Aguafuerte (microfabricación)

Technique in microfabrication used to remove material and create structures

Tanques de grabado utilizados para realizar la limpieza de pirañas , ácido fluorhídrico o RCA en lotes de obleas de 4 pulgadas en las instalaciones tecnológicas de LAAS en Toulouse, Francia

El grabado se utiliza en la microfabricación para eliminar químicamente capas de la superficie de una oblea durante la fabricación. El grabado es un módulo de proceso de importancia crítica, y cada oblea se somete a muchos pasos de grabado antes de completarse.

Para muchos pasos de grabado, parte de la oblea está protegida del grabador por un material de "enmascaramiento" que resiste el grabado. En algunos casos, el material de enmascaramiento es un fotorresistente que ha sido modelado usando fotolitografía . Otras situaciones requieren una máscara más duradera, como el nitruro de silicio .

Figuras de merito

Si el grabado está destinado a hacer una cavidad en un material, la profundidad de la cavidad puede controlarse aproximadamente usando el tiempo de grabado y la velocidad de grabado conocida. Sin embargo, más a menudo, el grabado debe eliminar por completo la capa superior de una estructura multicapa, sin dañar las capas subyacentes o de enmascaramiento. La capacidad del sistema de grabado para hacer esto depende de la proporción de tasas de grabado en los dos materiales ( selectividad ).

Algunos grabados socavan la capa de enmascaramiento y forman cavidades con paredes laterales inclinadas. La distancia de socavación se llama sesgo . Los agentes de grabado con gran sesgo se denominan isotrópicos porque erosionan el sustrato por igual en todas las direcciones. Los procesos modernos prefieren en gran medida los grabados anisotrópicos, porque producen características nítidas y bien controladas.

Selectividad		Azul: capa para permanecer Un grabado poco selectivo elimina la capa superior, pero también ataca el material subyacente. Un grabado altamente selectivo deja ileso el material subyacente.
Isotropía		Rojo: capa de enmascaramiento; amarillo: capa a eliminar Un grabado perfectamente isotrópico produce paredes laterales redondas. Un grabado perfectamente anisotrópico produce paredes laterales verticales.

Medios y tecnología de grabado

Los dos tipos fundamentales de grabadores son fase líquida ("húmedo") y fase de plasma ("seco"). Cada uno de estos existe en varias variedades.

Aguafuerte húmeda

Resistentes a las radiaciones troquel de la 1886VE10 microcontrolador antes de la metalización de grabado

Resistentes a las radiaciones troquel de la 1886VE10 microcontrolador después de una metalización proceso de ataque químico se ha usado

Los primeros procesos de grabado utilizaban grabadores de fase líquida ("húmedos"). La oblea se puede sumergir en un baño de grabador, que debe agitarse para lograr un buen control del proceso. Por ejemplo, el ácido fluorhídrico tamponado (BHF) se usa comúnmente para grabar dióxido de silicio sobre un sustrato de silicio .

Se pueden utilizar diferentes grabadores especializados para caracterizar la superficie grabada.

Los grabadores húmedos suelen ser isotrópicos, lo que conduce a un gran sesgo al grabar películas gruesas. También requieren la eliminación de grandes cantidades de desechos tóxicos. Por estas razones, rara vez se utilizan en procesos de última generación. Sin embargo, el revelador fotográfico utilizado para la fotorresistencia se parece al grabado en húmedo.

Como alternativa a la inmersión, las máquinas de obleas individuales utilizan el principio de Bernoulli para emplear un gas (generalmente nitrógeno puro ) para amortiguar y proteger un lado de la oblea mientras se aplica el grabador en el otro lado. Se puede hacer tanto en el anverso como en el reverso. La química de grabado se dispensa en el lado superior cuando está en la máquina y el lado inferior no se ve afectado. Este método de grabado es particularmente efectivo justo antes del procesamiento "backend" ( BEOL ), donde las obleas son normalmente mucho más delgadas después de la molienda.y muy sensible a la tensión térmica o mecánica. Grabar una capa delgada de incluso unos pocos micrómetros eliminará las microgrietas producidas durante la molienda, lo que dará como resultado que la oblea tenga una resistencia y flexibilidad drásticamente aumentadas sin romperse.

Grabado húmedo anisotrópico (grabado dependiente de la orientación)

Un grabado en húmedo anisotrópico sobre una oblea de silicio crea una cavidad con una sección transversal trapezoidal. La parte inferior de la cavidad es un plano {100} (consulte los índices de Miller ) y los lados son planos {111}. El material azul es una máscara de grabado y el material verde es silicona.

Algunos atacantes húmedos graban materiales cristalinos a velocidades muy diferentes dependiendo de qué cara de cristal esté expuesta. En materiales monocristalinos (por ejemplo, obleas de silicio), este efecto puede permitir una anisotropía muy alta, como se muestra en la figura. El término "grabado cristalográfico" es sinónimo de "grabado anisotrópico a lo largo de planos cristalinos".

Sin embargo, para algunos materiales no cristalinos como el vidrio, existen formas no convencionales de grabar de manera anisotrópica. ^[1] Los autores emplean flujo laminar multicanal que contiene soluciones de grabado que no son decapantes para fabricar una ranura de vidrio. La solución de grabado en el centro está flanqueada por soluciones que no son de grabado y el área que entra en contacto con las soluciones de grabado está limitada por las soluciones circundantes que no son de grabado. Por tanto, la dirección del grabado es principalmente vertical a la superficie del vidrio. Las imágenes SEM demuestran la ruptura del límite teórico convencional de la relación de aspecto (ancho / alto = 0.5) y contribuyen a una mejora doble (ancho / alto = 1).

Se encuentran disponibles varios grabadores anisotrópicos húmedos para silicio, todos ellos cáusticos acuosos calientes. Por ejemplo, el hidróxido de potasio (KOH) muestra una selectividad de velocidad de grabado 400 veces mayor en las direcciones del cristal <100> que en las direcciones <111>. EDP ​​(una solución acuosa de etilendiamina y pirocatecol ), muestra una selectividad <100> / <111> de 17X, no graba el dióxido de silicio como lo hace el KOH y también muestra una alta selectividad entre ligeramente dopado y muy dopado con boro (p- tipo) silicio. El uso de estos grabadores en obleas que ya contienen circuitos integrados CMOS requiere proteger los circuitos. El KOH puede introducir iones de potasio móviles endióxido de silicio y EDP es altamente corrosivo y cancerígeno , por lo que se requiere cuidado en su uso. El hidróxido de tetrametilamonio (TMAH) presenta una alternativa más segura que el EDP, con una selectividad 37X entre los planos {100} y {111} en el silicio.

Grabar una superficie de silicio (100) a través de un orificio rectangular en un material de enmascaramiento, por ejemplo un orificio en una capa de nitruro de silicio, crea un hoyo con paredes laterales planas inclinadas {111} y un fondo plano orientado (100). Las paredes laterales orientadas a {111} tienen un ángulo con la superficie de la oblea de:

${\displaystyle \arctan {\sqrt {2}}=54.7^{\circ }}$

Si el grabado se continúa "hasta el final", es decir, hasta que desaparece el fondo plano, la fosa se convierte en una zanja con una sección transversal en forma de V. Si el rectángulo original era un cuadrado perfecto, el hoyo cuando se graba hasta su finalización muestra una forma piramidal.

El socavado, δ , debajo de un borde del material de enmascaramiento viene dado por:

${\displaystyle \delta ={\frac {{\sqrt {6}}D}{S}}={\frac {{\sqrt {6}}R_{100}T}{R_{100}/R_{111}}}={\sqrt {6}}TR_{111}}$,

donde R _xxx es la velocidad de grabado en la dirección <xxx>, T es el tiempo de grabado, D es la profundidad de grabado y S es la anisotropía del material y el grabador.

Diferentes grabadores tienen diferentes anisotropías. A continuación se muestra una tabla de grabadores anisotrópicos comunes para silicio:

Grabador	Temperatura de funcionamiento (° C)	R 100 (μm / min)	S = R 100 / R 111	Materiales de la mascarilla
Pirocatecol de etilendiamina (EDP) [2]	110	0,47	17	SiO 2 , Si 3 N 4 , Au , Cr , Ag , Cu
Hidróxido de potasio / alcohol isopropílico (KOH / IPA)	50	1.0	400	Si 3 N 4 , SiO 2 (ataca a 2,8 nm / min)
Hidróxido de tetrametilamonio (TMAH) [3]	80	0,6	37	Si 3 N 4 , SiO 2

Grabado con plasma

Ilustración simplificada del grabado en seco utilizando fotorresistencia positiva durante un proceso de fotolitografía en microfabricación de semiconductores. Nota: No a escala.

Los procesos VLSI modernos evitan el grabado en húmedo y, en su lugar , utilizan el grabado con plasma . Los grabadores de plasma pueden operar en varios modos ajustando los parámetros del plasma. El grabado por plasma ordinario opera entre 0,1 y 5 Torr . (Esta unidad de presión, comúnmente utilizada en la ingeniería del vacío, equivale aproximadamente a 133,3 pascales ). El plasma produce radicales libres energéticos , con carga neutra , que reaccionan en la superficie de la oblea. Dado que las partículas neutras atacan la oblea desde todos los ángulos, este proceso es isotrópico.

El grabado con plasma puede ser isotrópico, es decir, exhibiendo una tasa de corte lateral en una superficie modelada aproximadamente igual a su tasa de grabado descendente, o puede ser anisotrópico, es decir, exhibiendo una tasa de corte lateral menor que su tasa de grabado descendente. Dicha anisotropía se maximiza en el grabado profundo con iones reactivos . El uso del término anisotropía para grabado con plasma no debe confundirse con el uso del mismo término cuando se hace referencia al grabado dependiente de la orientación.

La fuente de gas para el plasma generalmente contiene pequeñas moléculas ricas en cloro o flúor . Por ejemplo, el tetracloruro de carbono (CCl ₄ ) graba el silicio y el aluminio , y el trifluorometano graba el dióxido de silicio y el nitruro de silicio . Se utiliza un plasma que contiene oxígeno para oxidar (" cenizas ") el fotorresistente y facilitar su eliminación.

El fresado iónico , o grabado catódico , utiliza presiones más bajas, a menudo tan bajas como 10 ^-4 Torr (10 mPa). Bombardea la oblea con iones energéticos de gases nobles , a menudo Ar ⁺ , que eliminan los átomos del sustrato transfiriendo impulso . Debido a que el grabado se realiza mediante iones, que se acercan a la oblea aproximadamente desde una dirección, este proceso es altamente anisotrópico. Por otro lado, tiende a mostrar una selectividad deficiente. El grabado con iones reactivos (RIE) funciona en condiciones intermedias entre el grabado catódico y el grabado con plasma (entre 10 ⁻³ y 10 ⁻¹ Torr). Grabado profundo de iones reactivos (DRIE) modifica la técnica RIE para producir características profundas y estrechas.

Procesos de grabado habituales utilizados en microfabricación

Decapantes para materiales de microfabricación comunes

Material a grabar	Grabadores húmedos	Grabadores de plasma
Aluminio (Al)	80% de ácido fosfórico (H 3 PO 4 ) + 5% de ácido acético + 5% de ácido nítrico (HNO 3 ) + 10% de agua (H 2 O) a 35–45 ° C [4]	Cl 2 , CCl 4 , SiCl 4 , BCl 3 [5]
Óxido de indio y estaño [ITO] (In 2 O 3 : SnO 2 )	Ácido clorhídrico (HCl) + ácido nítrico (HNO 3 ) + agua (H 2 O) (1: 0.1: 1) a 40 ° C [6]
Cromo (Cr)	"Grabado de cromo": nitrato de amonio cérico ((NH 4 ) 2 Ce (NO 3 ) 6 ) + ácido nítrico (HNO 3 ) [7] Ácido clorhídrico (HCl) [7]
Arseniuro de galio (GaAs)	Ácido cítrico diluido (C 6 H 8 O 7  : H 2 O, 1: 1) + Peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ) + Agua (H 2 O)	Cl 2 , CCl 4 , SiCl 4 , BCl 3 , CCl 2 F 2
Oro (Au)	Agua regia Solución de yodo
Molibdeno (Mo)		CF 4 [5]
Residuos orgánicos y fotorresistente	Grabado de piraña : ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) + peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 )	O 2 ( ceniza )
Platino (pt)	Agua regia
Silicio (Si)	Ácido nítrico (HNO 3 ) + ácido fluorhídrico (HF) [4] Hidróxido de potasio (KOH) Pirocatecol de etilendiamina (EDP) Hidróxido de tetrametilamonio (TMAH)	CF 4 , SF 6 , NF 3 [5] Cl 2 , CCl 2 F 2 [5]
Dióxido de silicio (SiO 2 )	Ácido fluorhídrico (HF) [4] Grabado con óxido tamponado [BOE]: fluoruro de amonio (NH 4 F) y ácido fluorhídrico (HF) [4]	CF 4 , SF 6 , NF 3 [5]
Nitruro de silicio (Si 3 N 4 )	85% de ácido fosfórico (H 3 PO 4 ) a 180 ° C [4] (Requiere máscara de grabado de SiO 2 )	CF 4 , SF 6 , NF 3 , [5] CHF 3
Tantalio (Ta)		CF 4 [5]
Titanio (Ti)	Ácido fluorhídrico (HF) [4]	BCl 3 [8]
Nitruro de titanio (TiN)	Ácido nítrico (HNO 3 ) + ácido fluorhídrico (HF) SC1 HF tamponado (bHF)
Tungsteno (W)	Ácido nítrico (HNO 3 ) + ácido fluorhídrico (HF) Peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 )	CF 4 [5] SF 6 [ cita requerida ]

Ver también

• Pulido químico-mecánico
• Aserrado de lingotes
• Grabado químico asistido por metales

Referencias

• Jaeger, Richard C. (2002). "Litografía". Introducción a la fabricación microelectrónica (2ª ed.). Upper Saddle River: Prentice Hall. ISBN 978-0-201-44494-0.
• Ibid, "Procesos para sistemas microelectromecánicos (MEMS)"

Referencias en línea

1. X. Mu, y col . El flujo laminar se utiliza como "máscara de grabado líquido" en el grabado químico húmedo para generar microestructuras de vidrio con una relación de aspecto mejorada. Lab on a Chip , 2009 , 9: 1994-1996.
2. Finne, RM; Klein, DL (1967). "Un sistema de agente complejante de agua-amina para grabar silicio". Revista de la Sociedad Electroquímica . 114 (9): 965–70. doi : 10.1149 / 1.2426793 .
3. Shikida, M .; Sato, K .; Tokoro, K .; Uchikawa, D. (2000). "Morfología superficial de silicio monocristalino grabado anisotrópicamente". Revista de Micromecánica y Microingeniería . 10 (4): 522. doi : 10.1088 / 0960-1317 / 10/4/306 .
4. Wolf, S .; RN Tauber (1986). Procesamiento de silicio para la era VLSI: Volumen 1 - Tecnología de proceso . Prensa de celosía. págs. 531–534. ISBN 978-0-9616721-3-3.
5. Wolf, S .; RN Tauber (1986). Procesamiento de silicio para la era VLSI: Volumen 1 - Tecnología de proceso . Prensa de celosía. pag. 546. ISBN 978-0-9616721-3-3.
6. Bahadur, Birendra (1990). Cristales líquidos: aplicaciones y usos vol.1 . World Scientific. pag. 183. ISBN 978-981-02-2975-7.
7. Walker, Perrin; William H. Tarn (1991). Manual CRC de grabadores de metales . pp.  287 -291. ISBN 978-0-8493-3623-2.
8. Kohler, Michael (1999). Grabado en tecnología de microsistemas . John Wiley & Son Ltd. pág. 329. ISBN 978-3-527-29561-6.

enlaces externos

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