Szilícium-karbid ICP-RIE-maratása

A maratott szilícium-karbid minőségének értékeléséhez meg kell mérni annak négyzetes középértékű érdességét (RMS). Egy alapos vizsgálat eredményei kimutatták, hogy közvetlen összefüggés van a plazma teljesítménye, a maratási folyamat UDC-paraméterei és a felületi morfológia között.

A maratási folyamat során a plazma által előállított kémiai vegyületek kölcsönhatásba lépnek a szilícium-karbid hordozóval, és molekuláik lerakódnak annak felületén, ami a kémiai összetétel helyi eltéréseihez vezet, és helyi heterogenitásokat hoz létre a kémiai összetételében.

Maratószerek

A maratóanyagok kiválasztása a maratott mintára vonatkozó követelményektől függ. Például egyes maratóanyagok jobban alkalmasak a polikristályos 3C-SiC maratására, mint az egykristályos SiC-re; maratási sebességük pedig a hőmérséklet-ingadozásoktól is függ. Előfordulhat, hogy több maratószert is kombinálni kell egymással, hogy az ICP-RIE segítségével szabályozott szögben ferde oldalfalakkal rendelkező, nem sík mikroszerkezeteket, például árkokat vagy mesa-szerkezeteket lehessen kialakítani. Mindezeket a változókat az ICP-RIE segítségével lehet szabályozni és kezelni.

Az ICP-RIE a fizikai és kémiai maratási mechanizmusok hatékony kombinációja, amely lehetővé teszi komplex minták létrehozását a reaktív ionok áramlásának és a folyamatba bevitt energia ügyes szabályozásával. Az egyenetlen oldalfalak és a maszkfelületeken kialakuló alámetszések elkerülése érdekében az áramlást ügyesen kell szabályozni az RF-teljesítmény megfelelő beállításával, hogy felgyorsítsák a plazmaionokat, önpolarizációs feszültséget generáljanak a szubsztrátum számára, és előállítsák a szubsztrátum felületének önpolarizációs feszültségét. Ez az egyensúly az ICP-RIE azon képességén keresztül érhető el, hogy egyensúlyt teremt komplex felületeken bonyolult részleteket tartalmazó minták tervezésekor – így nagy részletességű, komplex minták hozhatók létre a felületeken anélkül, hogy az oldalfalak alámetszése vagy a maszkfelületeken alámetszés lépne fel. Azonban a maszkfelületeken történő mintázáshoz biztosítani kell az egyenletes oldalfalak kialakulását és az alámetszés elkerülését is, mivel ezt az egyensúlyt fenn kell tartani a fizikai és kémiai maratási mechanizmusok között, a reaktív ionfluxus energiájának kiegyensúlyozott áramlásával, hogy elkerülhető legyen az egyenetlen oldalfalak kialakulása vagy a maszkfelületeken történő alámetszés. Ennek hatékony megvalósításához gondosan kell kezelni a reaktív ion- és energiafluxust/energiafluxusokat/energiát a reaktív ionfluxus/energiafluxus/energia szabályozásával; az ICP-RIE-eljárás ezt a fluxus/energiafluxus/energiafluxus/energiafluxus/az energia áramlásának gondos manipulálásával, míg az energia szabályozható/előállítható az RF-teljesítmény szabályozásával/beállításával a keletkező plazmaionok felgyorsítása érdekében, ami önpolarizációs feszültséget hoz létre a hordozón.

A hordozótartók számára az optimális hőmérsékleti üzemmód kiválasztásával a maratási sebesség még tovább növelhető. Ez azért következik be, mert a hőmérséklet emelkedésével a lezárt felületen jelen lévő összes szénsavas anyag bekapcsolódik a kémiai reakcióba, ami azt eredményezi, hogy a szilícium-karbid hordozó hibamentes és hibás területein egyaránt kiegyenlítődnek a maratási sebességek.

A maratási sebességet és minőséget befolyásoló másik tényező a plazmában használt gáz összetétele. Ebben az esetben a jelen lévő oxigén mennyisége hatással lehet a gyökök tartózkodási idejére a maratott felületeken; ez a hatás a nagyobb gázáramlási sebességek mellett fokozódik. Ezért a maximális maratási sebesség elérése érdekében erősen ajánlott olyan maratógáz-összetétel használata, amely 20–25% oxigént tartalmaz.

Előkészítés

Az ICP-RIE egy száraz maratási eljárás, amelyet széles körben alkalmaznak különféle félvezető eszközök gyártásához. A maratási technológia különösen hasznosnak bizonyult olyan kemény anyagok megmunkálásában, mint a szilícium-karbid, amely számos teljesítményelektronikai eszközben⁵ és mikroelektromechanikus rendszerekben (MEMS) alkalmazható. Az ICP-RIE nem sík szerkezeteket is képes előállítani, például ferde oldalfalakkal rendelkező MESA-szerkezeteket vagy kúpos oldalakkal rendelkező árok-szerkezeteket, miközben továbbra is magas szintű felületi simaságot biztosít. Az ICP-RIE sikeressége a SiC-maratásban nagymértékben függ a megfelelő folyamatparaméterek kiválasztásától; az optimális maratási eredmények elérése érdekében a folyamatnak teljesen megismételhetőnek és stabilnak kell lennie, a maszkanyag eróziója és a “mikromaszkolás” nélkül.”

Az ICP-RIE rendkívül hatékonynak bizonyult a SiC maratásában olyan alkalmazásokhoz, mint a teljesítményelektronika és a MEMS, azonban a folyamatnak megvannak a maga kihívásai; ezért a megfelelő maratási feltételeket gondosan ki kell választani, hogy ne sérüljön a hordozó, és azokat a maratási folyamat során folyamatosan módosítani kell a kívánt eredmények elérése érdekében.

A plazma-maratási feltételek egyik fontos meghatározó tényezője az oxigénkoncentráció. Kutatások kimutatták, hogy a SiC maratási sebessége erősen függ a plazmában lévő oxigén százalékos arányától; a plazmában lévő oxigéntartalom növekedésével a SiC maratási sebessége csökken, mivel az oxigén felhígítja a fluor-koncentrációt, és illékony SiFx (1×4) vegyületek képződnek a plazmával maratott felületeken.

Ezen felül a plazmahőmérsékletet is pontosan be kell állítani a maratási folyamat szabályozása érdekében. A maratásnak a SiC olvadáspontja alatt kell történnie a legjobb eredmények elérése érdekében, azaz annak elkerülése érdekében, hogy a maratás során a hordozó oxidálódjon vagy repedések keletkezzenek rajta; az ideális hőmérséklet 300–400 °C közötti tartományba esik, hogy minimalizálhatóak legyenek az időigényes folyamatok, miközben kiküszöbölhető a MESA- vagy árok-szerkezetekben fellépő hőterhelés kockázata.

Rezsnyomat

A szilícium-karbid maratását különböző módszerekkel lehet végrehajtani, a nedves maratástól és a gázmaratástól kezdve a folyadékkal (például vízzel) történő maratáson és a plazmamaratáson át, hogy pontosan meg lehessen határozni a maratási folyamat paramétereit, mint például a maratási sebességet, a MESA-szerkezetek oldalfalainak dőlésszögét, a felületi morfológiát és a felületi érdességet. Az eredmények optimalizálása érdekében elengedhetetlen, hogy mindezeket a paramétereket pontosan meghatározzuk.

Az SF6 + O2 induktív csatolású plazma (ICP) esetében a megfelelő folyamatfeltételek kiválasztása különösen fontos, mivel ez a gázkeverék lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy szinte függőleges falú struktúrákat hozzanak létre, miközben egyúttal magas maratási sebességet is biztosít.

A hordozótartó hőmérsékletének a maratási folyamatokra gyakorolt hatását alaposan vizsgálták, és az eredmények azt mutatták, hogy a SiC-felületek négyzetes középértékű érdessége a hordozótartó hőmérsékletének emelkedésével csökkent; ez a kémiai komponensek növekvő hozzájárulásának, a SiC szubsztrát kristályrácsában a hibamentes és hibás régiók közötti kiegyenlítődési sebességnek, illetve az ionbombázás miatti csökkent újraképződésnek tulajdonítható.

Amint az a 6. ábrán látható SEM-mikrofotókból is kitűnik, amikor a maratást 25 W-os plazmateljesítménnyel végezték, az így kapott szerkezet kiváló minőségű jellemzőket mutatott. Ezzel szemben alacsonyabb RIE-teljesítmény mellett a minőség romlott, és a felületén oszlopok látszottak.