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
