El grabado se utiliza en la microfabricación para eliminar químicamente capas de la superficie de una oblea durante la fabricación. El grabado es un módulo de proceso de importancia crítica en la fabricación y cada oblea pasa por muchos pasos de grabado antes de completarse.
En muchos pasos de grabado, parte de la oblea está protegida del agente de grabado mediante un material de "enmascaramiento" que resiste el grabado. En algunos casos, el material de enmascaramiento es una fotorresistencia que se ha modelado mediante fotolitografía . En otras situaciones se requiere una máscara más duradera, como el nitruro de silicio .
Los dos tipos fundamentales de reactivos de grabado son los de fase líquida ("húmedos") y los de fase plasmática ("secos"). Cada uno de ellos existe en distintas variedades.
Los primeros procesos de grabado utilizaban reactivos de grabado en fase líquida ("húmeda"). Este proceso está en gran parte obsoleto, pero se utilizó hasta finales de la década de 1980, cuando fue reemplazado por el grabado con plasma seco. [1] : 147 La oblea se puede sumergir en un baño de reactivo de grabado, que debe agitarse para lograr un buen control del proceso. Por ejemplo, el ácido fluorhídrico tamponado (BHF) se utiliza comúnmente para grabar dióxido de silicio sobre un sustrato de silicio .
Se pueden utilizar diferentes grabadores especializados para caracterizar la superficie grabada.
Los reactivos de grabado húmedo suelen ser isotrópicos, lo que genera un gran sesgo al grabar películas gruesas. Además, requieren la eliminación de grandes cantidades de residuos tóxicos. Por estos motivos, rara vez se utilizan en los procesos de última generación. Sin embargo, el revelador fotográfico utilizado para la fotorresistencia se parece al del grabado húmedo.
Como alternativa a la inmersión, las máquinas de obleas individuales utilizan el principio de Bernoulli para emplear un gas (normalmente, nitrógeno puro ) para amortiguar y proteger un lado de la oblea mientras se aplica el agente de grabado al otro lado. Puede hacerse tanto en el lado frontal como en el posterior. La química del grabado se dispensa en el lado superior cuando está en la máquina y el lado inferior no se ve afectado. Este método de grabado es particularmente eficaz justo antes del procesamiento "backend" ( BEOL ), donde las obleas normalmente son mucho más delgadas después del pulido posterior de las obleas y muy sensibles al estrés térmico o mecánico. El grabado de una capa fina de incluso unos pocos micrómetros eliminará las microfisuras producidas durante el pulido posterior, lo que dará como resultado que la oblea tenga una resistencia y una flexibilidad drásticamente mayores sin romperse.
Algunos reactivos de grabado húmedo graban los materiales cristalinos a velocidades muy diferentes según la cara del cristal que esté expuesta. En materiales monocristalinos (por ejemplo, obleas de silicio), este efecto puede permitir una anisotropía muy alta, como se muestra en la figura. El término "grabado cristalográfico" es sinónimo de "grabado anisotrópico a lo largo de los planos cristalinos".
Sin embargo, para algunos materiales no cristalinos como el vidrio, existen formas no convencionales de grabar de manera anisotrópica. [2] Los autores emplean un flujo laminar de corriente múltiple que contiene soluciones de grabado y no grabado para fabricar una ranura de vidrio. La solución de grabado en el centro está flanqueada por soluciones no grabadoras y el área en contacto con las soluciones de grabado está limitada por las soluciones no grabadoras circundantes. La dirección de grabado es, por lo tanto, principalmente vertical a la superficie del vidrio. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) demuestran la ruptura del límite teórico convencional de la relación de aspecto (ancho/alto = 0,5) y contribuyen a una mejora doble (ancho/alto = 1).
Existen varios reactivos de grabado húmedo anisotrópicos para el silicio, todos ellos cáusticos acuosos calientes. Por ejemplo, el hidróxido de potasio (KOH) muestra una selectividad de velocidad de grabado 400 veces mayor en las direcciones de cristal <100> que en las direcciones <111>. El EDP (una solución acuosa de etilendiamina y pirocatecol ), muestra una selectividad <100>/<111> de 17X, no graba el dióxido de silicio como lo hace el KOH y también muestra una alta selectividad entre el silicio ligeramente dopado y el silicio fuertemente dopado con boro (tipo p). El uso de estos reactivos de grabado en obleas que ya contienen circuitos integrados CMOS requiere proteger los circuitos. El KOH puede introducir iones de potasio móviles en el dióxido de silicio , y el EDP es altamente corrosivo y cancerígeno , por lo que se requiere cuidado en su uso. El hidróxido de tetrametilamonio (TMAH) presenta una alternativa más segura que el EDP, con una selectividad de 37X entre los planos {100} y {111} en silicio.
Al grabar una superficie de silicio (100) a través de un orificio rectangular en un material de enmascaramiento, como un orificio en una capa de nitruro de silicio, se crea un hoyo con paredes laterales planas e inclinadas orientadas a {111} y un fondo plano orientado a (100). Las paredes laterales orientadas a {111} tienen un ángulo con respecto a la superficie de la oblea de:
Si se continúa el grabado hasta el final, es decir, hasta que desaparece el fondo plano, el hoyo se convierte en una zanja con una sección transversal en forma de V. Si el rectángulo original era un cuadrado perfecto, el hoyo, una vez grabado hasta el final, presenta una forma piramidal.
El socavado, δ , debajo de un borde del material de enmascaramiento viene dado por:
donde R xxx es la velocidad de grabado en la dirección <xxx>, T es el tiempo de grabado, D es la profundidad de grabado y S es la anisotropía del material y el grabador.
Los distintos reactivos de grabado tienen diferentes anisotropías. A continuación se muestra una tabla de reactivos de grabado anisotrópicos comunes para silicio:
Los procesos modernos de integración a muy gran escala (VLSI) evitan el grabado húmedo y utilizan en su lugar el grabado con plasma . Los grabadores de plasma pueden funcionar en varios modos ajustando los parámetros del plasma. El grabado con plasma ordinario funciona entre 0,1 y 5 Torr . (Esta unidad de presión, comúnmente utilizada en la ingeniería de vacío, equivale aproximadamente a 133,3 pascales ). El plasma produce radicales libres energéticos , con carga neutra , que reaccionan en la superficie de la oblea. Dado que las partículas neutras atacan la oblea desde todos los ángulos, este proceso es isotrópico.
El grabado con plasma puede ser isotrópico, es decir, exhibir una tasa de socavación lateral sobre una superficie estampada aproximadamente igual a su tasa de grabado descendente, o puede ser anisotrópico, es decir, exhibir una tasa de socavación lateral menor que su tasa de grabado descendente. Dicha anisotropía se maximiza en el grabado con iones reactivos profundos (DRIE). El uso del término anisotropía para el grabado con plasma no debe confundirse con el uso del mismo término cuando se hace referencia al grabado dependiente de la orientación.
El gas fuente del plasma suele contener pequeñas moléculas ricas en cloro o flúor . Por ejemplo, el tetracloruro de carbono (CCl4 ) ataca el silicio y el aluminio , y el trifluorometano ataca el dióxido de silicio y el nitruro de silicio . Se utiliza un plasma que contiene oxígeno para oxidar (" convertir en cenizas ") la fotorresistencia y facilitar su eliminación.
El grabado iónico , o grabado por pulverización catódica , utiliza presiones más bajas, a menudo tan bajas como 10 −4 Torr (10 mPa). Bombardea la oblea con iones energéticos de gases nobles , a menudo Ar + , que eliminan átomos del sustrato mediante la transferencia de momento . Debido a que el grabado se realiza mediante iones, que se aproximan a la oblea aproximadamente desde una dirección, este proceso es altamente anisotrópico. Por otro lado, tiende a mostrar una selectividad pobre. El grabado por iones reactivos (RIE) opera en condiciones intermedias entre el grabado por pulverización catódica y el grabado por plasma (entre 10 −3 y 10 −1 Torr). El grabado por iones reactivos profundo (DRIE) modifica la técnica RIE para producir características profundas y estrechas.
Si el grabado tiene como finalidad crear una cavidad en un material, la profundidad de la cavidad se puede controlar de forma aproximada utilizando el tiempo de grabado y la velocidad de grabado conocida. Sin embargo, con mayor frecuencia, el grabado debe eliminar por completo la capa superior de una estructura multicapa, sin dañar las capas subyacentes o de enmascaramiento. La capacidad del sistema de grabado para hacer esto depende de la relación de las velocidades de grabado en los dos materiales ( selectividad ).
Algunos grabados socavan la capa de enmascaramiento y forman cavidades con paredes laterales inclinadas. La distancia de socavación se denomina sesgo . Los grabadores con un sesgo grande se denominan isotrópicos , porque erosionan el sustrato de manera uniforme en todas las direcciones. Los procesos modernos prefieren en gran medida los grabados anisotrópicos , porque producen características nítidas y bien controladas.
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