El grabado profundo de iones reactivos ( DRIE ) es una subclase especial del grabado de iones reactivos (RIE). Permite un proceso de grabado altamente anisotrópico utilizado para crear orificios y zanjas de penetración profunda y de lados empinados en obleas /sustratos, generalmente con relaciones de aspecto altas . Fue desarrollado para sistemas microelectromecánicos (MEMS), que requieren estas características, pero también se utiliza para excavar zanjas para capacitores de alta densidad para DRAM y, más recientemente, para crear vías a través del silicio ( TSV ) en tecnología avanzada de empaquetado a nivel de oblea 3D.
En el proceso DRIE, el sustrato se coloca dentro de un reactor y se introducen varios gases. Se aplica un plasma en la mezcla de gases que rompe las moléculas de gas en iones. Los iones se aceleran hacia la superficie del material que se va a grabar y reaccionan con ella, formando otro elemento gaseoso. Esto se conoce como la parte química del grabado iónico reactivo. También hay una parte física: si los iones tienen suficiente energía, pueden expulsar átomos del material que se va a grabar sin que se produzca una reacción química.
Existen dos tecnologías principales para la DRIE de alta velocidad: criogénica y Bosch, aunque el proceso Bosch es la única técnica de producción reconocida. Tanto el proceso Bosch como el criogénico pueden fabricar paredes de 90° (verdaderamente verticales), pero a menudo las paredes son ligeramente cónicas, por ejemplo, 88° ("reentrante") o 92° ("retrógrada").
Otro mecanismo es la pasivación de las paredes laterales: los grupos funcionales SiO x F y (que se originan a partir de hexafluoruro de azufre y gases de ataque con oxígeno) se condensan en las paredes laterales y las protegen del ataque lateral. Como una combinación de estos procesos, se pueden crear estructuras verticales profundas.
En el método criogénico DRIE, la oblea se enfría a -110 °C (163 K ). La baja temperatura ralentiza la reacción química que produce el grabado isotrópico. Sin embargo, los iones siguen bombardeando las superficies orientadas hacia arriba y las graban. Este proceso produce zanjas con paredes laterales muy verticales. El principal problema del método criogénico DRIE es que las máscaras estándar de los sustratos se agrietan con el frío extremo, además de que los subproductos del grabado tienden a depositarse en la superficie fría más cercana, es decir, el sustrato o el electrodo.
El proceso Bosch, que debe su nombre a la empresa alemana Robert Bosch GmbH , que patentó el proceso, [1] [2] [3] [4] [5] [6] también conocido como grabado pulsado o multiplexado en el tiempo, alterna repetidamente entre dos modos para lograr estructuras casi verticales:
Cada fase dura varios segundos. La capa de pasivación protege todo el sustrato de futuros ataques químicos y evita que se produzcan nuevos grabados. Sin embargo, durante la fase de grabado, los iones direccionales que bombardean el sustrato atacan la capa de pasivación en el fondo de la zanja (pero no en los lados). Chocan con ella y la expulsan , exponiendo el sustrato al agente de grabado químico.
Estos pasos de grabado/depósito se repiten muchas veces, lo que da como resultado una gran cantidad de pasos de grabado isotrópicos muy pequeños que tienen lugar solo en el fondo de los hoyos grabados. Para grabar una oblea de silicio de 0,5 mm, por ejemplo, se necesitan entre 100 y 1000 pasos de grabado/depósito. El proceso de dos fases hace que las paredes laterales se ondulen con una amplitud de aproximadamente 100 a 500 nm . El tiempo del ciclo se puede ajustar: los ciclos cortos producen paredes más lisas y los ciclos largos producen una mayor velocidad de grabado.
La profundidad del grabado generalmente depende de la aplicación:
El DRIE se distingue del RIE por su profundidad de grabado. Las profundidades de grabado prácticas para el RIE (tal como se utiliza en la fabricación de circuitos integrados ) estarían limitadas a alrededor de 10 μm a una velocidad de hasta 1 μm/min, mientras que el DRIE puede grabar características mucho mayores, hasta 600 μm o más con velocidades de hasta 20 μm/min o más en algunas aplicaciones.
El grabado en vidrio con DRIE requiere una alta potencia de plasma, lo que dificulta encontrar materiales de máscara adecuados para un grabado verdaderamente profundo. El polisilicio y el níquel se utilizan para profundidades de grabado de 10 a 50 μm. En el grabado en vidrio con DRIE de polímeros, se lleva a cabo el proceso de Bosch con pasos alternos de grabado con SF6 y pasivación con C4F8 . Se pueden utilizar máscaras metálicas, pero su uso es costoso ya que siempre se requieren varios pasos adicionales de fotodeposición y deposición . Sin embargo, las máscaras metálicas no son necesarias en varios sustratos (Si [hasta 800 μm], InP [hasta 40 μm] o vidrio [hasta 12 μm]) si se utilizan resinas negativas amplificadas químicamente.
La implantación de iones de galio se puede utilizar como máscara de grabado en crio-DRIE. El proceso de nanofabricación combinado de haz de iones enfocado y crio-DRIE fue descrito por primera vez por N Chekurov et al en su artículo "La fabricación de nanoestructuras de silicio mediante implantación local de galio y grabado iónico reactivo profundo criogénico". [16]
DRIE ha permitido el uso de componentes mecánicos de silicio en relojes de pulsera de alta gama. Según un ingeniero de Cartier , “con DRIE no hay límite para las formas geométricas”. [17] Con DRIE es posible obtener una relación de aspecto de 30 o más, [18] lo que significa que una superficie puede ser grabada con una zanja de paredes verticales 30 veces más profunda que su ancho.
Esto ha permitido que los componentes de silicio puedan sustituir algunas piezas que normalmente están hechas de acero, como el espiral . El silicio es más ligero y más duro que el acero, lo que conlleva ventajas pero hace que el proceso de fabricación sea más complicado.