Piikarbidin ICP-RIE-syövyttäminen

Etsatun piikarbidin laadun arviointi edellyttää sen neliöllisen keskiarvon mukaisen karheuden (RMS) mittaamista. Perusteellisen tutkimuksen tulokset osoittavat, että etsausprosessin plasmatehon ja UDC-parametrien sekä pinnan morfologian välillä on suora yhteys.

Etsausprosessin aikana plasman tuottamat kemialliset yhdisteet ovat vuorovaikutuksessa piikarbidialustan kanssa ja kerrostavat molekyylejään sen pinnalle, mikä johtaa paikallisiin eroihin kemiallisessa koostumuksessa ja aiheuttaa paikallisia epähomogeenisuuksia sen kemiallisessa rakenteessa.

Syövyttävät aineet

Etsausaineiden valinta riippuu etsattavalle kuviolle asetetuista vaatimuksista. Esimerkiksi jotkut etsausaineet sopivat paremmin monikiteisen 3C-SiC:n etsaukseen kuin yksikiteisen SiC:n etsaukseen; niiden etsausnopeudet riippuvat myös lämpötilan vaihteluista. Joskus voi myös olla tarpeen yhdistää useita etsausaineita toisiinsa, jotta ICP-RIE-menetelmällä voidaan muodostaa ei-tasomaisia mikrorakenteita, kuten kaivantoja tai mesa-rakenteita, joiden sivuseinät ovat kallistuneet hallituissa kulmissa. Kaikkia näitä muuttujia voidaan hallita ja säätää ICP-RIE-menetelmän avulla.

ICP-RIE on fyysisten ja kemiallisten syövytysmekanismien tehokas yhdistelmä, jonka avulla voidaan luoda monimutkaisia kuvioita säätelemällä taitavasti sekä reaktiivisten ionien virtausta että prosessiin syötettävää energiaa. Jotta vältetään epätasaiset sivuseinät ja alaleikkaukset maskipinnoilla, virtausta on hallittava taitavasti säätämällä RF-tehoa, jotta plasma-ionit kiihtyvät, substraatin itsensä polarisoitumisjännite syntyy ja substraatin pinnalle muodostuu itsensä polarisoitumisjännite. Tämä tasapaino saavutetaan ICP-RIE:n kyvyn avulla luoda tasapaino suunniteltaessa monimutkaisia kuvioita, joissa on hienoja yksityiskohtia monimutkaisilla pinnoilla – luomalla monimutkaisia kuvioita, joissa on hienoja yksityiskohtia pinnoilla ilman sivuseinien ali- tai maskin pintojen ali-syövyttämistä. Kuitenkin kuvioiden luomiseksi maskin pinnoille on myös varmistettava, että sivuseinämät ja alaleikkaukset muodostuvat tasaisesti, sillä tämä tasapaino on säilytettävä fysikaalisten ja kemiallisten syövytysmekanismien välillä, ja reaktiivisen ionivuon energian virtausten on oltava tasapainossa, jotta vältetään epätasaiset sivuseinämät tai alaleikkaukset maskin pinnoilla. Jotta tämä onnistuu tehokkaasti, on hallittava huolellisesti reaktiivista ionivuota ja energiavirtausta säätelemällä reaktiivista ionivuota ja energiavirtausta, minkä ICP-RIE-prosessi mahdollistaa hallitsemalla taitavasti virtausta ja energiavirtaustaenergiaa huolellisesti manipuloimalla virtausta/energiaa/virtausta, kun taas energiaa voidaan hallita/tuottaa/tuottaa säätämällä/säätämällä RF-tehoa syntyvien plasmaionien kiihdyttämiseksi, mikä luo itsepolarisaatiojännitteen substraatille.

Valitsemalla substraattipidikkeille optimaalisen lämpötilatilan voidaan etsausnopeuksia lisätä entisestään. Tämä johtuu siitä, että lämpötilan noustessa kaikki päällystetyn pinnan pinnalla oleva hiilipitoinen happo osallistuu kemialliseen reaktioon, minkä seurauksena etsausnopeudet tasoittuvat piikarbidialustan virheettömillä ja virheellisillä alueilla.

Toinen etsausnopeuteen ja -laatuun vaikuttava tekijä on plasmassa käytetyn kaasun koostumus. Tässä yhteydessä läsnä olevan hapen määrä voi vaikuttaa radikaalien viipymäaikaan etsattavilla pinnoilla; tämä vaikutus voimistuu suuremmilla kaasun virtausnopeuksilla. Siksi on erittäin suositeltavaa käyttää etsauskaasua, jonka happipitoisuus on 20–25%, jotta saavutetaan suurin mahdollinen etsausnopeus.

Valmistelu

ICP-RIE on kuivasyövytysmenetelmä, jota käytetään laajalti erilaisten puolijohdekomponenttien valmistuksessa. Syövytystekniikka on osoittautunut erityisen hyödylliseksi kovien materiaalien, kuten piikarbidin, käsittelyssä, sillä piikarbidilla on käyttömahdollisuuksia erilaisissa tehoelektroniikkalaitteissa⁵ ja mikroelektromekaanisissa järjestelmissä (MEMS). ICP-RIE:llä voidaan myös tuottaa ei-tasomaisia rakenteita, kuten MESA-rakenteita, joissa sivuseinät ovat kallistuneet, tai kaivannaisrakenteita, joiden sivut kapenevat, samalla kun pinnan sileys säilyy erittäin korkeana. ICP-RIE:n menestys SiC:n etsauksessa riippuu suuresti sopivien prosessiparametrien valinnasta; optimaalisten etsaus tulosten saavuttamiseksi prosessin on oltava täysin toistettavissa ja vakaa, ilman maskimateriaalin eroosiota ja ilman “mikromaskausta”.”

ICP-RIE-menetelmä on osoittautunut erittäin tehokkaaksi SiC:n etsauksessa esimerkiksi tehoelektroniikan ja MEMS-sovelluksissa, mutta prosessiin liittyy kuitenkin haasteita; siksi sopivat etsausolosuhteet on valittava huolellisesti, jotta substraattia ei vahingoiteta, ja niitä on säädettävä etsausprosessin aikana haluttujen tulosten saavuttamiseksi.

Plasmaetsausolosuhteiden tärkeä määräävä tekijä on happipitoisuus. Tutkimukset ovat osoittaneet, että SiC:n etsausnopeus riippuu voimakkaasti plasman happipitoisuudesta; plasman happipitoisuuden kasvaessa SiC:n etsausnopeudet laskevat, mikä johtuu fluoripitoisuuden laimentumisesta hapella sekä haihtuvien SiFx (1×4)-yhdisteiden muodostumisesta plasman etsämillä pinnoilla.

Lisäksi plasman lämpötilaa on säädettävä etsausprosessin hallitsemiseksi. Etsaus tulisi suorittaa SiC:n sulamispisteen alapuolella, jotta saavutetaan parhaat tulokset substraatin hapettumisen ja halkeilun välttämiseksi etsauksen aikana; ihanteelliset lämpötilat ovat 300–400 °C:n välillä, jotta aikaa vievät prosessit voidaan minimoida ja samalla eliminoida MESA- tai trench-rakenteisiin kohdistuvan lämpöjännityksen riski.

Etsaus

Piikarbidin syövytys voidaan toteuttaa useilla eri menetelmillä, kuten märkä- ja kaasusyövytyksellä, nestesyövytyksellä (esimerkiksi vedellä) sekä plasmasyövytyksellä, jotta syövytyksen parametrit – kuten syövytyksen nopeus, MESA-rakenteiden sivuseinien kaltevuuskulma, pinnan morfologia ja pinnan karheus – voidaan määrittää tarkasti. On olennaisen tärkeää, että kaikki nämä parametrit määritetään tarkasti, jotta tulokset voidaan optimoida.

SF6 + O2-induktiivisesti kytketyn plasman (ICP) osalta sopivien prosessiolosuhteiden valinta on erityisen tärkeää, sillä tämän kaasuseoksen avulla käyttäjät voivat luoda rakenteita, joiden seinämät ovat lähes pystysuoria, ja samalla saavuttaa korkean etsausnopeuden.

Substraattipidikkeen lämpötilan vaikutusta etsausprosesseihin on tutkittu perusteellisesti, ja tulokset osoittivat, että SiC-pintojen neliöllinen keskiarvoinen karheus pieneni substraattipidikkeen lämpötilan noustessa; tämä voi johtua kemiallisten komponenttien vaikutuksen kasvusta; tasoittumisnopeuksien yhtenäistymisestä SiC-substraatin kidehilan virheettömillä ja epätäydellisillä alueilla; tai ionipommituksen aiheuttaman uudelleenkerrostumisen vähenemisestä.

Kuten kuvassa 6 esitetyistä SEM-mikrokuvista voidaan havaita, kun etsaus suoritettiin 25 W:n plasmateholla, sen jälkeinen rakenne osoitti korkealaatuisia ominaisuuksia. Sen sijaan, kun etsaus suoritettiin pienemmillä RIE-tehoilla, laatu heikkeni ja pinnalla näkyi pylväitä.