Memahami Teknologi Goresan Kering dalam Industri Semikonduktor

Goresan merujuk kepada teknik mengeluarkan bahan secara selektif melalui cara fizikal atau kimia untuk mencapai corak struktur yang direka bentuk.

Pada masa ini, banyak peranti semikonduktor menggunakan struktur peranti mesa, yang kebanyakannya dicipta melalui dua jenis etsa:goresan basah dan goresan kering. Walaupun goresan basah yang mudah dan pantas memainkan peranan penting dalam fabrikasi peranti semikonduktor, ia mempunyai kelemahan yang wujud seperti goresan isotropik dan keseragaman yang lemah, yang mengakibatkan kawalan terhad apabila memindahkan corak bersaiz kecil. Goresan kering, bagaimanapun, dengan anisotropi yang tinggi, keseragaman yang baik, dan kebolehulangan, telah menjadi menonjol dalam proses fabrikasi peranti semikonduktor. Istilah "goresan kering" secara amnya merujuk kepada sebarang teknologi goresan tidak basah yang digunakan untuk mengalih keluar bahan permukaan dan memindahkan corak mikro dan nano, termasuk goresan laser, goresan plasma dan goresan wap kimia. Goresan kering yang dibincangkan dalam teks ini secara khusus berkaitan dengan aplikasi sempit proses menggunakan nyahcas plasma—sama ada fizikal atau kimia—untuk mengubah suai permukaan material. Ia merangkumi beberapa teknologi etsa industri biasa, termasukIon Beam Etching (IBE), Reactive Ion Etching (RIE), Electron Cyclotron Resonance (ECR) plasma etching dan Iductively Coupled Plasma (ICP).

1. Ion Beam Etching (IBE)

Juga dikenali sebagai pengilangan ion, IBE dibangunkan pada tahun 1970-an sebagai kaedah etsa fizikal semata-mata. Proses ini melibatkan rasuk ion yang dihasilkan daripada gas lengai (seperti Ar, Xe) yang dipercepatkan oleh voltan untuk membedil permukaan bahan sasaran. Ion memindahkan tenaga ke atom permukaan, menyebabkan mereka yang mempunyai tenaga melebihi tenaga pengikatnya terpercik pergi. Teknik ini menggunakan voltan dipercepatkan untuk mengawal arah dan tenaga pancaran ion, menghasilkan anisotropi goresan dan kebolehkawalan kadar yang sangat baik. Walaupun ia sesuai untuk menggores bahan kimia yang stabil seperti seramik dan logam tertentu, keperluan untuk topeng yang lebih tebal untuk goresan yang lebih dalam mungkin menjejaskan ketepatan goresan, dan pengeboman ion bertenaga tinggi boleh menyebabkan kerosakan elektrik yang tidak dapat dielakkan akibat gangguan kekisi.

2. Goresan Ion Reaktif (RIE)

Dibangunkan daripada IBE, RIE menggabungkan tindak balas kimia dengan pengeboman ion fizikal. Berbanding dengan IBE, RIE menawarkan kadar goresan yang lebih tinggi dan anisotropi dan keseragaman yang sangat baik merentasi kawasan yang luas, menjadikannya salah satu teknik goresan yang paling banyak digunakan dalam fabrikasi mikro dan nano. Proses ini melibatkan penggunaan voltan frekuensi radio (RF) pada elektrod plat selari, menyebabkan elektron dalam kebuk mempercepatkan dan mengionkan gas tindak balas, membawa kepada keadaan plasma yang stabil pada satu sisi plat. Plasma membawa potensi positif kerana elektron tertarik ke katod dan dibumikan di anod, dengan itu mewujudkan medan elektrik merentasi ruang. Plasma bercas positif memecut ke arah substrat yang berkaitan dengan katod, menggoresnya dengan berkesan.

Semasa proses etsa, ruang mengekalkan persekitaran tekanan rendah (0.1~10 Pa), yang meningkatkan kadar pengionan gas tindak balas dan mempercepatkan proses tindak balas kimia pada permukaan substrat. Secara amnya, proses RIE memerlukan produk sampingan tindak balas menjadi tidak menentu untuk dikeluarkan dengan cekap oleh sistem vakum, memastikan ketepatan goresan yang tinggi. Tahap kuasa RF secara langsung menentukan ketumpatan plasma dan voltan pincang pecutan, dengan itu mengawal kadar goresan. Walau bagaimanapun, sambil meningkatkan ketumpatan plasma, RIE juga meningkatkan voltan pincang, yang boleh menyebabkan kerosakan kekisi dan mengurangkan selektiviti topeng, sekali gus menimbulkan had untuk aplikasi etsa. Dengan perkembangan pesat litar bersepadu berskala besar dan saiz transistor yang semakin berkurangan, terdapat permintaan yang lebih besar untuk ketepatan dan nisbah aspek dalam fabrikasi mikro dan nano, yang membawa kepada kemunculan teknologi etsa kering berasaskan plasma berketumpatan tinggi, menyediakan peluang baharu untuk kemajuan teknologi maklumat elektronik.

3. Elektron Cyclotron Resonance (ECR) Plasma Etching

Teknologi ECR, kaedah awal untuk mencapai plasma berketumpatan tinggi, menggunakan tenaga gelombang mikro untuk bergema dengan elektron dalam ruang, dipertingkatkan oleh medan magnet dipadankan frekuensi yang digunakan secara luaran untuk mendorong resonans siklotron elektron. Kaedah ini mencapai ketumpatan plasma yang jauh lebih tinggi daripada RIE, meningkatkan kadar goresan dan selektiviti topeng, sekali gus memudahkan goresan struktur nisbah aspek ultra tinggi. Walau bagaimanapun, kerumitan sistem, yang bergantung pada fungsi terkoordinasi sumber gelombang mikro, sumber RF dan medan magnet, menimbulkan cabaran operasi. Kemunculan etsa Plasma Berganding Induktif (ICP) tidak lama kemudian menyusul sebagai pemudahan ke atas ECR.

4. Goresan Plasma Berganding Secara Induktif (ICP).

Teknologi etsa ICP memudahkan sistem berdasarkan teknologi ECR dengan menggunakan dua sumber RF 13.56MHz untuk mengawal kedua-dua penjanaan plasma dan voltan pincang pecutan. Daripada medan magnet luaran yang digunakan dalam ECR, gegelung lingkaran mendorong medan elektromagnet berselang-seli, seperti yang ditunjukkan dalam skema. Sumber RF memindahkan tenaga melalui gandingan elektromagnet kepada elektron dalaman, yang bergerak dalam gerakan siklotron dalam medan teraruh, berlanggar dengan gas tindak balas untuk menyebabkan pengionan. Persediaan ini mencapai ketumpatan plasma yang setanding dengan ECR. Etsa ICP menggabungkan kelebihan pelbagai sistem etsa, memenuhi keperluan untuk kadar etsa yang tinggi, selektiviti tinggi, keseragaman kawasan yang besar, dan struktur peralatan yang mudah dan boleh dikawal, dengan itu dengan pantas menjadi pilihan pilihan untuk generasi baharu teknologi etsa plasma berketumpatan tinggi. .

5. Ciri-ciri Goresan Kering

Teknologi goresan kering telah dengan pantas mengambil kedudukan utama dalam mikro dan nanofabrikasi kerana anisotropi yang unggul dan kadar goresan yang tinggi, menggantikan etsa basah. Kriteria untuk menilai teknologi goresan kering yang baik termasuk selektiviti topeng, anisotropi, kadar goresan, keseragaman keseluruhan dan kelicinan permukaan daripada kerosakan kekisi. Dengan banyak kriteria penilaian, situasi khusus mesti dipertimbangkan berdasarkan keperluan fabrikasi. Penunjuk paling langsung bagi goresan kering ialah morfologi permukaan, termasuk kerataan lantai terukir dan dinding sisi dan anisotropi teres terukir, yang kedua-duanya boleh dikawal dengan melaraskan nisbah tindak balas kimia kepada pengeboman fizikal. Pencirian mikroskopik selepas etsa biasanya dilakukan menggunakan mikroskop elektron pengimbasan dan mikroskopi daya atom. Selektif topeng, iaitu nisbah kedalaman goresan topeng kepada bahan di bawah keadaan dan masa goresan yang sama, adalah penting. Secara amnya, lebih tinggi selektiviti, lebih baik ketepatan pemindahan corak. Topeng yang biasa digunakan dalam etsa ICP termasuk photoresist, logam dan filem dielektrik. Photoresist mempunyai selektiviti yang lemah dan boleh merosot di bawah suhu tinggi atau pengeboman bertenaga; logam menawarkan selektiviti tinggi tetapi menimbulkan cabaran dalam penyingkiran topeng dan selalunya memerlukan teknik pelekat berbilang lapisan. Selain itu, topeng logam boleh melekat pada dinding sisi semasa mengetsa, membentuk laluan kebocoran. Oleh itu, memilih teknologi topeng yang sesuai adalah sangat penting untuk mengetsa, dan pemilihan bahan topeng harus ditentukan berdasarkan keperluan prestasi khusus peranti.**