5 - MEMS - Wet&Dry Etching
-
Upload
anonymous-ykblnyyb -
Category
Documents
-
view
63 -
download
4
description
Transcript of 5 - MEMS - Wet&Dry Etching
1
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di EtchingIl termine “etching” si riferisce ai processi di rimozione selettiva di materialedalla superficie o dal corpo del wafer di silicio.
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di EtchingIl termine “etching” si riferisce ai processi di rimozione selettiva di materialedalla superficie o dal corpo del wafer di silicio.
Selettività
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
La selettività relativamente alle regioni nelle quali eseguire il processo dietching è determinata dall’uso di opportune maschere fotolitografiche insiemecon “masking” materialsLa selettività rispetto ai materiali è caratterizzata dall’etch-rate (velocità dietching che, per una data sostanza etchant, è caratteristico del materiale)
Classificazione dei processi di etching:Classificazione dei processi di etching:
Surface etchingrimozione di film sottili dalla superficie del waferBulk etchingrimozione di parte del substrato (lo stesso wafer)
2
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di EtchingIl termine “etching” si riferisce ai processi di rimozione selettiva di materialedalla superficie o dal corpo del wafer di silicio.
Anisotropia
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
La struttura cristallografica di alcuna materiali ed il conseguente diversonumero di atomi nei diversi piani cristallografici risulta in velocità di etchingdiverse nelle varie direzioni.
Classificazione dei processi di etching (cont.ed) :Wet etchingrimozione per attacco chimico in fase liquidaDry etchingtipicamente plasma o vapore
Isotropic
Anisotropic
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di EtchingIl termine “etching” si riferisce ai processi di rimozione selettiva di materialedalla superficie o dal corpo del wafer di silicio.
Anisotropia
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
La struttura cristallografica di alcuna materiali ed il conseguente diversonumero di atomi nei diversi piani cristallografici risulta in velocità di etchingdiverse nelle varie direzioni.
Isotropic
Anisotropic
3
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di EtchingDefiniamo alcuni parametri.
Undercut
Di i l h
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S Distanza rimossa sotto la maschera
Bias B
B=dfilm-dmask B è pari al doppio dell’undercut
Etching Anisotropy A
A= 1 – ERL/ERV
ER E h l l ER E h i lERL: Etch rate laterale, ERV: Etch rate verticale
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
4
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching: Silicon
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching: Silicon
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
5
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching: Silicon
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di EtchingEtching anisotropico del silicio monocristallino con KOH
KOH
attacca rapidamente il Silicio monocristallino
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S attacca lentamente SiO2 e Si3N4 (materiali usati
per la passivazione e la protezione di IC)
attacca l'alluminio che deve invece essereprotetto
libera ioni K+ che possono alterare i livelli didrogaggio
Surface (100)
Due gruppi OH- reagiscono con gli atomi insuperficie
La presenza dei gruppi OH- rende il legame covalenteinterno debole
6
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di EtchingEtching anisotropico del silicio monocristallino con KOH
KOH
attacca rapidamente il Silicio monocristallino
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S attacca lentamente SiO2 e Si3N4 (materiali usati
per la passivazione e la protezione di IC)
attacca l'alluminio che deve invece essereprotetto
libera ioni K+ che possono alterare i livelli didrogaggio
Si ha dunque una nuova reazione con i gruppi OH-
La molecola neutra Si(OH)4
abbandona la superficie
Si(OH)4 è instabile in acqua
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di EtchingEtching anisotropico del silicio monocristallino con KOH
KOH
attacca rapidamente il Silicio monocristallino
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S attacca lentamente SiO2 e Si3N4 (materiali usati
per la passivazione e la protezione di IC)
attacca l'alluminio che deve invece essereprotetto
libera ioni K+ che possono alterare i livelli didrogaggio
La molecola neutra Si(OH)4 abbandona la superficie
Si(OH)4 è instabile in acqua
Reazione globale
7
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching: Wet EtchingEtching anisotropico del silicio monocristallino con KOH
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching: Wet EtchingConvex corners & Structures release
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
8
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching: Wet Etching
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching: Wet Etching
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
9
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching: Wet EtchingIl “quadrato principale”
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di EtchingEtching anisotropico del silicio monocristallino con KOH
Relazione tra l’apertura nella maschera e l’apertura sul fondo della cavità
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
zWW
z).(WW
m
m
2
7454cotan
0
0
10
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di EtchingEtching anisotropico del silicio monocristallino
Etch rate - Legge di Arrhenius
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
kT
hkliSaE
iieRR hklShklS
}{
}{0}{
ii hklShklS }{0}{
RSi{hkl} = velocità di attacco del piano {hkl}
R0Si{hkl} = coefficiente funzione della concentrazione della soluzione
EaSi{hkl} = energia di attivazione per il piano {hkl} e per una dataconcentrazione della soluzione
k = costante di Boltzmann
T = temperatura assoluta della soluzione
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di EtchingEtching anisotropico del silicio monocristallino
Le varie formesono il risultato di
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
intersezioni tra ipiani <111> con ipiani sul fondodello scavoparalleli allasuperficie delwafer:
- V-grooveV groove
-cavità piramidali
I piani <111>sono solitamentedi “stop” per iprocessi di etchinganisotropico
11
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching: compensazione “convex corner”Etching anisotropico del silicio monocristallino
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching: compensazione “convex corner”Etching anisotropico del silicio monocristallino
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
12
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching: compensazione “convex corner”Etching anisotropico del silicio monocristallino
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Concave
Convex
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching: compensazione “convex corner”Etching anisotropico del silicio monocristallino
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
13
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching: compensazione “convex corner”Etching anisotropico del silicio monocristallino
Si vuole ottenere una forma “convessa” secondo la maschera “A”
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S Si vuole ottenere una forma convessa secondo la maschera A
Il risultato finale è diverso da quello atteso
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching: compensazione “convex corner”Etching anisotropico del silicio monocristallino
Si vuole ottenere una forma “convessa” secondo la maschera “A”
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S Si vuole ottenere una forma convessa secondo la maschera A
Uso di “maschera compensata”
14
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching: compensazione “convex corner”Etching anisotropico del silicio monocristallino
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Sa
lva
tore
Ba
glio
I processi di Etching: esempioRilascio di una membrana sospesa
Microlavorazione
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
15
Sa
lva
tore
Ba
glio
I processi di Etching: esempioRilascio di una membrana sospesa
MicrolavorazioneM
icro
e N
ano
Sen
sori
–P
rof.
SS
alv
ato
re B
agl
io
Microlavorazione
I processi di Etching: Wet Etching
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
16
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di EtchingEtch Stop
Nei processi di microlavorazione tramite etching è richiesto il controlloaccurato delle dimensioni dei dispositivi e quindi è necessario controllare
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S accurato delle dimensioni dei dispositivi e quindi è necessario controllare
accuratamente la profondità di etching.
Questa è una operazione non facile quando sono richieste elevate accuratezze.
Al fine di controllare la profondità di etching possono essere utilizzati deglistrati “etch stop”: i materiali adottati hanno un etch rate molto inferiorerispetto al Silicio.
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di EtchingEtch Stop
Strati con elevati drogaggi di Boro possono essere utilizzati come etch stop.
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Per uno strato con drogaggio di Boro e concentrazione >1020 cm-3
KOH - l’etch rate diminusce di un fattore 20 (rispetto al Silicio)
TMAH - l’etch rate diminusce di un fattore 10 (rispetto al Silicio)
17
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di EtchingKOH Etching del Silicio
Sostanza molto largamente usata per la microlavorazione del Silicio
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Proporzioni tipiche:250 g KOH
200 g Propanol
800 g H2O
Utilizzo ad 80 °C con agitatore e condensatore per la raccolta dei vapori diPropanol
Etch rate tipici:p1 m/min per i piani <100> di Si (etch stop su strati p++)
14 Angstroms/min per Si3N4
20 Angstroms/min per SiO2
Anisotropia:
<111>:<110>:<100>→ 1:600:400
La presenza di potassio (K) rende tale processo incompatibile con i dispositivi CMOS
Sa
lva
tore
Ba
glio
TMAH Etching del Silicio
Tetra Methyl Ammonium Hydroxide
Microlavorazione
I processi di Etching
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Sostanza compatibile con CMOSNon sono presenti metalli alcalini disciolti (Li, Na, K, ... )
Se opportunamente corretto (Si) non attacca significativamente SiO2 ed Alluminio(Al) e quindi non danneggia i contatti elettrici (bonding pad)
Proporzioni tipiche:250 ml TMAH (25%)
800 ml H2O2
22 g di Si in polvere disciolto nella soluzione
Utilizzo ad 90 °C con agitatore
E’ necessario compensare la soluzione per ridurre la volatilità dell’ammoniaca
Etch rate tipico: 1 m/min
Anisotropia: <111>:<100>→ 1:30
18
Sa
lva
tore
Ba
glio
In questo caso la rimozione di materiale avviene per reazionecon un gas.
E’ ibil “ h ” “ l h ” hi
Microlavorazione
I processi di Etching: “Dry and Plasma” Etching
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S E’ possibile avere “vapor-phase” e “plasma-phase” etching
Vapor-phase etching
I gas tipicamente utilizzati sono i vari composti del Fluoro che attaccarapidamente il Silicio (XeF2)
Si ottiene un attacco isotropico ed abbastanza selettivo
L fi i tt t ò ffi i t t li lLe superfici ottenute sono, però, non sufficientemente lisce per alcuneapplicazioni (ottica)
Tali processi sono altamente controllabili
Maschere: SiO2 , PR, Al, Si3N4
Sa
lva
tore
Ba
glio
Plasma-phase etching
Tramite l’utilizzo di campi RF viene prodotto plasma nella camera dietching
Microlavorazione
I processi di Etching: “Dry and Plasma” Etching
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S etching.
Plasma: gas parzialmente ionizzato (SF6, CF4, NF3) composto da elementineutri, cariche positive (ioni+) e negative (elettroni–) in equilibrio dinamico.
Il plasma può reagire con il substrato per puro effetto chimico (plasmaetching) oppure per un effetto meccanico combinato grazie ad unaaccelerazione delle particelle libere dovuta ad una differenza di potenziale(reactive ion etching RIE)
Nei processi RIE il percorso degli ioni (SFx+) è pressoché verticale.
19
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching: Dry “Plasma” Etching
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching: Dry “Plasma” Etching
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
20
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
I processi di Etching: Dry “Plasma” Etching
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Sa
lva
tore
Ba
glio
Esempi di processo
ExamplesDRIE with SOI substrate
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
21
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
Confronto tra i processi di etching
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
Confronto tra i processi di etchingI processi di dry etching
Caratteristiche
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Riduce l’uso di soluzioni potenzialmente pericolose
Attacchi isotropici ed anisotropici
Attacchi direzionali non legati ai piani cristallografici
Elevata risoluzione spaziale
Ottimo controllo delle profondità di etching
Minore undercutting
22
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
Confronto tra i processi di etching
Wet etching: Realizzazione di “probe tip” per AFM
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Sa
lva
tore
Ba
glio
Dry etching: Realizzazione di una molla di forma complessa
Microlavorazione
Confronto tra i processi di etching
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
23
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
Esempio di microfabbricazione
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
Esempio di microfabbricazione
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
24
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
Esempio di microfabbricazione
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S
Sa
lva
tore
Ba
glio
Microlavorazione
Esempio di microfabbricazione
Mic
ro e
Nan
o S
enso
ri –
Pro
f. S