Incisione ICP-RIE del carburo di silicio

Per valutare la qualità del carburo di silicio inciso è necessario misurarne la rugosità quadratica media (RMS). I risultati di uno studio approfondito dimostrano l'esistenza di una relazione diretta tra la potenza del plasma e i parametri UDC del processo di incisione e la morfologia superficiale.

Durante il processo di incisione, i composti chimici generati dal plasma interagiscono con il substrato in carburo di silicio e depositano le loro molecole sulla sua superficie, determinando differenze localizzate nella composizione chimica e creando eterogeneità locali nella sua struttura chimica.

Sottostanti

La scelta dei composti di incisione dipende dai requisiti del motivo da incidere. Ad esempio, alcuni agenti di incisione sono più adatti all’incisione del SiC 3C policristallino rispetto al SiC monocristallino; inoltre, le loro velocità di incisione dipendono anche dalle fluttuazioni di temperatura. A volte può anche essere necessario combinare più agenti di incisione per formare microstrutture non planari, quali trincee o strutture mesa con pareti laterali inclinate ad angoli controllati, utilizzando la tecnica ICP-RIE. Tutte queste variabili possono essere gestite e controllate mediante la tecnica ICP-RIE.

L'ICP-RIE è un'efficace combinazione di meccanismi di incisione fisica e chimica, che consente di creare modelli complessi controllando abilmente sia il flusso di ioni reattivi sia l'apporto di energia nel processo. Per evitare pareti laterali irregolari e sottosquadri sulle superfici della maschera, è necessario un controllo accurato del flusso, ottenibile regolando con precisione la potenza RF al fine di accelerare gli ioni del plasma, generare una tensione di autopolarizzazione per il substrato e produrre una tensione di autopolarizzazione sulla superficie del substrato. Questo equilibrio può essere raggiunto grazie alla capacità dell’ICP-RIE di garantire l’equilibrio nella progettazione di pattern complessi che presentano dettagli intricati su superfici complesse – creando pattern complessi con grande dettaglio sulle superfici senza sottosquadri sulle pareti laterali o sulle superfici delle maschere. Tuttavia, per creare pattern sulle superfici della maschera è necessario garantire anche che le pareti laterali siano uniformi e che non si verifichino sottosquadri, poiché questo equilibrio deve essere mantenuto tra i meccanismi di incisione fisica e chimica, con flussi bilanciati di energia degli ioni reattivi per evitare pareti laterali irregolari o sottosquadri sulle superfici della maschera. Per farlo in modo efficace è necessario gestire con attenzione il flusso di ioni reattivi e il flusso di energia/energia tramite il controllo del flusso di ioni reattivi/flusso di energia/energia; il processo ICP-RIE può consentire ciò controllando abilmente il flusso/flusso di energia/flusso di energia/flusso di energia/energia attraverso un'attenta manipolazione del flusso/energia/flusso, mentre l’energia può essere controllata/generata/generata tramite il controllo/la regolazione della potenza RF per accelerare gli ioni del plasma generati, creando una tensione di autopolarizzazione sul substrato.

La scelta di una modalità di temperatura ottimale per i supporti dei substrati può aumentare ulteriormente le velocità di incisione. Questo effetto si verifica perché, all’aumentare della temperatura, tutto l’acido carbonioso presente sulla superficie ricoperta viene coinvolto nella reazione chimica, con il risultato di uniformare le velocità di incisione sia nelle aree prive di difetti che in quelle imperfette del substrato in carburo di silicio.

Un altro fattore che influenza la velocità e la qualità dell’incisione è la composizione del gas utilizzato nel plasma. In questo caso, la quantità di ossigeno presente può influire sul tempo di permanenza dei radicali sulle superfici da incidere; tale effetto si amplifica all’aumentare delle portate del gas. Pertanto, per ottenere velocità di incisione massime, si raccomanda vivamente di utilizzare una composizione del gas di incisione contenente 20-25% di ossigeno.

Preparazione

L'ICP-RIE è un metodo di incisione a secco ampiamente utilizzato per la produzione di vari dispositivi a semiconduttori. La tecnologia di incisione si è dimostrata particolarmente utile per la lavorazione di materiali duri come il carburo di silicio, che può trovare impiego in vari dispositivi di elettronica di potenza⁵ e nei sistemi microelettromeccanici (MEMS). L’ICP-RIE è inoltre in grado di produrre strutture non planari, quali le strutture MESA con pareti laterali inclinate o le strutture a trincea con fianchi rastremati, pur mantenendo elevati livelli di levigatezza superficiale. Il successo dell’ICP-RIE nell’incisione del SiC dipende in larga misura dalla scelta di parametri di processo appropriati; affinché si ottengano risultati di incisione ottimali, il processo deve essere pienamente ripetibile e stabile, senza erosione del materiale della maschera e senza “micromascheratura”.”

La tecnica ICP-RIE si è dimostrata estremamente efficace nell'incisione del SiC per applicazioni quali l'elettronica di potenza e i MEMS; tuttavia, il processo presenta alcune difficoltà; pertanto, è necessario selezionare con cura le condizioni di incisione adeguate per non danneggiare il substrato e regolarle durante il processo di incisione per ottenere i risultati desiderati.

Un fattore determinante per le condizioni di incisione al plasma è la concentrazione di ossigeno. Alcuni studi hanno dimostrato che la velocità di incisione del SiC dipende fortemente dalla percentuale di ossigeno presente nel plasma; all’aumentare del contenuto di ossigeno nel plasma, le velocità di incisione del SiC diminuiscono a causa della diluizione della concentrazione di fluoro da parte dell’ossigeno e della formazione di composti volatili SiFx (1×4) sulle superfici incise dal plasma.

Inoltre, la temperatura del plasma deve essere regolata in modo da controllare il processo di incisione. L'incisione dovrebbe avvenire al di sotto del punto di fusione del SiC per ottenere i migliori risultati in termini di prevenzione dell'ossidazione e della formazione di crepe nel substrato durante l'incisione; le temperature ideali dovrebbero rientrare nell'intervallo 300-400 °C, al fine di ridurre al minimo i tempi di lavorazione ed eliminare il rischio di sollecitazioni termiche nelle strutture MESA o nelle strutture a trincea.

Incisione

L'incisione del carburo di silicio può essere effettuata utilizzando vari metodi, dall'incisione a umido e dall'incisione con gas, passando per l'incisione con liquidi (come l'acqua) e quella al plasma, per definire con precisione i parametri di un processo di incisione, quali la velocità, l'angolo di inclinazione delle pareti laterali delle strutture MESA, la morfologia superficiale e la rugosità superficiale. È essenziale che tutti questi parametri siano specificati con precisione, in modo da ottimizzare i risultati.

Quando si parla di plasma accoppiato induttivamente (ICP) con miscela di SF₆ e O₂, la scelta delle condizioni di processo adeguate è particolarmente cruciale, dato che questa miscela di gas consente agli utenti di creare strutture con pareti quasi verticali, offrendo al contempo un’elevata velocità di incisione.

L’effetto della temperatura del supporto del substrato sui processi di incisione è stato studiato in modo approfondito e i risultati hanno mostrato che la rugosità quadratica media delle superfici in SiC diminuiva all’aumentare della temperatura dei supporti del substrato; ciò può essere attribuito al crescente contributo dei componenti chimici; all’uniformazione delle velocità tra le regioni prive di difetti e quelle imperfette nel reticolo cristallino del substrato di SiC; oppure alla ridotta rideposizione dovuta al bombardamento ionico.

Come si può osservare dalle microfotografie al SEM riportate nella Fig. 6, quando l’incisione è stata eseguita utilizzando una potenza del plasma di 25 W, la struttura risultante ha mostrato caratteristiche di elevata qualità. Al contrario, quando l’incisione è stata eseguita a potenze RIE inferiori, la qualità è diminuita e sulla superficie erano visibili delle protuberanze.