ICP-RIE-Ätzen von Siliziumkarbid

Die Bewertung der Qualität von geätztem Siliziumkarbid erfordert die Messung der mittleren quadratischen Rauheit (RMS). Die Ergebnisse einer eingehenden Studie zeigen einen direkten Zusammenhang zwischen der Plasmaleistung und den UDC-Parametern für den Ätzprozess und die Oberflächenmorphologie.

Beim Ätzen interagieren die im Plasma erzeugten chemischen Verbindungen mit dem Siliziumkarbidsubstrat und lagern ihre Moleküle auf dessen Oberfläche ab, was zu lokalen Unterschieden in der chemischen Zusammensetzung führt und lokale Heterogenitäten in der chemischen Zusammensetzung erzeugt.

Ätzmittel

Die Wahl der Ätzmittel hängt von den Anforderungen an ein geätztes Muster ab. So eignen sich einige Ätzmittel besser für das Ätzen von polykristallinem 3C-SiC als von einkristallinem SiC, und ihre Ätzraten hängen auch von Temperaturschwankungen ab. Manchmal kann es auch notwendig sein, mehrere Ätzmittel miteinander zu kombinieren, um mit ICP-RIE nichtplanare Mikrostrukturen wie Trenches oder Mesa-Strukturen mit geneigten Seitenwänden in kontrollierten Winkeln zu erzeugen. All diese Variablen lassen sich mit ICP-RIE steuern und kontrollieren.

ICP-RIE ist eine wirksame Kombination physikalischer und chemischer Ätzmechanismen, die es ermöglicht, durch geschickte Steuerung des Flusses reaktiver Ionen und des Energieeintrags komplexe Muster zu erzeugen. Um ungleichmäßige Seitenwände und Unterschneidungen auf den Maskenoberflächen zu vermeiden, muss der Fluss durch geschickte Einstellung der HF-Leistung gesteuert werden, um die Plasmaionen zu beschleunigen, eine Selbstpolarisationsspannung für das Substrat zu erzeugen und eine Selbstpolarisationsspannung der Substratoberfläche zu erzeugen. Dieses Gleichgewicht kann durch die Fähigkeit von ICP-RIE erreicht werden, komplexe Muster mit komplizierten Details auf komplexen Oberflächen zu entwerfen - komplexe Muster mit großen Details auf Oberflächen ohne Unterschneidung von Seitenwänden oder Unterschneidung auf Maskenoberflächen zu erzeugen. Bei der Erstellung von Mustern auf Maskenoberflächen muss jedoch auch sichergestellt werden, dass gleichmäßige Seitenwände oder Unterschneidungen auftreten, da dieses Gleichgewicht zwischen physikalischen und chemischen Ätzmechanismen aufrechterhalten werden muss, mit ausgewogenen Strömen reaktiver Ionenflussenergie, um ungleichmäßige Seitenwände oder Unterschneidungen auf Oberflächenmasken zu vermeiden. Um dies effektiv zu erreichen, müssen Sie reaktive Ionen- und Energieflüsse/Energieflüsse/Energie über die Kontrolle von reaktivem Ionenfluss/Energiefluss/Energie sorgfältig steuern. Das ICP-RIE-Verfahren kann dies durch geschickte Kontrolle von Fluss/Energiefluss/Energiefluss/Energiefluss/Energie durch sorgfältige Manipulation von Fluss/Energie/Fluss ermöglichen, während Energie durch Kontrolle/Anpassung der HF-Leistung kontrolliert/erzeugt/erzeugt werden kann, um die erzeugten Plasmaionen zu beschleunigen und eine Selbstpolarisationsspannung auf dem Substrat zu erzeugen.

Durch die Wahl eines optimalen Temperaturmodus für die Substrathalter kann die Ätzrate noch weiter erhöht werden. Dieser Effekt tritt ein, weil mit steigender Temperatur die gesamte auf der abgedeckten Oberfläche vorhandene kohlenstoffhaltige Säure an der chemischen Reaktion beteiligt ist, was zu einer Angleichung der Ätzraten sowohl in defektfreien als auch in unvollkommenen Bereichen des Siliziumkarbidsubstrats führt.

Ein weiterer Faktor, der die Ätzrate und -qualität beeinflusst, ist die Zusammensetzung des im Plasma verwendeten Gases. Hier kann sich die Menge des vorhandenen Sauerstoffs auf die Verweildauer der Radikale auf den zu ätzenden Oberflächen auswirken; dieser Effekt verstärkt sich bei höheren Gasdurchsätzen. Daher wäre die Verwendung einer Ätzgaszusammensetzung mit einem Sauerstoffgehalt von 20-25% zur Erzielung maximaler Ätzraten sehr empfehlenswert.

Vorbereitung

ICP-RIE ist ein Trockenätzverfahren, das bei der Herstellung verschiedener Halbleiterbauelemente weit verbreitet ist. Die Ätztechnik hat sich als besonders nützlich für die Bearbeitung harter Materialien wie Siliziumkarbid erwiesen, das in verschiedenen Geräten der Leistungselektronik5 und mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) eingesetzt werden kann. ICP-RIE kann auch nichtplanare Strukturen herstellen, wie MESA-Strukturen mit geneigten Seitenwänden oder Grabenstrukturen mit verjüngten Seiten, wobei eine hohe Oberflächenglätte erhalten bleibt. Der Erfolg von ICP-RIE beim Ätzen von SiC hängt in hohem Maße von der Auswahl geeigneter Prozessparameter ab. Um optimale Ätzergebnisse zu erzielen, muss der Prozess vollständig wiederholbar und stabil sein, ohne Erosion des Maskenmaterials und ohne “Mikromaskierung”.”

ICP-RIE hat sich beim Ätzen von SiC für Anwendungen wie Leistungselektronik und MEMS als sehr erfolgreich erwiesen, doch der Prozess ist nicht ohne Herausforderungen; daher müssen die geeigneten Ätzbedingungen sorgfältig ausgewählt werden, um das Substrat nicht zu beschädigen, und während des Ätzprozesses angepasst werden, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Eine wichtige Determinante der Ätzbedingungen im Plasma ist die Sauerstoffkonzentration. Studien haben gezeigt, dass die SiC-Ätzrate stark vom Sauerstoffanteil im Plasma abhängt. Mit steigendem Sauerstoffgehalt im Plasma sinken die SiC-Ätzraten aufgrund der Verdünnung der Fluorkonzentration mit Sauerstoff und der Bildung von flüchtigen SiFx (1×4)-Verbindungen auf den vom Plasma geätzten Oberflächen.

Zusätzlich muss die Plasmatemperatur angepasst werden, um den Ätzprozess zu regulieren. Das Ätzen sollte unterhalb des Schmelzpunkts von SiC erfolgen, um beste Ergebnisse zu erzielen und Oxidation und Rissbildung des Substrats während des Ätzens zu vermeiden. Idealerweise liegen die Temperaturen im Bereich von 300-400 °C, um zeitaufwändige Prozesse zu minimieren und gleichzeitig das Risiko thermischer Spannungen in MESA-Strukturen oder Grabenstrukturen zu vermeiden.

Ätzen

Das Ätzen von Siliziumkarbid kann mit verschiedenen Methoden erfolgen, vom Nassätzen und Gasätzen über das Flüssigätzen (z. B. mit Wasser) bis hin zum Plasma, um die Parameter eines Ätzprozesses genau festzulegen, z. B. die Geschwindigkeit, den Neigungswinkel der Seitenwände von MESA-Strukturen, die Oberflächenmorphologie und die Oberflächenrauheit. Es ist wichtig, dass alle diese Parameter genau festgelegt werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Beim induktiv gekoppelten Plasma (ICP) mit SF6 + O2 ist die Wahl der richtigen Prozessbedingungen besonders wichtig, da dieses Gasgemisch die Herstellung von Strukturen mit nahezu senkrechten Wänden ermöglicht und gleichzeitig eine hohe Ätzrate bietet.

Die Auswirkungen der Temperatur des Substrathalters auf den Ätzprozess wurden eingehend untersucht, und die Ergebnisse zeigten, dass die mittlere quadratische Rauheit der SiC-Oberflächen mit zunehmender Temperatur des Substrathalters abnahm; dies kann auf zunehmende Beiträge chemischer Komponenten, auf Ausgleichsraten in defektfreien und unvollkommenen Bereichen des Kristallgitters des SiC-Substrats oder auf eine geringere Wiederabscheidung durch Ionenbeschuss zurückgeführt werden.

Wie aus den in Abb. 6 gezeigten REM-Mikrofotografien hervorgeht, wies die Struktur nach dem Ätzen mit einer Plasmaleistung von 25 W hohe Qualitätsmerkmale auf. Umgekehrt nahm die Qualität bei niedrigeren RIE-Leistungen ab, und auf der Oberfläche waren Säulen zu erkennen.