Κατανόηση της Τεχνολογίας Ξηρής Χαλκογραφίας στη Βιομηχανία Ημιαγωγών

Η χάραξη αναφέρεται στην τεχνική της επιλεκτικής αφαίρεσης υλικού μέσω φυσικών ή χημικών μέσων για την επίτευξη των σχεδιασμένων δομικών σχεδίων.

Επί του παρόντος, πολλές συσκευές ημιαγωγών χρησιμοποιούν δομές συσκευών mesa, οι οποίες δημιουργούνται κυρίως μέσω δύο τύπων χάραξης:υγρή και ξηρή χάραξη. Ενώ η απλή και γρήγορη υγρή χάραξη παίζει σημαντικό ρόλο στην κατασκευή συσκευών ημιαγωγών, έχει εγγενή μειονεκτήματα όπως η ισότροπη χάραξη και η κακή ομοιομορφία, που έχουν ως αποτέλεσμα περιορισμένο έλεγχο κατά τη μεταφορά μοτίβων μικρού μεγέθους. Η ξηρή χάραξη, ωστόσο, με την υψηλή ανισοτροπία, την καλή ομοιομορφία και την επαναληψιμότητά της, έχει γίνει εξέχουσα θέση στις διαδικασίες κατασκευής συσκευών ημιαγωγών. Ο όρος "ξηρή χάραξη" αναφέρεται γενικά σε οποιαδήποτε τεχνολογία μη υγρής χάραξης που χρησιμοποιείται για την αφαίρεση υλικών επιφάνειας και τη μεταφορά μικρο και νανο μοτίβων, συμπεριλαμβανομένης της χάραξης με λέιζερ, της χάραξης πλάσματος και της χάραξης με χημικό ατμό. Η ξηρή χάραξη που συζητείται σε αυτό το κείμενο αφορά συγκεκριμένα τη στενή εφαρμογή διεργασιών που χρησιμοποιούν εκκένωση πλάσματος —είτε φυσική είτε χημική— για την τροποποίηση των επιφανειών του υλικού. Καλύπτει πολλές κοινές τεχνολογίες βιομηχανικής χάραξης, μεταξύ των οποίωνΧαρακτική δέσμης ιόντων (IBE), χάραξη αντιδραστικών ιόντων (RIE), χάραξη πλάσματος συντονισμού ηλεκτρονίων κυκλοτρονίων (ECR) και χάραξη επαγωγικά συζευγμένου πλάσματος (ICP).

1. Χάραξη με δέσμη ιόντων (IBE)

Γνωστό και ως άλεσμα ιόντων, το IBE αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1970 ως μια καθαρά φυσική μέθοδος χάραξης. Η διαδικασία περιλαμβάνει δέσμες ιόντων που δημιουργούνται από αδρανή αέρια (όπως Ar, Xe) που επιταχύνονται από μια τάση για να βομβαρδίσουν την επιφάνεια του υλικού στόχου. Τα ιόντα μεταφέρουν ενέργεια στα επιφανειακά άτομα, με αποτέλεσμα εκείνα με ενέργεια που υπερβαίνει την ενέργεια δέσμευσής τους να εκτοξεύονται μακριά. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιεί επιταχυνόμενη τάση για τον έλεγχο της κατεύθυνσης και της ενέργειας της δέσμης ιόντων, με αποτέλεσμα εξαιρετική ανισοτροπία χάραξης και δυνατότητα ελέγχου του ρυθμού. Ενώ είναι ιδανικό για τη χάραξη χημικά σταθερών υλικών όπως κεραμικά και ορισμένα μέταλλα, η ανάγκη για παχύτερες μάσκες για βαθύτερες χαράξεις μπορεί να θέσει σε κίνδυνο την ακρίβεια χάραξης και ο βομβαρδισμός ιόντων υψηλής ενέργειας μπορεί να προκαλέσει αναπόφευκτη ηλεκτρική βλάβη λόγω διαταραχών του πλέγματος.

2. Χάραξη αντιδραστικών ιόντων (RIE)

Αναπτύχθηκε από το IBE, το RIE συνδυάζει χημικές αντιδράσεις με βομβαρδισμό φυσικών ιόντων. Σε σύγκριση με το IBE, το RIE προσφέρει υψηλότερους ρυθμούς χάραξης και εξαιρετική ανισοτροπία και ομοιομορφία σε μεγάλες επιφάνειες, καθιστώντας το μια από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες τεχνικές χάραξης στη μικρο και νανο κατασκευή. Η διαδικασία περιλαμβάνει την εφαρμογή τάσης ραδιοσυχνοτήτων (RF) σε ηλεκτρόδια παράλληλων πλακών, προκαλώντας τα ηλεκτρόνια στον θάλαμο να επιταχύνουν και να ιονίζουν τα αέρια της αντίδρασης, οδηγώντας σε μια σταθερή κατάσταση πλάσματος στη μία πλευρά των πλακών. Το πλάσμα φέρει ένα θετικό δυναμικό λόγω της έλξης των ηλεκτρονίων στην κάθοδο και της γείωσης στην άνοδο, δημιουργώντας έτσι ένα ηλεκτρικό πεδίο κατά μήκος του θαλάμου. Το θετικά φορτισμένο πλάσμα επιταχύνεται προς το υπόστρωμα που συνδέεται με την κάθοδο, χαράσσοντάς το αποτελεσματικά.

Κατά τη διαδικασία χάραξης, ο θάλαμος διατηρεί ένα περιβάλλον χαμηλής πίεσης (0,1~10 Pa), το οποίο ενισχύει τον ρυθμό ιονισμού των αερίων της αντίδρασης και επιταχύνει τη διαδικασία χημικής αντίδρασης στην επιφάνεια του υποστρώματος. Γενικά, η διαδικασία RIE απαιτεί τα παραπροϊόντα της αντίδρασης να είναι πτητικά για να αφαιρεθούν αποτελεσματικά από το σύστημα κενού, διασφαλίζοντας υψηλή ακρίβεια χάραξης. Το επίπεδο ισχύος RF καθορίζει άμεσα την πυκνότητα του πλάσματος και την τάση πόλωσης επιτάχυνσης, ελέγχοντας έτσι τον ρυθμό χάραξης. Ωστόσο, ενώ αυξάνει την πυκνότητα του πλάσματος, το RIE αυξάνει επίσης την τάση πόλωσης, η οποία μπορεί να προκαλέσει ζημιά στο πλέγμα και να μειώσει την επιλεκτικότητα της μάσκας, θέτοντας έτσι περιορισμούς για εφαρμογές χάραξης. Με την ταχεία ανάπτυξη ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μεγάλης κλίμακας και το μειούμενο μέγεθος των τρανζίστορ, υπήρξε μεγαλύτερη ζήτηση για ακρίβεια και αναλογίες διαστάσεων στη μικρο και νανο κατασκευή, οδηγώντας στην εμφάνιση τεχνολογιών ξηρής χάραξης με βάση το πλάσμα υψηλής πυκνότητας, παρέχοντας νέες ευκαιρίες για την πρόοδο της ηλεκτρονικής τεχνολογίας πληροφοριών.

3. Χάραξη πλάσματος συντονισμού ηλεκτρονίων κυκλοτρονίων (ECR).

Η τεχνολογία ECR, μια πρώιμη μέθοδος για την επίτευξη πλάσματος υψηλής πυκνότητας, χρησιμοποιεί ενέργεια μικροκυμάτων για να συντονιστεί με ηλεκτρόνια εντός του θαλάμου, ενισχυμένη από ένα εξωτερικά εφαρμοσμένο μαγνητικό πεδίο ταιριάσματος με συχνότητα για να επάγει τον συντονισμό κυκλοτρονίων ηλεκτρονίων. Αυτή η μέθοδος επιτυγχάνει σημαντικά υψηλότερες πυκνότητες πλάσματος από το RIE, ενισχύοντας τον ρυθμό χάραξης και την επιλεκτικότητα της μάσκας, διευκολύνοντας έτσι τη χάραξη δομών εξαιρετικά υψηλού λόγου διαστάσεων. Ωστόσο, η πολυπλοκότητα του συστήματος, που βασίζεται στη συντονισμένη λειτουργία των πηγών μικροκυμάτων, των πηγών ραδιοσυχνοτήτων και των μαγνητικών πεδίων, θέτει λειτουργικές προκλήσεις. Σύντομα ακολούθησε η εμφάνιση της εγχάραξης επαγωγικά συζευγμένου πλάσματος (ICP) ως απλοποίηση έναντι του ECR.

4. Χαλκογραφία επαγωγικά συζευγμένου πλάσματος (ICP).

Η τεχνολογία χάραξης ICP απλοποιεί το σύστημα που βασίζεται στην τεχνολογία ECR χρησιμοποιώντας δύο πηγές ραδιοσυχνοτήτων 13,56 MHz για τον έλεγχο τόσο της παραγωγής πλάσματος όσο και της τάσης πόλωσης επιτάχυνσης. Αντί για το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο που χρησιμοποιείται στο ECR, ένα σπειροειδές πηνίο προκαλεί ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, όπως φαίνεται στο σχηματικό. Οι πηγές ραδιοσυχνοτήτων μεταφέρουν ενέργεια μέσω ηλεκτρομαγνητικής σύζευξης στα εσωτερικά ηλεκτρόνια, τα οποία κινούνται με κίνηση κυκλοτρονίου εντός του επαγόμενου πεδίου, συγκρούοντας με τα αέρια της αντίδρασης για να προκαλέσουν ιονισμό. Αυτή η ρύθμιση επιτυγχάνει πυκνότητες πλάσματος συγκρίσιμες με το ECR. Η χάραξη ICP συνδυάζει τα πλεονεκτήματα των διαφόρων συστημάτων χάραξης, καλύπτοντας τις ανάγκες για υψηλούς ρυθμούς χάραξης, υψηλή επιλεκτικότητα, ομοιομορφία μεγάλης περιοχής και απλή, ελεγχόμενη δομή εξοπλισμού, καθιστώντας έτσι γρήγορα την προτιμώμενη επιλογή για μια νέα γενιά τεχνολογιών χάραξης πλάσματος υψηλής πυκνότητας .

5. Χαρακτηριστικά της Ξηρής Χαλκογραφίας

Η τεχνολογία ξηρής χάραξης έχει πάρει γρήγορα μια κύρια θέση στη μικροκατασκευή και στη νανοκατασκευή λόγω της ανώτερης ανισοτροπίας και των υψηλών ρυθμών χάραξης, αντικαθιστώντας την υγρή χάραξη. Τα κριτήρια για την αξιολόγηση της καλής τεχνολογίας ξηρής χάραξης περιλαμβάνουν την επιλεκτικότητα της μάσκας, την ανισοτροπία, τον ρυθμό χάραξης, τη συνολική ομοιομορφία και την ομαλότητα της επιφάνειας από τη φθορά του πλέγματος. Με πολλά κριτήρια αξιολόγησης, η συγκεκριμένη κατάσταση πρέπει να λαμβάνεται υπόψη με βάση τις ανάγκες κατασκευής. Οι πιο άμεσοι δείκτες της ξηρής χάραξης είναι η μορφολογία της επιφάνειας, συμπεριλαμβανομένης της επιπεδότητας του χαραγμένου δαπέδου και των πλευρικών τοιχωμάτων και της ανισοτροπίας των χαραγμένων αναβαθμών, που μπορούν και τα δύο να ελεγχθούν ρυθμίζοντας την αναλογία των χημικών αντιδράσεων προς τον φυσικό βομβαρδισμό. Ο μικροσκοπικός χαρακτηρισμός μετά τη χάραξη πραγματοποιείται τυπικά με τη χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης και μικροσκοπίας ατομικής δύναμης. Η επιλεκτικότητα της μάσκας, η οποία είναι η αναλογία του βάθους χάραξης της μάσκας προς αυτό του υλικού υπό τις ίδιες συνθήκες και χρόνο χάραξης, είναι καθοριστικής σημασίας. Γενικά, όσο μεγαλύτερη είναι η επιλεκτικότητα, τόσο καλύτερη είναι η ακρίβεια της μεταφοράς προτύπων. Οι κοινές μάσκες που χρησιμοποιούνται στη χάραξη ICP περιλαμβάνουν φωτοανθεκτικά, μέταλλα και διηλεκτρικά φιλμ. Το φωτοανθεκτικό έχει χαμηλή επιλεκτικότητα και μπορεί να υποβαθμιστεί κάτω από υψηλές θερμοκρασίες ή ενεργητικό βομβαρδισμό. Τα μέταλλα προσφέρουν υψηλή επιλεκτικότητα, αλλά δημιουργούν προκλήσεις στην αφαίρεση της μάσκας και συχνά απαιτούν τεχνικές κάλυψης πολλαπλών στρωμάτων. Επιπλέον, οι μεταλλικές μάσκες μπορεί να προσκολληθούν στα πλευρικά τοιχώματα κατά τη χάραξη, σχηματίζοντας οδούς διαρροής. Επομένως, η επιλογή της κατάλληλης τεχνολογίας μάσκας είναι ιδιαίτερα σημαντική για τη χάραξη και η επιλογή των υλικών μάσκας θα πρέπει να καθορίζεται με βάση τις συγκεκριμένες απαιτήσεις απόδοσης των συσκευών.**