فرآیند اچینگ خشک

فرآیند اچ خشک معمولاً از چهار حالت اصلی تشکیل شده است: قبل از اچ، اچ جزئی، فقط اچ کردن و اچ کردن بیش از حد. مشخصه های اصلی عبارتند از سرعت اچینگ، گزینش پذیری، بعد بحرانی، یکنواختی و تشخیص نقطه پایانی.

 شکل 1 قبل از اچ کردن

شکل 2 حکاکی جزئی

شکل 3 فقط حکاکی

شکل 4 حکاکی بیش از حد

(1) نرخ اچینگ: عمق یا ضخامت ماده اچ شده حذف شده در واحد زمان.

شکل 5 نمودار سرعت اچینگ

(2) انتخاب پذیری: نسبت نرخ اچ مواد مختلف اچ.

شکل 6 نمودار انتخاب

(3) بعد بحرانی: اندازه الگو در یک منطقه خاص پس از اتمام اچ.

شکل 7 نمودار ابعاد بحرانی

(4) یکنواختی: برای اندازه گیری یکنواختی بعد حکاکی بحرانی (CD) که عموماً با نقشه کامل CD مشخص می شود، فرمول این است: U=(Max-Min)/2*AVG.

شکل 8 نمودار شماتیک یکنواختی

(5) تشخیص نقطه پایان: در طول فرآیند اچینگ، تغییر شدت نور به طور مداوم تشخیص داده می شود. هنگامی که شدت نور مشخصی به طور قابل توجهی افزایش یا کاهش می یابد، اچینگ پایان می یابد تا نشان دهنده اتمام لایه خاصی از اچینگ فیلم باشد.

شکل 9 نمودار شماتیک نقطه پایانی

در حکاکی خشک، گاز با فرکانس بالا (عمدتاً 13.56 مگاهرتز یا 2.45 گیگاهرتز) تحریک می شود. در فشار 1 تا 100 Pa، میانگین مسیر آزاد آن از چند میلی‌متر تا چند سانتی‌متر است. سه نوع اصلی اچینگ خشک وجود دارد:

•حکاکی خشک فیزیکی: ذرات شتاب دار به طور فیزیکی سطح ویفر را می پوشند

•حکاکی خشک شیمیایی: گاز با سطح ویفر واکنش شیمیایی می دهد

•حکاکی خشک فیزیکی شیمیایی: فرآیند اچ فیزیکی با ویژگی های شیمیایی

1. حکاکی پرتو یونی

حکاکی پرتو یونی (Ion Beam Etching) یک فرآیند پردازش خشک فیزیکی است که از پرتو یون آرگون پر انرژی با انرژی حدود 1 تا 3 کو برای تابش سطح مواد استفاده می کند. انرژی پرتو یونی باعث برخورد آن و حذف مواد سطح می شود. فرآیند اچ در مورد پرتوهای یونی فرودی عمودی یا مورب ناهمسانگرد است. با این حال، به دلیل عدم گزینش پذیری آن، تمایز واضحی بین مواد در سطوح مختلف وجود ندارد. گازهای تولید شده و مواد اچ شده توسط پمپ خلاء تخلیه می شوند، اما از آنجایی که محصولات واکنش گاز نیستند، ذرات روی دیواره های ویفر یا محفظه رسوب می کنند.

برای جلوگیری از تشکیل ذرات، می توان گاز دوم را وارد محفظه کرد. این گاز با یون های آرگون واکنش داده و باعث فرآیند اچینگ فیزیکی و شیمیایی می شود. بخشی از گاز با مواد سطح واکنش می دهد، اما همچنین با ذرات صیقلی واکنش داده و محصولات فرعی گازی را تشکیل می دهد. تقریباً همه انواع مواد را می توان با این روش اچ کرد. به دلیل تابش عمودی، سایش دیوارهای عمودی بسیار کم است (ناهمسانگردی بالا). با این حال، به دلیل انتخاب کم و سرعت اچ پایین، این فرآیند به ندرت در ساخت نیمه هادی های فعلی استفاده می شود.

2. اچ پلاسما

اچینگ پلاسما یک فرآیند حکاکی شیمیایی مطلق است که به عنوان اچ شیمیایی خشک نیز شناخته می شود. مزیت آن این است که باعث آسیب یونی به سطح ویفر نمی شود. از آنجایی که گونه های فعال در گاز اچینگ آزادانه حرکت می کنند و فرآیند اچینگ همسانگرد است، این روش برای برداشتن کل لایه فیلم (مثلاً تمیز کردن قسمت پشتی پس از اکسیداسیون حرارتی) مناسب است.

راکتور پایین دست نوعی راکتور است که معمولاً برای اچ پلاسما استفاده می شود. در این راکتور، پلاسما با یونیزاسیون ضربه ای در میدان الکتریکی با فرکانس بالا 2.45 گیگاهرتز تولید و از ویفر جدا می شود.

در ناحیه تخلیه گاز ذرات مختلفی در اثر ضربه و تحریک تولید می شوند که از جمله آنها رادیکال های آزاد می باشد. رادیکال های آزاد اتم ها یا مولکول های خنثی با الکترون های غیراشباع هستند، بنابراین بسیار واکنش پذیر هستند. در فرآیند اچ پلاسما، برخی از گازهای خنثی مانند تترافلورومتان (CF4) اغلب استفاده می شود که برای تولید گونه های فعال با یونیزاسیون یا تجزیه وارد ناحیه تخلیه گاز می شوند.

به عنوان مثال، در گاز CF4، به ناحیه تخلیه گاز وارد شده و به رادیکال های فلوئور (F) و مولکول های دی فلورید کربن (CF2) تجزیه می شود. به طور مشابه، فلوئور (F) را می توان با افزودن اکسیژن (O2) از CF4 تجزیه کرد.

2 CF4 + O2 —> 2 COF2 + 2 F2

مولکول فلوئور می تواند تحت انرژی ناحیه تخلیه گاز به دو اتم مستقل فلوئور تقسیم شود که هر کدام یک رادیکال آزاد فلوئور هستند. از آنجایی که هر اتم فلوئور دارای هفت الکترون ظرفیتی است و تمایل دارد به پیکربندی الکترونیکی یک گاز بی اثر برسد، همه آنها بسیار واکنش پذیر هستند. علاوه بر رادیکال های آزاد فلوئور خنثی، ذرات باردار مانند CF+4، CF+3، CF+2 و غیره در ناحیه تخلیه گاز وجود خواهند داشت. پس از آن، تمام این ذرات و رادیکال های آزاد از طریق لوله سرامیکی وارد محفظه اچ می شوند.

ذرات باردار را می توان با توری های استخراج مسدود کرد یا در فرآیند تشکیل مولکول های خنثی برای کنترل رفتار آنها در محفظه اچ دوباره ترکیب کرد. رادیکال‌های آزاد فلوئور نیز تحت نوترکیبی جزئی قرار می‌گیرند، اما همچنان به اندازه کافی فعال هستند تا وارد محفظه اچ شوند، روی سطح ویفر واکنش شیمیایی نشان دهند و باعث جدا شدن مواد شوند. سایر ذرات خنثی در فرآیند اچ شرکت نمی کنند و همراه با محصولات واکنش مصرف می شوند.

نمونه هایی از لایه های نازکی که می توان در حکاکی پلاسما اچ کرد:

• سیلیکون: Si + 4F—> SiF4

• دی اکسید سیلیکون: SiO2 + 4F—> SiF4 + O2

• نیترید سیلیکون: Si3N4 + 12F—> 3SiF4 + 2N2

3. اچ کردن یون واکنشی (RIE)

حکاکی یون واکنشی یک فرآیند اچ شیمیایی-فیزیکی است که می‌تواند انتخاب‌پذیری، مشخصات اچینگ، سرعت اچ، یکنواختی و تکرارپذیری را به دقت کنترل کند. این می تواند به پروفیل های حکاکی همسانگرد و ناهمسانگرد دست یابد و بنابراین یکی از مهمترین فرآیندهای ساخت لایه های نازک مختلف در تولید نیمه هادی است.

در طول RIE، ویفر روی یک الکترود با فرکانس بالا (الکترود HF) قرار می گیرد. از طریق یونیزاسیون ضربه ای، پلاسمایی تولید می شود که در آن الکترون های آزاد و یون های دارای بار مثبت وجود دارند. اگر ولتاژ مثبتی به الکترود HF اعمال شود، الکترون های آزاد روی سطح الکترود تجمع می یابند و به دلیل تمایل الکترونی که دارند نمی توانند دوباره الکترود را ترک کنند. بنابراین، الکترودها تا 1000- ولت (ولتاژ بایاس) شارژ می شوند، به طوری که یون های کند نمی توانند میدان الکتریکی با سرعت در حال تغییر را به سمت الکترود با بار منفی دنبال کنند.

در حین حکاکی یونی (RIE)، اگر میانگین مسیر آزاد یون ها زیاد باشد، در جهت تقریباً عمود بر سطح ویفر برخورد می کنند. به این ترتیب، یون‌های شتاب‌گرفته، مواد را از بین می‌برند و از طریق اچ فیزیکی، یک واکنش شیمیایی تشکیل می‌دهند. از آنجایی که دیواره های جانبی تحت تأثیر قرار نمی گیرند، پروفیل اچ ناهمسانگرد باقی می ماند و سایش سطح کوچک است. با این حال، گزینش پذیری چندان بالا نیست زیرا فرآیند اچ فیزیکی نیز رخ می دهد. علاوه بر این، شتاب یون ها باعث آسیب به سطح ویفر می شود که برای ترمیم آن نیاز به بازپخت حرارتی دارد.

بخش شیمیایی فرآیند اچ با واکنش رادیکال‌های آزاد با سطح تکمیل می‌شود و یون‌ها به طور فیزیکی به مواد برخورد می‌کنند به طوری که روی ویفر یا دیواره‌های محفظه رسوب نمی‌کند و از پدیده رسوب مجدد مانند حکاکی پرتو یونی جلوگیری می‌کند. هنگام افزایش فشار گاز در محفظه اچینگ، میانگین مسیر آزاد یونها کاهش می یابد، که تعداد برخورد بین یونها و مولکولهای گاز را افزایش می دهد و یونها در جهات مختلف پراکنده می شوند. این منجر به اچ جهت کمتر می شود و فرآیند اچ را شیمیایی تر می کند.

پروفیل های اچ ناهمسانگرد با غیرفعال کردن دیواره های جانبی در حین اچ سیلیکونی به دست می آیند. اکسیژن وارد محفظه اچ می شود، جایی که با سیلیکون حکاکی شده واکنش می دهد و دی اکسید سیلیکون را تشکیل می دهد که روی دیواره های عمودی رسوب می کند. به دلیل بمباران یونی، لایه اکسید روی نواحی افقی برداشته می‌شود و اجازه می‌دهد تا فرآیند اچ جانبی ادامه یابد. این روش می تواند شکل پروفیل اچ و شیب دیواره های کناری را کنترل کند.

نرخ اچ تحت تأثیر عواملی مانند فشار، قدرت ژنراتور HF، گاز فرآیند، سرعت جریان گاز واقعی و دمای ویفر قرار می‌گیرد و دامنه تغییرات آن زیر 15 درصد نگه داشته می‌شود. ناهمسانگردی با افزایش توان HF، کاهش فشار و کاهش دما افزایش می یابد. یکنواختی فرآیند اچینگ توسط گاز، فاصله الکترودها و مواد الکترود تعیین می شود. اگر فاصله الکترود خیلی کم باشد، پلاسما نمی تواند به طور یکنواخت پراکنده شود و در نتیجه یکنواختی ایجاد نمی شود. افزایش فاصله الکترود باعث کاهش سرعت اچ می شود زیرا پلاسما در حجم بیشتری توزیع می شود. کربن ماده الکترود ترجیحی است زیرا پلاسمای صاف و یکنواختی تولید می کند به طوری که لبه ویفر به همان روشی که مرکز ویفر تحت تأثیر قرار می گیرد.

گاز فرآیند نقش مهمی در گزینش پذیری و سرعت اچ دارد. برای ترکیبات سیلیکون و سیلیکون، فلوئور و کلر عمدتاً برای دستیابی به اچ استفاده می شود. انتخاب گاز مناسب، تنظیم جریان و فشار گاز و کنترل سایر پارامترها مانند دما و توان در فرآیند می تواند به نرخ اچ، انتخاب پذیری و یکنواختی مطلوب دست یابد. بهینه سازی این پارامترها معمولاً برای کاربردها و مواد مختلف تنظیم می شود.

فرآیند اچ کردن به یک گاز، مخلوط گاز یا پارامترهای فرآیند ثابت محدود نمی شود. به عنوان مثال، اکسید بومی روی پلی سیلیکون را می توان ابتدا با نرخ اچ بالا و گزینش پذیری کم حذف کرد، در حالی که پلی سیلیکون را می توان بعدا با گزینش پذیری بالاتر نسبت به لایه های زیرین اچ کرد.

—————————————————————————————————————————————————— ———————————

Semicera می تواند ارائه دهدقطعات گرافیت, نمد نرم / سفت, قطعات کاربید سیلیکون,قطعات کاربید سیلیکون CVD، وقطعات با پوشش SiC/TaC با در 30 روز

اگر به محصولات نیمه هادی فوق علاقه مند هستید،لطفا در اولین بار با ما تماس بگیرید.

تلفن: +86-13373889683

WhatsAPP: +86-15957878134

Email: sales01@semi-cera.com