Травление микро- и нано структур Травление используется для переноса рисунка фоторезистивной маски в нижележащий слой материала посредством его селективного удаления. Классификация методов травления: Жидкостное травление – это процесс удаления вещества, реализуемый с помощью гетерогенных химических реакций на границе раздела двух фаз – жидкости и твердого тела. Вакуумно-плазменные (сухие) методы травления Ионное травление Плазмохимическое травление реактивное ионное травление 1

Процессы травления характеризуются следующими основными параметрами: Скорость травления V тр определяется толщиной слоя d, удаляемого за время t: Селективность травления – это отношение скорости травления подложки (рабочего слоя) V тр.п к скорости травления резистивной маски V тр.м : Анизотропия травления – это отношение скорости травления в вертикальном направлении к скорости травления в горизонтальной (боковом) направлении: 2

Разрешение, достигаемое в результате процесса травления, является критерием качества переноса рисунка и определяется двумя параметрами. A= d /δ Выражая степень анизотропии через параметры элемента, формируемого к концу процесса травления, можно записать: Для освоения области субмикронных размеров основной задачей становится повышение разрешающей способности процессов травления, для чего в первую очередь необходима высокая степень их анизотропии. для bм = 0,2 мкм и d = 1 мкм при А = 10 можно получить минимальный размер bmin 0,4 мкм, а при А = 100 – bmin 0,22 мкм. 3

Жидкостное химическое травление Этот метод основан на удалении вещества за счет химических реакций на границе раздела жидкость – твердое тело. Типичный процесс травления включает в себя следующую последовательность реакций: – диффузия реагента к поверхности твердой фазы; – адсорбция реагента; – поверхностная реакция; – десорбция продуктов взаимодействия; – диффузия продуктов реакции от поверхности. В состав травителей обычно включают: 1) растворитель, который является средой для образования гомогенной системы; 2) окислители, которые образуют оксиды или другие продукты продукты окисления на поверхности полупроводника; 3) комплексообразователи, которые растворяют продукт окисления и удаляют его с поверхности; 4) ускорители или замедлители первых двух реакций, если они протекают с такой скоростью, что ими трудно управлять; 5) специальные добавки, сообщающие травителю селективные свойства. 4

Жидкостное травление обычно осуществляется в ваннах (групповая обработка) или в установках поштучной обработки пластин. В последнем случае распыление травителя сочетается с вращением пластины при обработке. К достоинствам жидкостного травления относятся отсутствие генерации структурных дефектов, существенного изменения электронных свойств поверхности, большой выбор химических реагентов, высокая селективность и производительность процесса. Недостатки: обычное жидкостное травление имеет изотропный характер (коэффициент анизотропии А = 0) и в случае формирования субмикронных структур не позволяет получить профиль травления с вертикальными стенками и сохранить размеры изображения в допустимых пределах. Этих недостатков можно избежать, используя методы сухого травления. Сухое травление дает возможность проводить травление подложки анизотропно и с высокой точностью. 5

6

Ионное травление Ионное травление обусловлено удалением поверхностных слоев материалов в результате физического распыления высокоэнергетическими ионами инертных газов. Если обрабатываемый материал помещен на электродах или держателях, соприкасающихся с плазмой разряда, то травление в таких условиях называют ионно-плазменным. Если материал помещен в вакуумную зону обработки, отделенную от области плазмы, то травление в этих условиях называют ионно-лучевым. Скорость травления Vтр можно записать как Vтр= d/t, где d – глубина травления материала (толщина удаленного слоя); t – время травления. 7

8

Для качественной передачи изображения на подложку при ионном травлении маска должна удовлетворять следующим требованиям: быть высокоразрешающей и иметь угол наклона боковых стенок как можно ближе к 90°, быть стойкой к воздействию ионной бомбардировки и температуры, иметь минимальную скорость травления по отношению к скорости травления материала подложки. Селективность ионного травления определяется отношением коэффициентов распыления маски Kм и подложки Kп, поэтому через маску толщиной dm можно протравить подложку на глубину 9

Схема ионно-лучевого травления: 1 – подложкодержатель; 2 – эмиттер электронов (нейтрализатор); 3 – источник ионов 10

Реактивное ионное травление отличается от ионного тем, что технологический слой, нанесенный на подложку, бомбардируется ионами химически активных газов O 2, N 2 или галогенов газов (CF 4, C 3 F 8, CHF 3 и CCl 3 ). Реактивное ионное травление подразделяется на реактивное ионно-лучевое (РИЛТ) и реактивное ионно-плазменное (РИПТ) травление. Реактивное ионно-лучевое травление выполняют пучком ионов химически активных газов, вытягиваемых из источника ионов (рис. сл. 10) 11 Системы РИПТ представлены на рисунке Схема ионно-плазменного высокочастотного травления: 4 – анод; 5 – ионы; 6 – ионная оболочка катода; 7 – подложка; 8 – катод

12 Процессы реактивного ионного травления основаны на химическом разрушении технологического слоя, нанесенного на подложки, ионами и радикалами активных газов, образующихся в газоразрядной плазме. В качестве рабочего газа используют такие галогеносодержащие газы, как CF 4, C 3 F 8, CHF 3 и CCl 3, радикалы которых активно участвуют в процессе травления. Чтобы происходило анизотропное травление, давление в реакторе должно быть не более 10 Па. Реактивное ионно-лучевое травление проводят при низком давлении – 0,1–1 Па.

13 Плазмохимическое травление Вакуумно-плазменное травление осуществляется в неравновесной низкотемпературной газоразрядной плазме низкого давления. В низкотемпературной газоразрядной плазме низкого давления происходят возбуждение и ионизация молекул рабочего газа, а также их диссоциация на свободные атомы и радикалы. Процессы плазмохимического травления (ПХТ) и ионно-химического травления (ИХТ) являются гетерогенными и многостадийными. В их механизме можно выделить следующие стадии: доставка молекул рабочего газа в зону плазмы газового разряда; превращение молекул рабочего газа в энергетические и химически активные частицы в плазме газового разряда; доставка энергетических и химически активных частиц к поверхности обрабатываемого материала; взаимодействие энергетических и химически активных частиц с поверхностью обрабатываемого материала; отвод продуктов взаимодействия от поверхности обрабатываемого материала.

14 Травление в плазме осуществляется в плазмохимическом реакторе диодного типа. Реактор откачивается до исходных давлений порядка 10 –3 –10 –4 Па, а типичные давления при напуске рабочего газа равны 1,33– 13,3 Па. 4 – анод; 5 – ионы; 6 – ионная оболочка катода; 7 – подложка; 8 – катод При плазменном травлении энергии ионов всегда невелики, и реализуется изотропное травление. Такие реакторы используются соответственно для снятия резиста, очистки поверхности и других подобных операций. Недостатком таких реакторов является расположение подложки непосредственно в зоне плазмы, что не позволяет раздельно регулировать параметры плазмы и энергию бомбардирующих поверхность ионов.

15 Малогабаритная установка реактивного ионного травления

16

17

18 ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЕ ГИС Наиболее подходящими материалами для плат толстопленочных ГИС являются высокоглиноземистая керамика 22ХС, поликор и керамика на основе окиси бериллия. Нанесение материала толстых пленок, в состав которых, как правило, входят металл, окисел металла и стекло, на плату осуществляют продавливанием через сетчатый трафарет, имеющий закрытые и открытые участки. Для трафаретной печати материал толстых пленок должен иметь консистенцию пласты.