5-Attacco chimico - Facolta di Ingegneria
annuncio pubblicitario
Attacco chimico SOMMARIO Concetti base attacco chimico Proprietà attacco chimico Attacco umido o wet-etching Attacco secco o dry-etching: - Etching non assistito da plasma - Etching assistito da plasma o plasma etching - Reactive Ion Etching (RIE) - Deep Reactive Ion Etching (DRIE): - Plasma di risonanza elettronica di ciclotrone (ECR) - Plasma accoppiato induttivamente (ICP) Esempi di trasferimento della geometria mediante RIE e ICP Tecnologie di fabbricazione di dispositivi fotonici Crescita epitassiale core substrato Deposizione core substrato Esposizione core substrato resist Attacco chimico per trasferire la geometria Sviluppo core substrato • Uno dei parametri più importanti che contribuisce al successo di un processo di attacco è la maschera utilizzata per proteggere il campione • Tipi di maschera: resist metallo (Cr, Ni) materiale dielettrico (SiO2, Si3N4) L’attacco chimico si divide in: attacco chimico umido o wet-etching reagenti liquidi attacco chimico secco o dry-etching reagenti gassosi Proprietà attacco chimico • VELOCITÀ DI ATTACCO (etch-rate) • SELETTIVITÀ • DIREZIONALITÀ DI ATTACCO • PROFILO • Velocità di attacco: - rapporto tra la profondità del materiale rimosso e il tempo di attacco; - effetto di microloading: V1 < V2 1 2 • Selettività o massimo spessore che si può scavare: - rapporto delle velocità di attacco tra i differenti materiali buona selettività scarsa selettività • Direzionalità di attacco e anisotropia: - direzione preferenziale lungo la quale avviene la rimozione del materiale 𝐿 𝑉𝐿 𝐴𝑓 = 1 − = 1 − ℎ 𝑉𝐻 attacco isotropo attacco anisotropo • Profilo della geometria che si vuole realizzare attacco anisotropo: profilo verticale • Profilo della geometria che si vuole realizzare attacco anisotropo: attacco laterale e verticale: profilo verticale profilo non verticale • Profilo della geometria che si vuole realizzare attacco anisotropo: attacco laterale e verticale: profilo verticale profilo non verticale attacco della maschera: profilo non verticale attacco anche del substrato e quindi attacco non selettivo: profilo non verticale Attacco chimico umido (wet etching): Utilizza agenti liquidi per rimuovere materiale Attacco chimico umido (wet etching): Utilizza agenti liquidi per rimuovere materiale • Trasporto per diffusione dei reagenti chimici verso la superficie da rimuovere Attacco chimico umido (wet etching): Utilizza agenti liquidi per rimuovere materiale • Trasporto per diffusione dei reagenti chimici verso la superficie da rimuovere • Reazione chimica sulla superficie tra il materiale da rimuovere e le sostanze reagenti Attacco chimico umido (wet etching): Utilizza agenti liquidi per rimuovere materiale • Trasporto per diffusione dei reagenti chimici verso la superficie da rimuovere • Reazione chimica sulla superficie tra il materiale da rimuovere e le sostanze reagenti • Trasporto per diffusione dei prodotti di reazione lontano dalla superficie Prodotti di reazione Reagenti Diffusione Diffusione Reazione Substrato Attacco chimico umido (wet etching): Utilizza agenti liquidi per rimuovere materiale Fenomeni che condizionano la velocità dell’attacco -Trasporto dei reagenti e dei prodotti di reazione verso/da la superficie del campione - Velocità chimica della reazione Prodotti di reazione Reagenti Diffusione Diffusione Reazione Substrato Attacco chimico umido (wet etching): Utilizza agenti liquidi per rimuovere materiale Fenomeni che condizionano la velocità dell’attacco -Trasporto dei reagenti e dei prodotti di reazione verso/da la superficie del campione - Velocità chimica della reazione • Diffusione dei reagenti (ioni/molecole) dalla soluzione alla superficie •Adsorbimento e migrazione dei reagenti sulla superficie •Desorbimento dei prodotti finali di reazione •Diffusione dei prodotti desorbiti nella soluzione Attacco chimico umido (wet etching): Utilizza agenti liquidi per rimuovere materiale Fenomeni che condizionano la velocità dell’attacco • Formazione di molecole complesse sulla superficie e loro adsorbimento -Trasporto dei reagenti e dei prodotti di reazione verso/da la superficie del campione •Formazione di complessi attivati sulla superficie e loro adsorbimento - Velocità chimica della reazione •Dissociazione dei complessi attivati in prodotti di reazione e loro adsorbimento Attacco chimico umido (wet etching): Parametri che condizionano l’attacco umido: • Tipo e concentrazione dei reagenti • Temperatura della soluzione • Viscosità della soluzione • agitazione • Tipo di substrato da attaccare • Amorfo: metalli, dielettrici • Cristallino: semiconduttori Piano cristallografico da attaccare Attacco chimico umido (wet etching): Materiali semiconduttori: GaAs e composti ternari Zincoblenda: due reticoli cubici a facce centrate compenetranti, sfasati di a/4 <110> <111> = Ga = As <111> Attacco chimico umido (wet etching): Materiali semiconduttori: GaAs e composti ternari Esempi di profili di attacco ottenibili GaAs <100> attaccato con CH3OH:H3PO4:H2O2 (10:1:1) @ 300 K (011) (011) GaAs-AlGaAs <100> HCl:HF:H2O (10:1:1000) @ 278 K GaAs-AlGaAs <100> H3PO4:H2O2:H2O (3:1:50) @ 300 K HCL:H2O (1:2) @ 300 K Attacco chimico umido (wet etching): Alcuni esempi di soluzioni per attacco umido Aluminum Gallium Arsenide 1:1:30 – H2SO4:H2O2:H2O @ RT SU8 cured 3:1 – H2SO4: H2O2 @ 60°C Gallium Arsenide 3:1:50 – H3PO4:H2O2:H2O @ RT 1:1:30 - H2SO4:H2O2:H2O @ RT Gold 4g:2g:10ml - KI:I2:H2O @ 70°C Indium Tin Oxide (ITO) 1:1 – HCl:H2O @ RT 1:1:10 – HF:H2O2:H2O @ RT Photoresist (AZ type) Acetone Platinum 3:1 – HCl: HNO3 @ 80°C (Aqua regia) Silicon 1:1:1 - HF:HNO3:H2O @ RT Silicon Dioxide / Quartz / Glass HF – hot Silver 1 M HNO3 + light @ RT Titanium 1:9 HF:H2O @ RT Attacco chimico umido (wet etching): Microcavità cilindriche Attacco chimico umido (wet etching): Vantaggi: elevata selettività essendo l’attacco umido basato su una reazione chimica tra la superficie da rimuovere e la soluzione di attacco. Bassi costi. Svantaggi: attacco generalmente isotropo, che limita la risoluzione e non permette di ottenere profili verticali. Elevata sensibilità ai parametri ambientali. Attacco chimico secco (dry etching): Utilizza reazioni chimiche in plasma oppure fasci ionici altamente energetici per rimuovere materiale Flusso di plasma (1) Generazione reagenti (2) Diffusione Strato di gas stagnante (4) Reazione (3) Assorbimento (5) Diffusione dei prodotti di reazione Attacco chimico secco (dry etching): Vantaggi: elevato controllo sulle dimensioni del materiale attaccato maggiore direzionalità della rimozione attacco anisotropo profili di attacco verticali Svantaggi: alcuni gas sono abbastanza tossici e corrosivi rideposizione di composti non volatili sono necessari apparati o reattori molto costosi Dry etching: NON ASSISTITO DA PLASMA: utilizza la reazione spontanea di un’appropriata miscela di gas reattivi (es. XeF2) ASSISTITO DA PLASMA: utilizza la radiofrequenza (RF) per generare le reazioni chimiche Dry etching non assistito da plasma Il gas viene assorbito dalla superficie, si dissocia e reagisce asportando materiale Caratteristiche dell’etching con XeF2: - estremamente selettivo - elevata velocità di attacco - attacco isotropo Dry etching assistito da plasma RF Plasma: gas ionizzato composto da un numero uguale di ioni ed elettroni, e un numero differente di molecole non ionizzate Formazione del plasma: Miscela gassosa sottoposta all’azione di una scarica elettrica (RF) di intensità sufficiente per provocare un processo di ionizzazione a valanga: - gli elettroni per azione del campo elettrico, vengono accelerati ed acquistano energia cinetica che successivamente perdono in seguito agli urti con le particelle gassose; - l’energia trasferita nelle collisioni provoca la ionizzazione delle molecole del gas, generando altri elettroni liberi. Questi elettroni, a loro volta, vengono accelerati dal campo elettrico e il processo di ionizzazione a valanga può continuare, dando luogo in tutta la camera di reazione a un plasma stabile. Parametri che influenzano il plasma Temperatura - velocità di attacco - direzionalità Parametri che influenzano il plasma Temperatura - velocità di attacco - direzionalità Potenza - densità degli ioni - energia cinetica degli ioni Parametri che influenzano il plasma Temperatura - velocità di attacco - direzionalità Pressione - densità degli ioni - direzionalità degli ioni Potenza - densità degli ioni - energia cinetica degli ioni Parametri che influenzano il plasma Temperatura - velocità di attacco - direzionalità Potenza - densità degli ioni - energia cinetica degli ioni Pressione - densità degli ioni - direzionalità degli ioni Altre variabili - quantità di flusso di gas utilizzato - materiali che costituiscono il reattore - pulizia del reattore - effetto di carico o microloading - maschera utilizzata Reattori utilizzati nei processi di attacco con plasmi reattivi Reattore planare costituito da due elettrodi conduttivi paralleli di uguale area, il superiore dei quali viene alimentato mediante una sorgente a radiofrequenza (f=13.56MHz); il substrato, posto sull’elettrodo inferiore collegato a massa, è ad un potenziale negativo rispetto al plasma è sottoposto ad un notevole bombardamento di ioni positivi Reattore asimmetrico, tipico di un sistema rie, in cui il bombardamento di ioni viene esaltato dal fatto che l’area dell’elettrodo inferiore, dove viene posto il substrato, è molto più piccola dell’elettrodo superiore collegato a massa Tipi di etching assistiti da plasma: - Etching fisico - Etching chimico - Reactive Ion Etching (RIE) - Deep Reactive Ion Etching (DRIE) Etching fisico o sputter etching • ioni di gas inerte (es. Ar), che formano il plasma, sono accelerati da un campo elettrico • nell’impatto con il substrato parte dell’energia cinetica viene trasferita agli atomi superficiali, provocando la rimozione del materiale • elevata direzionalità • bassa selettività Etching chimico • specie ionizzate interagiscono con gli atomi superficiali del substrato producendo prodotti volatili • attacco isotropo • elevata selettività Reactive Ion Etching (RIE) • RIE = bombardamento ionico + azione chimica dei gas utilizzati • elevata anisotropia Svantaggi RIE • Conflitto tra la velocità di attacco e il profilo anisotropo - velocità di attacco (+) specie reattive (+) concentrazione (+) pressione gas (+) collisioni (+) anisotropia (-) Deep Reactive Ion Etching (DRIE) Plasma di Risonanza Elettronica di Ciclotrone (Electron Cyclotron Resonance-ECR): - le particelle cariche sono accelerate per azione di un campo magnetico associato ad una corrente ad alta frequenza (microonde) e ad alta tensione - plasma molto denso a basse pressioni - controllo separato della densità degli ioni reattivi e della loro energia cinetica - elevata selettività Deep Reactive Ion Etching (DRIE) Plasma accoppiato induttivamente (Inductively Coupled Plasma-ICP): - il plasma e l’elettrodo su cui si trova il substrato sono alimentati da due diversi generatori di RF Dry etching Reactive Ion Etching (RIE) high quality etching by RIE requires longer etching times and sidewall uniformity becomes more difficult to control as the etch depth is increased Inductively Coupled Plasma (ICP) by ICP technology lower etching times are required due to the high density plasma at low pressure, which improves anisotropy, etch-rate and selectivity Attacco mediante ICP Guida d’onda ridge di GaAs per applicazioni laser Tempo di attacco = 1 min Profilo verticale Bosch process ICP - Effetti di microloading Etch rate del GaAs in funzione della larghezza delle strisce Gli stessi parametri non generano lo stesso profilo in strisce più strette Uso combinato di attacco dry e wet Dispositivi fotonici a membrana
