzione (I) per 10 minuti Rimozione del supporto e risciacquo del wafer in acqua DI per 1 minuto Sommergere in soluzione (II) per 15 minuti Sommergere in soluzione (III) per 10 minuti Essiccare con azoto per rimuovere l’acqua DI Wet etching – Pulitura Wafer - RCA

PIRANHA Soluzione più aggressiva rispetto all’RCA
Soluzione di acido solforico (H2SO4) e perossido di idrogeno (H2O2) in proporzione 5:1(immerso per 10 minuti) Reazione esotermica con temperature fino a150°C. al posto del perossido di idrogeno è possibile utilizzare perossidisolfato di ammonio, (NH4)S2O2 Rimozione del supporto e risciacquo del wafer in acqua DI per 5 minuti Essicazione e raffreddamento a aria per 5 minuti Rimozione del film di ossido (come nell’RCA): soluzione 10:1 H2O:HF Essiccazione a aria e riscaldamento oltre i 100 °C per 3 minuti Wet etching – Pulitura Wafer - Piranha

HNA per l’etch del Si Miscela di acido nitrico HNO3, acido fluoridrico HF, e acido acetico CH3COOH HNO3 ossida il Si, HF rimuove SiO2 formatosi e il ciclo si ripete Si + 4HNO3 -> SiO2 + 2H2O + 4NO2 SIO2 + 6HF -> H2SiF6 + 2H2O La soluzione può essere diluita in H2O o CH3COOH ma si preferisce quest’ultimo per prevenire la dissociazione di HNO3 HNO3+H2O -> NO3- + H3O+ Wet etching – Etch isotropo - HNA

HNA per l’etch del Si Si etch rate: 1-20 μm/min @25°C
Maschere: Si3N4 eccellente (< 1 nm/min) L’agitazione della soluzione migliora l’uniformità di etching Se è presente una alta percentuale di HNO3 la cinetica di etching è limitatata dalla rimozione dell’ossido Se invece è presente una bassa percentuale di HNO3 la cinetica è limitata dalla formazione dell’ossido Il tasso più alto si ha per rapporti: HF-HNO3 di 2:1 Wet etching – Etch isotropo - HNA

HF Selettivo (a temperatura ambiente):
Etch SiO2 e non Si Attacca anche Al, Si3N4, e altri La velocità dipende fortemente dalla temperatura Massimo: 49% HF (“concentrato”) ≈ >2µm/min Controllato: da 5 a 50:1 ≈ <0.1µm/min Pericolosità: Trasparente Acido relativamente debole Penetra la pelle per assorbimento e attacca lentamente Attacca le ossa Geometria di etch Completamente isotropo Reazione SiO2 + 6HF -> H2SiF6(aq) + 2H2O Wet etching – Etch isotropo - HNA

HF tamponato per SiO2 Chiamato anche BOE è una soluzione di HF con NH4F Controllo del Ph della soluzione Rifornisce l’impoverimento di ioni fluoro per mantenere stabili i valori di etch SiO2 + 4 HF + 2 NH4F -> (NH4)2SiF6 + 2H2O Etch isotropo

Acido Fosforico (H3PO4) per Etch SixNy
Selettivo a alta temperatura Etch SixNy e non Si o SiO2 Etch molto più veloce su Al e altri metalli Velocità: Lento (R ≈ > μm/min a 160 °C) Richiesti materiali duri per le maschere Il fotoresist non resiste Spesso utilizzati gli ossidi Geometria: isotropo Wet etching – Etch isotropo - H3PO4

Acido Fosforico (H3PO4) per Etch SixNy
La reazione usata è frequentemente: 4H3PO4+3Si3N4+27H2O ->4(NH4)3PO4+9H2SiO3 è molto efficace nel rimuovere il nitruro mentre non corrode l'ossido di silicio sottostante. Il nitruro di silicio può essere rimosso anche utilizzando una soluzione di acido fluoridrico secondo la reazione: Si3N4+18HF->H2SiF6+2(NH)4SiF6 Problema: In generale abbiamo una situazione di questo tipo: l'acido fluoridrico corrode il nitruro, ma anche l‘ossido di silicio sottostante. La presenza dell'ossido è necessaria in quanto il nitruro di silicio ed il silicio presentano dei coefficienti di dilatazione termica molto diversi. Wet etching – Etch isotropo - H3PO4

Tabella etch isotropo Wet Etching – Etching Isotropico

Struttura del Silicio Reticolo FCC tipo diamante del Silicio
Alcuni dei piani più utilizzati del Si Wet Etching - Etch anisotropo

KOH per etch Si Anisotropo Basico Etch sul Silicio rate 0,5 - 4 μm/min
Etch rate : {110} > {100} >> {111} Temperature di utilizzo elevate (≈80°C) Il fotoresist non resiste a questo attacco SiO2 è attaccato lentamente Si3N4 è lo stop layer migliore Reazione redox: ossidazione + riduzione Si + 2OH-- → Si(OH) e- (ossidazione del Si -> Silicato) 4H2O + 4e- → 4OH- +2H2(gas) (riduzione dell’acqua) Si(OH) OH- → SiO2(OH) H2O (complesso idrosolubile) Si + 2OH- + 2H2O → SiO2(OH) H2(gas) Wet Etching - Etch anisotropo - KOH

KOH Velocità di etch del Si in KOH
Dipendenza dal piano cristallografico Velocità di etch del Si in KOH Dipendenza dalla temperatura Wet Etching - Etch anisotropo - KOH

KOH Geometria di Etching (in basso) Velocità di etch del SiO2 in KOH
Stop Layer: per il silicio si usano strati dopati con Boro (riduzione 5-50 volte dell’etching) Wet Etching - Etch anisotropo - KOH

Tabella riassuntiva KOH
Wet Etching - Etch anisotropo - KOH

EDP Wet Etching - Etch anisotropo - EDP

EDP Anisotropia: (111):(100) ~ 1:35
Tossicità: EDP è corrosivo e cancerogeno Velocità di etch per il Si (111), dipendente comunque dalla Temperatura: 110°C 80 μm/hr = 1.3 μm/min Come maschera è possibile usare diversi elementi: SiO2, Si3N4, Au, Cr, Ag, Cu, e Ta, ma non l’Al perchè viene attaccato da EDP. Degrada in presenza di O2: è possibile aggiungere Pirazina C4H4N2 che ne migliora anche l’etch rate rispetto ai piani {100} Foto di accellerometro realizzato tramite 25 min di EDP etch Wet Etching - Etch anisotropo - EDP

EDP Svantaggi: Vantaggi:
Richiede un impianto sofisticato per evitare fuoriuscite tossiche Arrugginisce qualunque metallo nelle vicinanze Lascia macchie marroni sulla superficie Per tutti questi motivi non è ovviamente compatibile con componenti CMOS Può portare al deposito di Si(OH)4 sulla superficie attaccata, e Al(OH)3 sui pad di Al (è possibile ovviare a questo problema tramite specifici protocolli) Vantaggi: Etch rate maggiore degli altri etch anisotropi sugli angoli convessi Perfetto per produrre l’undercutting, utile a produrre cantilevers Lascia superfici smussate Wet Etching - Etch anisotropo - EDP

TMAH TMAH ((CH3)4NOH) nasce per ovviare a due problemi:
KOH danneggia l’alluminio e non è compatibile con i CMOS a causa della presenza di ioni alcalini EDP richiede un apparato complesso e produce prodotti di reazione altamente tossici che richiedono speciali misure di sicurezza Nonostante gli alti costi e complesso setup, ha buona popolarità perché: Non tossico Compatibile con i CMOS Abbastanza alta velocità di etch su Si È possibile ottenere superfici lisce aggiungendo alla soluzione [SiOx(OH)4-2x]n e (NH4)2S2O8 e passivazione dell’Al Wet Etching - Etch anisotropo - TMAH

TMAH Velocità di etch Si 1 µm/min using 3% TMAH at 80 °C Selettività:
Etch rate Al fino a 0.6 µm/min in 3% TMAH at 80 °C (<KOH) Etch rate SIO2 fino a µm/min in 3% TMAH at 80 °C (<KOH) Anisotropia di una soluzione TMAH (simile a KOH) Wet Etching - Etch anisotropo - TMAH

TMAH Maschere: Si3N4 e SiO2
Stop layer: strato di Si drogato con Boro (10^20cm^-3) Svantaggi: la superficie non è perfettamente liscia, la rugosità è dovuta alle formazioni piramidali random che si formano durante la reazione (fig 1) È comunque possibile ovviare a questo problema aggiungendo alla soluzione gli elementi dopanti descritti prima (fig 2) Fig 1 Fig 2 Wet Etching - Etch anisotropo - TMAH

Anodic etching of p-type silicon
Un altro sistema per fare etch-stop è quello di passivare il wafer di silicio applicando un potenziale positivo e costante, mentre è ancora immerso in un solvente tipo KOH:H2O. Questo sistema può essere utilizzato ad esempio per fabbricare membrane di silicio drogato n. Il sistema si basa su un substrato di silicio in due sezioni, drogate p e n rispettivamente, immerso in un bagno di solvente, e collegato a un elettrodo di platino di riferimento. Tra i due elettrodi viene applicata una differenza di potenziale, in modo che la giunzione p-n sia polarizzata inversamente 10 wafer di Si utilizzato come elettrodo 14 Si n-type 16 Si p-type 12 giunzione p-n 18 Pt controelettrodo 20 elettrodo di riferimento 22 maschera Wet etching – Etch isotropo - Anodic etching of p-type silicon

Come funziona? Inizialmente a causa della presenza della giunzione p-n polarizzata inversamente, nessuna corrente passa, e quindi la reazione non è modificata dal potenziale applicato Lo strato drogato p verrà scavato chimicamente tramite il normale etching anisotropo Quando tutto lo strato p viene consumato, lo strato n è esposto al solvente e influenzato dal potenziale Il potenziale applicato permette la formazione di un sottile strato di ossido che ne passiva la superficie L’ossido viene rimosso molto più lentamente dalla soluzione e può essere usato come etch-stop È stato realizzato un sottile strato di Si drogato n Background

Membrane di Si p-type Questo sistema permette di fare solo strutture di Si n-type. Invertendo il sistema infatti l’etch stop potrebbe avvenire sia su strato p che n poiché la corrente sarebbe libera di fluire Per realizzare strati di tipo p utilizzando la stessa soluzione si usa un sistema simile Siccome la concentrazione delle buche su strati p è > di quella negli strati n, al momento dell’ossidazione (dovuta al potenziale) si forma uno strato di ossido > sullo strato p Utilizzando un potenziale pulsato quindi l’ossido sullo strato p impiegherà più tempo a essere consumato,(88 sec in KOH 20% 60°C) rispetto a quello su n(3 sec) In questo tempo l’etching avviene solo sullo strato n e non sullo strato p; quando l’ossido su p è consumato viene data una scarica successiva e il processo continua fino a scoprire tutto lo strato p Possibile fabbricare anche microstrutture di Silicio drogato solo p Wet etching – Etch isotropo - Anodic etching of p-type silicon

Soluzione di HF Un altro modo per fare etching selettivo sul Si è quello di utilizzare una soluzione di tipo 5% HF:H2O Sul wafer viene fatto un contatto in alluminio protetto dal fotoresist, e collegato a un elettrodo di Pt. Tra i due è stabilita una ddp di 1,5V L’etching è selettivo solo sul Si p scavando anche sotto il Si n (underetching) È possibile formare silicio poroso se il livello di doping è elevato (ND>10^18 cm^3), L’etch-stop avviene quando lo strato p esposto al solvente ha un livello di doping sufficientemente basso Wet etching – Etch isotropo - Anodic etching of p-type silicon

Soluzione di HF Il massimo livello di doping è circa 2,2 x 10^17/cm^2
Etch rate: 1.5 µm/min Processo isotropo Wet etching – Etch isotropo - Anodic etching of p-type silicon

Tabelle riassuntive delle soluzioni anisotrope
Wet Etching - Etch anisotropo

Geometrie di Etching anisotropo del Si <100>, pareti a 54.74°
Si può vedere dalla figura come le intersezioni dei piani {111} e {100} sono mutualmente ortogonali e si seguono la direzione <110>. Utilizzando una maschera correttamente allineata lungo la direzione <110> (ad esempio allineandola con il flat primario) verranno introdotte come pareti laterali solo piani {111}. Dato che i piani {111} vengono rimossi molto più lentamente rispetto agli altri avremo forme a piramide tronca (in caso di maschere quadrate) e cavità a V troncate (maschere rettangolari), praticamente senza underetching. Per una forma di maschera ad esempio circolare risulterà una forma piramidale con la base che circoscrive la forma della maschera. Angoli > 180° subiranno un completo undercut (processo utilizzato per strutture sospese come i cantilevers) Wet etching - Geometrie di etch anisotropo

Wet etching - Geometrie di etch anisotropo

L’inclinazione delle pareti laterali è determinata dall’angolo α che descrive l’intersezione tra le pareti (111) e un piano (110) tanα=L/a con L=a x √2/2 α= 35.26° o 54.74° per l’angolo complementare Wet etching - Geometrie di etch anisotropo

L’ampiezza della base della cavità W0 può essere calcolata tramite la profondità di etch z, l’apertura della maschera Wm e l’inclinazione calcolata in precedenza: W0 = Wm – 2 z cotan(54.74°) o W0 = Wm – z √2 > larghezza della maschera è uguale a > profondità di etch prima che i piani {111} intersechino tra loro, stoppando l’etch (si verifica intorno alle 0.7 volte l’apertura della maschera). Gli angoli risultanti sono definiti dagli stessi piani cristallografici, ed hanno angoli netti, non smussati. Questo significa una forma molto ben definita, ma anche un forte fattore di concentrazione degli stress. Wet etching - Geometrie di etch anisotropo

Geometrie di Etching anisotropo del Si <100>, pareti verticali
In figura vediamo che ci sono dei piani {100}, perpendicolari alla superficie del wafer, che intersecano con la superficie lungo la direzione <100>. Queste direzioni fanno un angolo di 45° con il flat primario del wafer (direzione <110>). Allineando l’apertura della maschera con queste orientazioni <100>, le facce {100} sono introdotte inizialmente come pareti laterali. I piani {110} si scavano più rapidamente di quelli {100}, e quindi non ne sono introdotti. Siccome sia le pareti laterali che il fondo sono di tipo {100}, l’underetch laterale sarà alla stessa velocità dell’etch verticale. E’ possibile dimostrare che anche se la parte superiore è esposta per più tempo all’etch di quella inferiore, le pareti laterali sono effettivamente verticali. Wet etching - Geometrie di etch anisotropo

Larghezza dell’apertura della maschera Wm Mano mano che la profondità z aumenta, la superficie esposta (Wz) non sarà più quella iniziale, ma leggermente maggiore per via dell’underetching Dove Rxy è la velocità di underetching e ∆tz il tempo di etch alla profondità z. L’underetching Uz, dell’effettiva apertura della maschera Wz è dato da: Dove T è il tempo totale trascorso. La larghezza totale Wtot, alla profondità z è dato da: Siccome T può anche essere scritta come misura della profondità totale di etch z diviso per l’etch verticale Rz, si può scrivere: Wet etching - Geometrie di etch anisotropo

La larghezza totale è quindi uguale alla larghezza della maschera più due volte la profondità di etch. Le pareti restano verticali indipendentemente dalla profondità di etch Per tempi sufficientemente lunghi, le superfici {111} possono apparire da superfici {100} verticali. Inizialmente compaiono agli angoli e crescono fino a far scomparire del tutto le pareti {100} Wet etching - Geometrie di etch anisotropo

Geometrie di Etching anisotropo del Si <110>
Visto che le intersezioni dei piani {111} con la superficie (100) sono perpendicolari, si forma un angolo γ con il piano (110) Inoltre le intersezioni non sono parallele (<100>) o perpendicolari (<100>) al piano del wafer (<110> in questo caso) ma fanno angoli δ o δ+γ Quindi non volendo undercut (pareti di soli piani {111}) dovremo usare una maschera a parallelogramma inclinato di γ−90° e δ gradi dall’asse. Gli angoli sono calcolati: Wet etching - Geometrie di etch anisotropo

Si vede anche che i piani {111} sono orientati perpendicolarmente alla superficie (110), e questo permette di avere pareti verticali La parte in basso della cavità a secondo del tempo di etch scopre pieni {110} e/o {100} Siccome {110} vengono attaccati più velocemente degli {100} i piani inferiori {110} si riducono sempre di più formando una forma a V e scoprendo dei piani {100}. ε=45° angolo di intersezione dei piani {100} e {110} alla base Al contrario dei wafer (100) è possibile scavare sotto dei microponti con incrociano a 90° una cavità a V poco profonda (formata da piani (111)); il ponte non può essere perpendicolare alla cavità, ma orientato leggermente fuori dalla normale Wet etching - Geometrie di etch anisotropo

Differenze etching su wafer [100] e [110]
Orientazione Wafer [100] Orientazione Wafer [110] Pareti rivolte verso l’interno a 54.74° Pareti verticali {111} La base parallela alla superficie superiore è ideale per fabricare membrane La base presenta facce multiple di piani {110} e {100} Non è possibile fare undercut ponti perpendicolari a una cavità a V È possibile fare undercut ponti perpendicolari a una cavità a V Forma e orientazione di membrane è facile e conveniente da progettare Forma e orientazione di membrane non è facile e conveniente da progettare La dimensione delle membrane è facile da controllare grazie al non-etching sui piani {111} La dimensione delle membrane non è facile da controllare poiché I bordi <100> non sono dei piani di non-etching Sono possibili strette cavità con ottimo aspect ratio Wet etching - Geometrie di etch anisotropo

Corner Compensation Considerando la maschera perfettamente allineata, agli angoli di strutture quadrate o rettangolari la forma ottenuta non è mai perfetta La deformazione è dovuta a un fenomeno chiamato undercutting Lungo gli angoli convessi infatti la forma viene maggiormente scavata Soluzione: Chimica o Fisica Chimica: è possibile modificare la soluzione di etch (es saturando KOH con isopropanolo (IPA)) ma questo va a spese dell’anisotropia della soluzione Fisica: strutture apposite vengono aggiunte agli angoli della maschera (diverse per ogni soluzione di etch). Queste strutture sono sacrificali, e subendo il normale underetching lungo gli angoli convessi, creano la forma voluta Wet etching - Geometrie di etch anisotropo

Corner Compensation Alcune strutture usate per il corner compensation. Notare l’allineamento lungo i piani <110> e <100> delle strutture sacrificali, e come gli angoli sulla struttura principale siano tutti concavi. A destra i risultati dopo l’etching Wet etching - Geometrie di etch anisotropo

Corner Compensation Piani che si scoprono durante un undercutting. Notare i piani (411) principali responsabili del fenomeno Alcuni layout per proteggere dall’undercutting varie strutture a angoli convessi Wet etching - Geometrie di etch anisotropo

Realizzazione di un cantilever tramite undercutting

Geometrie isotrope e anisotrope

Etching dell’Oro L'oro è estremamente stabile
non può essere ossidato dai normali acidi, quali HCl o HNO3, a causa del suo elevato potenziale elettrochimico. Per l'oro sono possibili due stati di ossidazione Au3+ ,il più comune ed Au+; in entrambi i casi i potenziali sono superiori a quelli propri dell’HCl o HNO3 L'ossidazione dell'oro può, però, avvenire per azione di una miscela, in proporzioni di 1:3 tra gli stessi HCl ed HNO3 concentrati; la miscela è detta acqua regia. Wet etching – Altri metalli

Etching dell’Oro l'acido nitrico funge da ossidante mentre gli ioni Cl - dell'acido cloridrico formano con gli ioni Au3+ dei complessi cloroaurici [AuCl4] -. Il complesso toglie gli ioni Au3+ dalla soluzione e contemporaneamente l'acido nitrico ne ossida degli altri dal metallo; questo, nonostante la Keq della reazione sia sfavorevole, porta tuttavia alla completa solubilizzazione dell'oro. Wet etching – Altri metalli

Etching dell’Alluminio
La formazione di un sottilissimo strato di Allumina (Al2O3) rende l’Al inerte a molte sostanze di etching Per questo la soluzione deve avere un composto che sciolga l’Al2O3, e uno che faccia etch (o ossidi) l’Al Una delle soluzioni più utilizzata è: 65-75% H3PO4 (per dissolvere Al2O3)+ 1- 5% HNO3 (per l’ossidazione di Al) % CH3COOH (per diluire e tamponare) + H2O DI (per diluire e definire la velocità di etch in base alla temperatura di processo usata) Processo isotropo Esotermico (attenzione alla Temperatura) Attenzione anche alle bolle di H2 che possono minare l’omogeneità del processo

Altri metalli Rame e Nichel Cromo Argento 30% FeCl3
5% Piranha (30% H2O2, 70% H2SO4) Cromo Acqua Regia (1:3) Argento Acidi Iodici HNO3 NB Oltre alle tecniche Wet è ovviamente sempre possibile effettuare un etching fisico o fisico/chimico di praticamente tutti i materiali. In particolare lo sputter etching, tecnica puramente fisica come vedremo, è ben indicata anche su tutti questi metalli. Wet etching – Altri metalli

Microfono – passi di processo
Deposizione di uno strato di 0.4 µm di Si drogato n+ Deposizione di uno strato sacrificale e isolante di SiO2 (1 µm) Deposizione per evaporazione di 3 µm di Al Pattern di cavità e elettrodi tramite FR Etching dell’Al Etching del SiO2 Wet etching – Caso reale

Wet etching – Al (caso reale)
3µm di Al depositato su un substrato di silicio con 1µm di livello sacrificale di SiO2. Pattern dell’Al tramite maschera di fotoresist (figura) La miscela per Al è16:4:1 di acido fosforico(H3PO4), acqua deionizzata , e acido nitrico (HNO3) L’etch rate dell’Al è 930 Å/min Wet etching – Caso reale

Etching – passi processo
La struttura viene immersa nella soluzione per 35 minuti creando la struttura con le cavità volute. Per analizzare se l’attacco ha avuto successo viene fatta un’analisi al microscopio (ottico e/o SEM) Vediamo che la cavità non è perfettamente verticale: a causa della scarsa adesione tra FR e Al i bordi tra i due strati sono attaccati dalla soluzione, arrivando a etchare le pareti dell’Al Rimozione dell’ossido sacrificale: immerso in un bagno di soluzione PAD (11-15%NH4F % CH3COOH % H2O + 4-8% OHCH2CH2OH) La soluzione PAD è altamente selettiva rispetto all’Al: Etch sull’Al: 30,6 Å/min Etch sul SiO2: 4300 Å/min Rimozione del fotoresist immergendo il wafer in un bagno di acetone, e poi essiccato a 60°C per 90 secondi Wet etching – Caso reale

Efficacia delle soluzioni usate
Foto al microscopio della superficie immersa nella soluzione PAD dopo 35 minuti. Anche il fotoresist viene staccato ma è poco importante vista l’alta selettività del composto verso l’Al. Foto al microscopio della superficie immersa nella soluzione PAD dopo 70 minuti Wet etching – Caso reale

Risultati Il prodotto finale mostra che lo strato sacrificale tra la membrana di Al e il backplate di Si è stato completamente rimosso. Le pareti laterali non sono perfettamente lisce dovute ai problemi della maschera, ma tutte la cavità sono state correttamente scavate. Wet etching – Caso reale

Dry Etching Plasma Sputter Etching RIE DRIE Etching in fase vapore
Cryogenic Bosch process Etching in fase vapore MIE, ECR e ICP Plasma Systems Dry Etching

Plasma etching Normalmente 0.1<P<5 torr
Si generano nel plasma dei radicali liberi che reagiscono sulla superficie del wafer, attaccandolo da tutte le direzioni, quindi isotropamente. Il gas continene in genere molecole contenenti cloro o fluoro, che favoriscono l’etch di alcuni elementi. Ad esempio CCl4 per etch di Si e Al, CHF3 per SiO2 e Si3N4, o ossigeno per ossidare il fotoresist e facilitarne la rimozione, aumentando la selettività Nota: se sono usate potenze elevate, il bombardamento ionico aumenta, entrando nel sputter etching, di tipo fisico, e con bassa selettività e simmetricità Vantaggi: può avere alta selettività Svantaggi: tendenza a un etching isotropo, con difficoltà di pattern complicati Oggi il Plasma Etching è molto usato per rimuovere il fotoresist usando Plasma basati su O2 (con un processo chiamato ashing) Dry Etching – Plasma

Sputter Etching (Ion Milling)
Basse pressioni (< 10^-4 torr) Bombarda il wafer con ioni di gas nobili energizzati, ad es Ar+, che staccano gli atomi dal substrato per trasferimento di quantità di moto Gli ioni arrivano sul wafer approssimativamente da una sola direzione, rendendo il processo altamente anisotropo, ma poco selettivo Piste di Si sottoposte a Sputter Etching. Il fotoresist è ancora presente, anche se comincia ad avere segni di danneggiamento. Notare l’ottimo trasferimento del pattern dalla maschera sul Si Vantaggi: Alta velocità di etch, ottima resa con pattern anche complessi, etching su qualunque tipo di materiale Svantaggi: La maschera deve essere non erodibile, forti danni sul substrato, poca selettività Dry Etching – Sputter

DRY Plasma Sputter Etching RIE DRIE Etching in fase vapore

RIE Substrato posto all’interno di un reattore insieme a diversi gas
Un plasma viene generato a bassa pressione attraverso un campo elettromagnetico a RF (radio frequenza) Gli elettroni generati vengono accelerati dal campo e colpiscono, muovendosi, sia le pareti della camera che il wafer, caricandolo negativamente Gli ioni, caricati positivamente, provenienti dal plasma vengono attirati sulla superficie del wafer, reagendo con essa, formando una nuova fase gassosa (parte chimica del Rie - isotropa) Gli ioni ad elevata energia cinetica interagiscono con il wafer facendo un’azione simile allo sputtering, ovvero staccando parti del materiale tramite trasferimento di quantità di moto (parte fisica del Rie - anisotropa) Schema di un setup Rie. Due elettrodi (1 e 4, che generano un campo elettrico (3) allo scopo di accellerare gli ioni (2) verso la superficie del campione) Dry Etching – RIE

Le caratteristiche di un Rie
Presenza di una componente anisotropa Processo chimico-fisico Alta direzionalità Pressioni medio-basse Tipicamente single wafer Elevato etch rate Sensibilità al danneggiamento elettrico dei layer da etchare o degli stopping layer E’ possibile controllare quanto il processo deve essere isotropo o anisotropo, aumentando l’etch chimico o quello fisico Superficie finale del target non sempre ottimale (presenza di danneggiamento dovuta all’attacco fisico) Dry Etching – RIE

Rie Tipiche pressioni di processo: 5-150 mtorr
Densità del plasma: ca x 109 / cm2 L’energia degli ioni dipende (e quindi può essere controllata) dal campo elettromagnetico e la pressione nella camera E’ possibile monitorare il termine dell’etch tramite opportuni strumenti: Attraverso un monocromatore Oppure attraverso un interferometro laser Dry Etching – RIE

Dipendenza della Selettività dalla temperatura
Dry Etching – RIE

Rie Monocromatore Interferometro laser
Mostra un tipico tracciato ottenuto facendo l’etch del SiOx su substrato di Si. Si vedono sulle linee blu e rossa picchi relativi a CO, prodotto ottenuto partendo dal SiOx. Nel grafico piccolo vediamo che l’intensità di CO nei prodotti diminuisce; quando arriva a zero tutto il SiOx è stato rimosso Può essere usato sia per monitorare i cambiamenti su una singola superficie riflettente, oppure per comparare due misure: l’altezza della superficie del materiale da rimuovere, e quella del livello successivo Dry Etching – RIE

DRIE Profondità di diverse centinaia di micron possono essere scavate mantenendo le pareti laterali praticamente verticali Due diverse composizioni di gas vengono alternate nel reattore Il primo crea un polimero sulla superficie del substrato Il secondo attacca il substrato Siccome il polimero si dissolve molto lentamente nell’attacco chimico, si depone sulle pareti laterali e le protegge dell’attacco. È possibile raggiungere rapporti altezza : larghezza anche di 50 : 1 Al posto del polimero è possibile passivare le pareti laterali con SiOxFy Indipendente da direzioni cristallografiche Due tecniche più usate: Cryogenic and Bosch Dry Etching – DRIE

Reattività del fluoro con Si e SiO2 in funzione della temperatura
Dry Etching – DRIE

DRIE - Cryogenic Il wafer è raffreddato fino a −110 °C (163 K)
La bassa temperatura rallenta la velocità di reazione chimica, che produce l’etching isotropo Gli ioni invece continuano a bombardare le facce superiori, facendo etching (anisotropo) su di esse I prodotti di reazione formano uno strato passivante che rallenta ulteriormente le reazioni chimiche Il processo produce cavità con pareti praticamente verticali Svantaggi: Le maschere standard si rompono quando sottoposte a temperature estremamente basse I prodotti dell’etching tendono a depositarsi sulla superficie fredda più vicina, compresi substrato e elettrodi Dry Etching – DRIE - Cryogenic

DRIE - Cryogenic Plasma SiF4/O2 o SF6/O2
Il raffreddamento è basilare per la formazione dello strato di SiOxFy passivante, che scompare a temperatura ambiente. Passi di processo (successivi alla pulizia standard del substrato) : L’acqua viene raffreddata a -120 °C Un plasma di O2 viene emesso per 10s per pulire il substrato Il plasma di SF6/O2 viene utilizzato per fare l’etch del substrato; la durata dipende dalla profondità di etch voluta Infine viene uno step di He rilasciato per assicurarsi che il wafer non sia attaccato al supporto raffreddato. Lo strato di cromo usato come maschera viene rimosso usando un solvente apposito (wet) Infine lo strato sacrificale di SiO2 viene rimosso immergendo la superficie in un bagno di HF, e subito dopo essiccato per evitare problemi di stiction Dry Etching – DRIE - Cryogenic

DRIE - Cryogenic Dry Etching – DRIE - Cryogenic
Immagini di applicazioni realizzate con tecnologia cryogenic etching Dry Etching – DRIE - Cryogenic

Bosch process Alterna ripetitivamente tra un attacco al plasma (per il Si viene usato un plasma al SF6) e una deposizione chimica passivante (gas C4F8 crea una sostanza simile al teflon) Ogni fase dura pochi secondi Il livello passivante protegge il substrato dall’attacco chimico, poiché viene sciolto molto lentamente Allo stesso tempo il plasma attacca il livello passivante sul fondo ma non sulle pareti verticali, facendo così un etch verticale di tipo fisico, e esponendo la parte bassa del substrato al successivo attacco chimico. In pratica ci saranno molti attacchi isotropi chimici che hanno luogo per poco tempo e solo alla base della cavità Dry Etching – DRIE – Bosch process

Bosch process – entrando nel particolare
Il Bosch process si basa su la rottura del gas in una regione di plasma ad alta densità (HDP), prima di raggiungere il wafer HDP è chiamato anche inductively coupled plasma ICP perché utilizza un accoppiamento induttivo per generare la regione di plasma a alta densità Con un gas di partenza di SF6 si libera il fluoro che attacca chimicamente il silicio Il secondo step è invece fatto con un plasma di C4F8, che rompendosi rilascia molecole di CF3 e lunghe catene di radicali, che depositandosi sulla superficie e le pareti laterali formano uno strato di protezione di tipo polimerico Il successivo step di SF6 attaccherà la superficie e non le pareti laterali tramite trasferimento di quantità di moto degli ioni nel plasma, lasciando come detto scoperta (e quindi attaccabile chimicamente dal fluoro) la superficie orizzontale e non le pareti laterali Dry Etching – DRIE – Bosch process

Bosch dispositivo Alcune immagini di dispositivi realizzati con il processo Drie - Bosch Dry Etching – DRIE – Bosch process

Differenze fra il Bosch e il Cryo Process
Dry Etching – DRIE – Bosch process VS Cryo Process

DRIE Quello che distingue i processi Drie da quelli Rie è la profondità di etch. La profondità del Rie è intorno ai 10µm alla velocità fino a 1µm/min Drie fino a 600µm o più con velocità fino a 20µm/min Come maschere è possibile usare nickel, cromo o altre maschere metalliche, ma sono costose E’ possibile utilizzare anche strati spessi di fotoresist (es AZ4210 o AZ4620 per il Si) ma presentano alcuni problemi Dry Etching – DRIE

Problemi del fotoresist durante DRie
Le bolle si creano a causa del non corretto riscaldamento del FR e/o preparazione del substrato (e causano un etching non omogeneo) Le reticolazioni sono dovute invece alla transizione vetrosa del FR durante la Drie Esistono procedure apposite da seguire per evitare che entrambi i fenomeni avvengano Dry Etching – DRIE

Etching in fase vapore Il wafer viene inserito in una camera con uno o più gas reattivi Il materiale da asportare viene dissolto sulla superficie tramite reazione chimica con le molecole del gas I due esempi più comuni sono l’uso di acido fluoridrico (HF) gassoso per l’asportazione dell’ossido di silicio o l’uso di di fluoruro di xenon (XeF2) per l’etching del silicio Isotropico Attenzione alla scelta della reazione per evitare prodotti secondari di reazione che condensino sulla superficie o interferiscano con l’etching Dry Etching – Etching in fase vapore

Etching in fase vapore Si + 4F -> SiF4
2XeF2(g) + Si(s) -> 2Xe(g) + SiF4(g) Etch rates: qualche µm/min (fino a 40) Maschere utilizzabili: fotoresist, SiO2, Si3N4, Al, altri metalli Le superfici ottenute hanno una struttura granulare con R= 10 µm Attenzione da porre, alcuni dei gas come XeF2 entrando in contatto con l’aria reagiscono formando ad esempio Xe e HF Dry Etching – Etching in fase vapore

MIE, ECR e ICP Plasma System
Per aumentare le velocità di etch con il Rie è spesso necessario lavorare con elevate energie, ma questo è spesso causa di danni al substrato. Soluzione: aumentare la densità del plasma, aumentando l’energia cinetica del bombardamento ionico. Magnetron Ion Etching (MIE): Dei magneti sono posti in modo da far viaggiare gli elettroni lungo un percorso a spirale, aumentando la permanenza nel gas e quindi la probabilità di colpire una molecola di gas più alta, sostenendo il plasma. Inoltre è possibile evitare le ricombinazioni confinando gli elettroni nel centro del plasma tramite il campo magnetico. Si ottengono alte densità di plasma ottenute per basse energie Dry Etching – MIE, ECR e ICP Plasma System

MIE, ECR e ICP Plasma System
ECR è simile al MIE, tranne per il fatto che si basa sull’interazione tra il campo magnetico e un plasma generato in una camera di risonanza a microonde ICP due sorgenti a RF sono presenti La prima è accoppiata a un elettrodo in modo capacitivo, come in precedenza La seconda è accoppiata induttivamente attraverso le pareti della camera, avvolgendo l’elettrodo attorno ad essa La componente induttiva è ad alta energia ed è usata per generare il plasma La sorgente accoppiata capacitiva è usata per controllare il potenziale per l’applicazione voluta Vantaggi: Bassa potenza, pochi danni al substrato, alta anisotropia e selettività Svantaggi: Complessità e costi Dry Etching – MIE, ECR e ICP Plasma System

PEC con soluzione KOH per whiskers e analisi dislocazioni su n-type GaN
PEC: etch di tipo wet fotoelettrochimico Irradiazione con raggi UV durante l’etching Soluzione KOH 0.02 M. Per soluzioni con < concentrazione l’etching è guidato da effetti diffusivi, e le superfici risultano lisce Per soluzione con > concentrazione l’etching del GaN è rapido e non vi è formazione di whiskers, ma solo di apici e “collinette” Film di 2-3,5 µm di GaN è depositato tramite MOCVD. Substrato (funge anche da stop layer) SiC Maschera 100 nm di Ti Etch rate ≈ 30 nm/min. Nuove Idee

Si formano delle strutture di tipo whiskers di diametro ≈25 nm e lunghezza ≈ 150 nm (fino a 1 µm dopo 60 min di etch), con densità 2 x 109 molto simile alla densità delle dislocazioni misurate sul GaN prima dell’etch. Nuove Idee

E’ possibile correlare whiskers e dislocazioni? Si! Analisi tramite TEM e XTEM mostrano che l’etch attacca in modo minore proprio le zone al di sopra delle dislocazioni, scavando tra queste fino a formare i whiskers. Questo metodo rappresenta quindi sia un approccio per la fabbricazione di nanostrutture GaN, sia un utile sistema per valutare rapidamente e economicamente la qualità di un film di GaN. Fig. 4: Immagini SEM: ricaviamo informazioni riguardo la densità e la distribuzione delle dislocazioni nel GaN Nuove Idee

Etching anisotropo con supporto del laser
Un laser può essere usato per danneggiare le superfici (111), rendendo possibile scavare pareti verticali profonde in un wafer (110) L’energia assorbita di un laser Nd:YAG causa scioglimento o evaporazione anche dei piani (111) lungo la direzione del laser, che possono così essere rimossi con il normale attacco chimico (es KOH) Il processo procede fino a incontrare i piani (111) non consumati dal laser E’ possibile ottenere forme interessanti, come microcanali parzialmente chiusi (fig C) Nuove Idee

Etching anisotropo con supporto del laser
L’energia del laser Nd:YAG (energia di fotone 1.17eV) eccede appena la band gap del Si (1.12 eV), permettendo buon rendimento e facilità di lavorazione In figura vediamo che anche con un’orientazione del wafer (110) è possibile con questa tecnica fare un microponte sospeso su una cavità a V. Dopo l’attacco laser, gli angoli convessi saranno rimossi dall’attacco chimico permettendo la formazione del ponte Nuove Idee

Bibliografia Deposition and Etching of Diaphragm and Sacrificial layer in Novel MEMS Capacitive Microphone Structure - Bahram Azizollah Ganji Burhanuddin Yeop Majlis, SMIEEE Institute of Microengineering and Nanoelectronics (IMEN), Universiti Kebangsaan Malaysia, Bangi, Selangor, MALAYSIA IDepartment of Electrical Engineering, Babol University of Technology, 484 Babol, IRAN Anisotropic Silicon Etch Using KOH INRF application note (Process name: KOH01) - Mark Bachman Method for tmah etching of cmos integrated circuits – Jon Geist – Optical ETC inc., Huntsville, AL(US) Fabrication III – Erli Chen Elettrochemical etch-stop on n-type silicon by injecting holes from a shallow p-type layer – Su- Chee S. Wang, Troy, Mich. – General Motors Corporation, Detroit, Mich A New Technology for Micromachining of Silicon: Dopant Selective HF Anodic Etching for the Realization of Low -Doped Monocrystalline Silicon Structures - C. J. M. EIJKEL, J. BRANEBJERG, M. ELWENSPOEK, AND F. C. M. VAN DE POL REMOVAL OF NANO-PARTICLES BY USING MEGASONIC CLEANING - PACS REFERENCE: Yw /43.25.Nm Holsteyns Frank; Vereecke Guy; Coenen Vanessa; Vos Rita; Paul W. Mertens, IMEC vzw Kapeldreef Heverlee , Belgium Thick Photo Resist Process for DRIE Reactive Ion Etching (RIE) - Professor Nathan Cheung, U.C. Berkeley Comparison of Bosch and cryogenic processes for patterning high aspect ratio features in silicon - Martin J. Walker* Oxford Instruments Plasma Technology

Bibliografia Fabrication of nanoelectromechanical resonators using a cryogenic etching technique - N. Nelson-Fitzpatrick Department of Electrical and Computer Engineering, University of Alberta, Edmonton, Alberta T6G 2V4, Canada and National Institute for Nanotechnology, University of Alberta, Edmonton, Alberta T6G 2V4, Canada Gallium nitride whiskers formed by selective photoenhanced wet etching of dislocations - C. Youtseya , T. Romano, I. Adesida Rapid evaluation of dislocation densities in n-type GaN films using photoenhanced wet etching - C. Youtseya, L. T. Romano, R. J. Molnar, I. Adesida Isotropic Silicon Etching using HF/Nitric/Acetic Acid (HNA) -Standard Operating Procedure Faculty Supervisor: Prof. Robert White, Mechanical Engineering Wet-Chemical Etching and Cleaning of Silicon - Virginia Semiconductor, Inc. Aluminium Etching - Microchemical Wet Etching and Bulk Micromachining Fundamentals of Micromachining - Dr. Bruce K. Gale Etch characteristics of KOH, TMAH and dual doped TMAH for bulk micromachining of silicon - K. Biswas, S. Kal Wet Etching - A.G. Andreou and J. Wang Sistemi micro e nanoelettronici - Ing. Caterina Ciminelli fundamentals of microfabrication - The Science of Miniaturization - Marc J. Madou Potassium Hydroxide (KOH) Anisotropic Silicon Etch - Faculty Supervisor: Prof. Robert White, Mechanical Engineering

Bibliografia http://en.wikipedia.org

ETCHING Università degli Studi di Roma “La Sapienza”

Presentazioni simili

Presentazione sul tema: "ETCHING Università degli Studi di Roma “La Sapienza”"— Transcript della presentazione:

Presentazioni simili

Sul progetto

Feed-back

Entrare

Autorizzarsi attraverso i social network:

ETCHING Università degli Studi di Roma “La Sapienza”

Presentazioni simili

Presentazione sul tema: "ETCHING Università degli Studi di Roma “La Sapienza”"— Transcript della presentazione:

Presentazioni simili

Sul progetto

Feed-back