식각(마이크로패브릭)

Etching (microfabrication)
프랑스 툴루즈 소재 LAAS 기술시설에서 4인치 웨이퍼 배치에 대해 피라냐, 불산 또는 RCA 청결을 수행하기 위해 사용되는 식각탱크

식각은 웨이퍼 표면에서 화학적으로 층을 제거하기 위해 미세 가공에 사용됩니다.식각은 매우 중요한 프로세스 모듈이며, 모든 웨이퍼가 완성되기 전에 많은 식각 단계를 거칩니다.

많은 식각 공정에서 웨이퍼의 일부는 식각되지 않는 "마스크" 재료에 의해 식각으로부터 보호됩니다.경우에 따라서는 마스킹 재료는 포토 리소그래피를 이용해 패턴화된 포토 레지스트이다.질화실리콘과 같은 다른 상황에서는 보다 내구성이 높은 마스크가 필요합니다.

유공자

식각이 재료에 공동을 만드는 것을 의도하는 경우, 공동 깊이는 식각 시간 및 알려진 식각 속도를 사용하여 대략적으로 제어할 수 있다.그러나 식각은 기초층이나 마스킹층을 손상시키지 않고 다층 구조의 상단층을 완전히 제거해야 하는 경우가 많습니다.식각 시스템의 능력은 두 재료의 식각 속도 비율(선택성)에 따라 달라집니다.

일부 식각은 마스킹 레이어를 언더컷하고 경사 측벽으로 공동을 형성합니다.언더컷의 거리를 바이어스라고 합니다.큰 편향을 가진 식각제는 기질을 모든 방향으로 균등하게 침식하기 때문에 등방성이라고 불립니다.최신 공정은 날카롭고 잘 제어된 특징을 만들기 때문에 이방성 식각 방식을 매우 선호합니다.

선택성 Etch selectivity.png 파란색: 남아 있는 레이어
  1. 잘 선택되지 않는 식각은 상층을 제거하지만 기초 재료에 대한 공격도 마찬가지입니다.
  2. 고도로 선택적인 식각으로 기초 재료는 손상되지 않습니다.
등방성 Etch anisotropy.png 빨간색: 마스킹 레이어, 노란색: 제거할 레이어
  1. 완전한 등방성 식각으로 둥근 측벽이 생성됩니다.
  2. 완벽한 이방성 식각은 수직 측벽을 생성합니다.

식각 미디어 및 테크놀로지

식각제의 두 가지 기본 유형은 액상("습상")과 플라즈마상("건성")입니다.이것들 각각은 여러 가지 종류가 있습니다.

Etching, simplified animation of etchant action on a copper sheet with mask

웨트 식각

금속화 식각 전 1886VE10 마이크로 컨트롤러의 방사선 경화 다이
금속화 식각 프로세스 사용 후 1886VE10 마이크로 컨트롤러의 방사선 경화 다이

첫 번째 식각 과정에서는 액상("습한") 식각제를 사용했습니다.이 공정은 현재 대부분 구식이지만 1980년대 후반까지 사용되었으며, 그 후 드라이 플라즈마 [1]: 147 식각으로 대체되었습니다.웨이퍼는 식각액 수조에 담글 수 있으며, 이를 교반해야 프로세스 제어가 잘됩니다.예를 들어 실리콘 기판 위에 이산화규소를 식각하기 위해 일반적으로 완충불산(BHF)이 사용된다.

다양한 특수 식각제를 사용하여 표면에 식각된 특성을 나타낼 수 있습니다.

습식 식각제는 보통 등방성이기 때문에 두꺼운 필름을 식각할 때 큰 편향이 발생합니다.그들은 또한 많은 양의 유독성 폐기물을 처리해야 한다.이러한 이유로 최첨단 공정에서는 거의 사용되지 않습니다.단, 포토 레지스트에 사용되는 사진 현상제는 웨트 식각과 유사하다.

침지 대신 단일 웨이퍼 기계는 Bernouli 원리를 사용하여 가스(일반적으로 순수한 질소)를 사용하여 웨이퍼의 한쪽 면에 식각제를 도포하는 동안 웨이퍼의 한쪽 면을 완충 및 보호합니다.앞면 또는 뒷면 모두 가능합니다.식각 화학은 기계에 있을 때 위쪽에서 분사되며 아래쪽은 영향을 받지 않습니다.이 식각 방법은 "백엔드" 처리(BEOL) 직전에 특히 효과적입니다. BEOL에서는 웨이퍼 백그라인딩 후 웨이퍼가 매우 얇아지고 열적 또는 기계적 응력에 매우 민감합니다.몇 마이크로미터의 얇은 층을 식각하면 백그라인딩 시 발생하는 마이크로 크랙을 제거하여 웨이퍼가 파손되지 않고 강도와 유연성을 획기적으로 높일 수 있습니다.

이방성 습식 식각(방향 의존 식각)

실리콘 웨이퍼상의 이방성 웨트 식각은 단면 사다리꼴의 캐비티를 형성한다.캐비티 하단은 {100} 평면(밀러 지수 참조)이고 측면은 {11} 평면입니다.파란색 소재는 식각 마스크, 녹색 소재는 실리콘입니다.

일부 습식 식각제는 노출되는 결정면에 따라 결정성 재료를 매우 다른 속도로 식각합니다.단결정 재료(예: 실리콘 웨이퍼)에서 이 효과는 그림과 같이 매우 높은 이방성을 허용할 수 있습니다."결정 식각"이라는 용어는 "결정 평면을 따른 이방성 식각"과 동의어이다.

그러나 유리와 같은 일부 비결정 재료의 경우 이방성 방식으로 [2]식각하는 방법이 있습니다.저자들은 식각되지 않는 용액을 포함하는 멀티스트림 층류를 사용하여 유리 홈을 제작합니다.중앙의 식각용액은 비 식각용액에 의해 측면에 배치되며, 식각용액과 접촉하는 영역은 주변의 비 식각용액에 의해 제한됩니다.따라서 식각의 방향은 주로 유리 표면에 수직이 된다.스캔 전자 현미경(SEM) 영상은 종래의 종래의 종횡비 이론 한계(폭/높이=0.5)를 깨는 것을 보여주고, 2배(폭/높이=1)의 개선 효과를 제공합니다.

실리콘에는 몇 가지 이방성 습식 식각제를 사용할 수 있으며, 모두 고온 수성 가성 물질입니다.예를 들어 수산화칼륨(KOH)은 <100> 결정방향에서 <111>방향보다 400배 높은 식각률 선택성을 나타낸다.EDP(에틸렌디아민과 파이로카테콜 수용액)는 17배 이상의 선택성을 나타내며 KOH와 같이 이산화규소에 식각되지 않으며 경도프된 실리콘과 중도프된(p형) 실리콘 사이에서 높은 선택성을 나타낸다.CMOS 집적회로가 이미 포함된 웨이퍼에서 이러한 식각제를 사용하려면 회로를 보호해야 합니다.KOH는 이동성 칼륨 이온을 이산화규소에 도입할 수 있으며, EDP는 부식성과 발암성이 매우 강하기 때문에 사용에 주의가 필요합니다.수산화테트라메틸암모늄(TMAH)은 실리콘에서 {100}~{11}개의 평면을 37배 선택함으로써 EDP보다 안전한 대안을 제시합니다.

마스킹 재료의 직사각형 구멍, 예를 들어 질화규소 층의 구멍을 통해 (100)실리콘 표면을 식각함으로써 평평한 경사 {11}방향 사이드월 및 평평한 (100)방향의 바닥을 가진 피트를 형성한다.{111} 방향 sidewall은 웨이퍼 표면에 대한 각도가 다음과 같습니다.

식각이 "완료"까지 계속되면, 즉 평평한 바닥이 사라질 때까지 피트는 단면이 V자형인 트렌치가 된다.원래의 직사각형이 완벽한 정사각형이었다면, 완성될 때까지 식각되었을 때 피트는 피라미드 모양을 나타낸다.

마스킹 재료 가장자리 아래의 언더컷 θ는 다음과 같이 구한다.

여기서xxx R은 <xx> 방향의 식각 속도, T는 식각 시간, D는 식각 깊이, S는 재료와 식각제의 이방성입니다.

식각제마다 이방성이 다르다.다음은 실리콘에 대한 일반적인 이방성 식각제 표입니다.

식각제 동작 온도(°C) R100(μm/min) S=R100/R111 마스크 재료
에틸렌디아민피로카테콜
(EDP)[3] 		110 0.47 17 SiO2, Si3N4, Au, Cr, Ag, Cu
수산화칼륨/이소프로필알코올
(KOH/IPA)		 50 1.0 400 SiN34, SiO2 (2.8 nm/min으로 식각)
수산화테트라메틸암모늄
(TMAH)[4] 		80 0.6 37 Si3N4, SiO2

플라즈마 식각

반도체 미세 제작의 포토 리소그래피 공정에서 포지티브 포토 레지스트(positive photo resist)를 사용한 드라이 에칭의 간단한 그림.주의: 스케일링에는 대응하지 않습니다.

현대의 VLSI(Very Large Scale Integration) 프로세스는 웨트 에칭을 피하고 대신 플라즈마 에칭을 사용합니다.플라즈마 Ether는 플라즈마의 파라미터를 조정함으로써 몇 가지 모드로 동작할 수 있습니다.일반적인 플라즈마 식각은 0.1~5Torr 사이에서 작동합니다(진공 공학에서 일반적으로 사용되는 이 압력 단위는 약 133.3패스카와 동일합니다).플라즈마는 웨이퍼 표면에서 반응하는 중성적으로 충전된 에너지 활성기를 생성합니다.중성 입자가 모든 각도에서 웨이퍼를 공격하기 때문에 이 과정은 등방성입니다.

플라즈마 식각은 등방성, 즉 패턴화된 표면에서 하향 식각 속도와 거의 동일한 가로 언더컷 속도를 나타낼 수 있으며, 이방성, 즉 하향 식각 속도보다 작은 가로 언더컷 속도를 나타낼 수 있다.이러한 이방성은 딥 리액티브 이온 식각(DRIE)에서 극대화됩니다.플라즈마 식각의 이방성 용어의 사용은 방향 의존적 식각과 관련하여 동일한 용어의 사용과 결합되어서는 안 된다.

플라즈마의 소스 가스에는 보통 염소나 불소가 풍부한 작은 분자가 포함되어 있습니다.예를 들어 4염화탄소(CCL4)는 실리콘과 알루미늄을 식각하고 트리플루오로메탄은 이산화규소 및 질화규소를 식각한다.산소를 포함한 플라즈마는 포토레지스트를 산화("애쉬")시켜 제거를 용이하게 하기 위해 사용된다.

이온 밀링 또는 스패터 식각은 낮은 압력(종종 10 Torr(10−4 mPa))을 사용합니다.이것은 운동량을 전달하여 기판의 원자를 두드리는 고에너지 이온(종종+ Ar)으로 웨이퍼를 폭파합니다.식각은 웨이퍼에 약 한 방향에서 접근하는 이온에 의해 이루어지기 때문에 이방성이 높다.반면 선택성이 떨어지는 경향이 있다.반응 이온 식각(RIE)은 스패터와 플라즈마 식각 사이의 중간 조건(10~10Torr−3−1)에서 작동합니다.딥 리액티브 이온 식각(DRIE)은 RIE 기술을 변경하여 깊고 좁은 기능을 생성합니다.

미세조립에 사용되는 일반적인 식각 공정

일반적인 미세 조립 재료용 식각제
식각 재료 습식 식각제 플라즈마 식각제
알루미늄(Al) 80% 인산(HPO34) + 5% 아세트산
+ 질산(HNO3) 5% + 35~45°C에서[5] 수분(HO2) 10% 		Cl2, CCl4, SiCl4, BCl3[6]
인듐 주석 산화물[ITO] (InO23: SnO2) 40°C에서 염산(HCl3) + 질산(HNO2) + 물(HO)(1:0.1:1[7])
크롬(Cr)

비화 갈륨(GaAs)
골드(Au)
몰리브덴(Mo) CF4[6]
유기 잔류물 및 포토레지스트 피라냐 식각: 황산(HSO24)+과산화수소(HO22) O2(애시)
플래티넘(Pt) 아쿠아레지아
실리콘(Si)
이산화규소(SiO2) CF4, SF6, NF3[6]
질화실리콘(SiN34)
  • 180°C에서[5] 85% 인산(HPO34) (SiO2 식각 마스크 필요)
 CF4, SF6, NF3,[6] CHF3
탄탈룸(Ta) CF4[6]
티타늄(Ti) 불산(HF)[5] BCL3[9]
질화티타늄(TiN)
  • 질산(HNO3)+불산(HF)
  • SC1
  • 버퍼 HF(bHF)
텅스텐(W)
  • 질산(HNO3)+불산(HF)
  • 과산화수소(HO22)

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  • Jaeger, Richard C. (2002). "Lithography". Introduction to Microelectronic Fabrication (2nd ed.). Upper Saddle River: Prentice Hall. ISBN 978-0-201-44494-0.
  • Ibid, "마이크로 전기 기계 시스템(MEMS)"

인라인 참조

  1. ^ Shubham, Kumar (2021). Integrated circuit fabrication. Ankaj Gupta. Abingdon, Oxon. ISBN 978-1-000-39644-7. OCLC 1246513110.
  2. ^ X. 무 등습식 화학 식각에서 "액체 식각 마스크"로 사용되는 층류(Layer Flow)는 향상된 석면비로 유리 미세 구조를 생성합니다.Lab on a Chip, 2009, 9: 1994-1996.
  3. ^ Finne, R.M.; Klein, D.L. (1967). "A Water-Amine-Complexing Agent System for Etching Silicon". Journal of the Electrochemical Society. 114 (9): 965–70. doi:10.1149/1.2426793.
  4. ^ Shikida, M.; Sato, K.; Tokoro, K.; Uchikawa, D. (2000). "Surface morphology of anisotropically etched single-crystal silicon". Journal of Micromechanics and Microengineering. 10 (4): 522. doi:10.1088/0960-1317/10/4/306.
  5. ^ a b c d e f Wolf, S.; R.N. Tauber (1986). Silicon Processing for the VLSI Era: Volume 1 - Process Technology. Lattice Press. pp. 531–534. ISBN 978-0-9616721-3-3.
  6. ^ a b c d e f g h Wolf, S.; R.N. Tauber (1986). Silicon Processing for the VLSI Era: Volume 1 - Process Technology. Lattice Press. p. 546. ISBN 978-0-9616721-3-3.
  7. ^ Bahadur, Birendra (1990). Liquid Crystals: Applications and Uses vol.1. World Scientific. p. 183. ISBN 978-981-02-2975-7.
  8. ^ a b Walker, Perrin; William H. Tarn (1991). CRC Handbook of Metal Etchants. pp. 287–291. ISBN 978-0-8493-3623-2.
  9. ^ Kohler, Michael (1999). Etching in Microsystem Technology. John Wiley & Son Ltd. p. 329. ISBN 978-3-527-29561-6.

외부 링크

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