Gravura profunda de íons reativos - Deep reactive-ion etching

A corrosão de íons reativos profundos ( DRIE ) é um processo de corrosão altamente anisotrópico usado para criar penetração profunda, orifícios de lados íngremes e trincheiras em wafers / substratos, normalmente com relações de aspecto elevadas . Foi desenvolvido para sistemas microeletromecânicos (MEMS), que requerem esses recursos, mas também é usado para escavar valas para capacitores de alta densidade para DRAM e, mais recentemente, para criar vias de silício ( TSVs ) em tecnologia avançada de empacotamento de nível de wafer 3D. No DRIE, o substrato é colocado dentro de um reator, e vários gases são introduzidos. Um plasma é formado na mistura de gás que quebra as moléculas de gás em íons. Os íons se aceleram e reagem com a superfície do material sendo gravado, formando outro elemento gasoso. Isso é conhecido como a parte química da corrosão iônica reativa. Há também uma parte física, se os íons tiverem energia suficiente, eles podem tirar átomos do material para serem gravados sem reação química.

DRIE é uma subclasse especial de RIE.

Existem duas tecnologias principais para DRIE de alta taxa: criogênica e Bosch, embora o processo Bosch seja a única técnica de produção reconhecida. Os processos Bosch e crio podem fabricar paredes de 90 ° (verdadeiramente verticais), mas frequentemente as paredes são ligeiramente afiladas, por exemplo, 88 ° ("reentrantes") ou 92 ° ("retrógradas").

Outro mecanismo é a passivação da parede lateral: grupos funcionais SiO x F y (que se originam de hexafluoreto de enxofre e gases de corrosão de oxigênio) condensam-se nas paredes laterais e os protegem do ataque lateral. Como uma combinação desses processos, estruturas verticais profundas podem ser feitas.

Processo criogênico

Na DRIE criogênica, o wafer é resfriado a -110 ° C (163 K ). A baixa temperatura retarda a reação química que produz a corrosão isotrópica. No entanto, os íons continuam a bombardear as superfícies voltadas para cima e eliminá-las. Este processo produz valas com paredes laterais altamente verticais. O principal problema com o crio-DRIE é que as máscaras padrão nos substratos racham sob o frio extremo, e os subprodutos do ataque ácido têm uma tendência de se depositar na superfície fria mais próxima, ou seja, o substrato ou eletrodo.

Processo Bosch

Um pilar de silício fabricado usando o processo da Bosch
Um micro-pilar de silício fabricado usando o processo da Bosch

O processo da Bosch, em homenagem à empresa alemã Robert Bosch GmbH que patenteou o processo, também conhecido como gravação pulsada ou multiplexada no tempo, alterna repetidamente entre dois modos para obter estruturas quase verticais:

  1. Um ataque de plasma padrão, quase isotrópico . O plasma contém alguns íons, que atacam o wafer de uma direção quase vertical. O hexafluoreto de enxofre [SF 6 ] é freqüentemente usado para o silício .
  2. Deposição de uma camada de passivação quimicamente inerte . (Por exemplo, o gás de origem octafluorociclobutano [C 4 F 8 ] produz uma substância semelhante ao Teflon .)
Parede lateral ondulada como resultado do processo da Bosch
Parede lateral ondulada de uma estrutura de silício criada usando o processo da Bosch

Cada fase dura vários segundos. A camada de passivação protege todo o substrato de novos ataques químicos e evita mais corrosão. No entanto, durante a fase de corrosão, os íons direcionais que bombardeiam o substrato atacam a camada de passivação no fundo da trincheira (mas não nas laterais). Eles colidem com ele e o expelem , expondo o substrato ao condicionador químico.

Essas etapas de gravação / depósito são repetidas muitas vezes, resultando em um grande número de etapas de gravação isotrópica muito pequenas ocorrendo apenas na parte inferior dos poços gravados. Para decapar através de uma pastilha de silício de 0,5 mm, por exemplo, 100-1000 passos de decapagem / depósito são necessários. O processo de duas fases faz com que as paredes laterais ondulem com uma amplitude de cerca de 100–500 nm . O tempo de ciclo pode ser ajustado: ciclos curtos geram paredes mais suaves e ciclos longos geram uma taxa de corrosão mais alta.

Formulários

A "profundidade" do RIE depende da aplicação:

  • em circuitos de memória DRAM, as trincheiras do capacitor podem ter profundidade de 10–20 µm,
  • em MEMS, DRIE é usado para qualquer coisa de alguns micrômetros a 0,5 mm.
  • em cubos de chips irregulares, o DRIE é usado com uma nova máscara híbrida suave / dura para obter gravação sub-milimétrica para cortar os moldes de silício em pedaços semelhantes a lego com formas irregulares.
  • na eletrônica flexível, o DRIE é usado para tornar os dispositivos CMOS monolíticos tradicionais flexíveis, reduzindo a espessura dos substratos de silício para poucos a dezenas de micrômetros.

O que distingue DRIE de RIE é a profundidade de corrosão: profundidades de corrosão práticas para RIE (como usado na fabricação de IC ) seriam limitadas a cerca de 10 µm a uma taxa de até 1 µm / min, enquanto DRIE pode gravar características muito maiores, de até 600 µm ou mais com taxas de até 20 µm / min ou mais em algumas aplicações.

DRIE de vidro requer alta potência de plasma, o que torna difícil encontrar materiais de máscara adequados para uma gravação verdadeiramente profunda. Polissilício e níquel são usados ​​para profundidades gravadas de 10–50 µm. Em DRIE de polímeros, ocorre o processo de Bosch com etapas alternadas de corrosão SF 6 e passivação C 4 F 8 . Máscaras de metal podem ser usadas, mas são caras, já que várias etapas adicionais de foto e deposição são sempre necessárias. No entanto, máscaras de metal não são necessárias em vários substratos (Si [até 800 µm], InP [até 40 µm] ou vidro [até 12 µm]) se usar resistências negativas amplificadas quimicamente.

A implantação de íon de gálio pode ser usada como máscara de corrosão em crio-DRIE. O processo combinado de nanofabricação de feixe de íons focalizado e crio-DRIE foi relatado pela primeira vez por N Chekurov et al em seu artigo "A fabricação de nanoestruturas de silício por implantação local de gálio e corrosão criogênica de íons reativos profundos".

Maquinário de Precisão

O DRIE possibilitou o uso de componentes mecânicos de silício em relógios de pulso de última geração. De acordo com um engenheiro da Cartier , “Não há limite para formas geométricas com DRIE”. Com DRIE é possível obter uma relação de aspecto de 30 ou mais, o que significa que uma superfície pode ser gravada com uma vala de parede vertical 30 vezes mais profunda do que sua largura.

Isso permitiu que componentes de silício fossem substituídos por algumas partes que geralmente são feitas de aço, como a espiral . O silício é mais leve e mais duro do que o aço, o que traz benefícios, mas torna o processo de fabricação mais desafiador.

Referências

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Veja também