Оптимизация Bosch-процесса травления



Описана методика оптимизации процесса глубинного плазмохимического процесса для получения вертикальных боковых стенок при изготовлении различных МЭМС- устройств, в частности на примере микромеханического вибрационного кольцевого гироскопа.

Ключевые слова: гироскоп, резонатор, плазмохимическое травление, Bosch-процесс, окисление

За последние несколько десятков лет рынок микроэлектромеханических систем (МЭМС) претерпевает быстрый рост, развивается он благодаря достижению большого объема производства, малых массогабаритных характеристик, высокой надежности и низкой себестоимости единиц продукции. К тому же большая экономическая эффективность и различные сферы применения (автомобильная, оборонная и биомедицинская промышленности) свидетельствуют об актуальности данного направления исследования.

При изготовлении МЭМС-устройств применяются различные методы и технологические операции такие как, легирование, диффузия, травление и многие другие [1]. Для достижения высоких показателей воспроизводимости и точности характеристик изготовленных изделий применяются различные методы оптимизации. Например, при изготовлении микроэлектромеханического кольцевого вибрационного микрогироскопа, возникает проблема получения анизотропного профиля канавок вытравливаемых областей. Для решения данной проблемы можно применить метод плазмохимического травления с использованием Bosch технологии [2].

При Bosch-травлении используют несколько технологических процессов. Один из них это непрерывный, он может производиться в несколько стадий, но в едином вакуумном цикле.

Bosch- технология была запатентована компанией Bosch еще в 1992 году и с тех пор постоянно развивалась и совершенствовалась. Bosch- процесс интересен своими рекордными скоростями анизотропного травления и высокой селективностью материала относительно фоторезиста. Это достигается благодаря смешиванию плазмы фтора с плазмой фторуглерода. Исходным компонентом является так называемый элегаз (SF₆). Каждая молекула элегаза расщепляется с образованием свободных радикалов фтора, для пассивации используется октофторциклобутан (C₄F₈). Травление элегазом можно разделить на стадии:

1. Расщепление молекулы элегаза с образованием свободных радикалов фтора.

SF₆ + e^- →SF_x + F⁺ + 2e (1)

2. Травление полимера (CF₂)_n радикалами фтора с образованием летучего соединения C_x F_y.

nCF₂ + F →C_xF_y(газ) (2)

3. После удаления полимера радикалы фтора травят кремний, который удаляется как летучий SiF₄.

Si+4F→ SiF₄(газ) (3)

Травление пассивирующего слоя происходит по реакции:

(CF2)n+2F→CF4T (4)

Варьируя временами шагов травления и осаждения можно подобрать индивидуальную комбинацию для получения необходимого профиля, скорости травления и селективности. После каждого такого шага на боковых плоскостях канавок образуются шероховатые раковины (скаллопы). Чтобы сделать стенки канавки более гладкими, нужно минимизировать времена травления и пассивации, но что важно и скорость травления при этом уменьшается. Bosch процесс состоит из двух шагов:

1) осаждение полимерного слоя из плазмы C₄F₈;

2) травление в плазме SF₆.

Плазма SF₆ травит полимер на дне, после того как он будет удален, начинается изотропно травиться кремний. Травления полимера на стенах не происходит, потому что для травления полимеров требуются как радикалы, так и ионы. А бомбардировка ионам идет нормально к поверхности кристалла. За один цикл вытравливается от 0,5 до 1 мкм. Цикл повторяется, пока не будет достигнута нужная глубина травления [3–4]. Идеальное травление кремния — это баланс между количеством полимера на боковых стенках и на дне траншеи и длительности, интенсивности травления полимера и кремния. Баланс обеспечивается только для конкретной топологии маски и глубины травления. Изменяя конструкцию или глубину травления, баланс будет уходить от идеального случая.

Чтобы понять, как оптимизировать процессы травления, сначала определим, какие параметры можно изменить, и как эти параметры влияют на процесс травления. Параметры Bosch процесса:

1. Глобальные параметры: давление в камере, ICP Мощность, процент открытых областей, температура подложки.
2. Параметры шага травления: расход SF₆, напряжение смещения, время травления.
3. Параметры осаждения: расход C₄F₈, напряжение смещения, время осаждения.

Глобальные параметры в основном повлияют на анизотропию и концентрацию радикалов, параметры шагов травления и осаждения влияют на толщину осаждаемого полимера и глубину канавок.

Маршрут изготовления включает последовательность следующих процессов:

1. Термическое окисление стандартной пластины монокристаллического кремния, толщина диоксида кремния 1,2±0.1 мкм.
2. Формирование рисунка масок диоксида кремния на лицевой стороне пластины (шаблон № 1) и на тыльной стороне методами фотолитографии с двухсторонним совмещением и химического травления SiO2.
3. Нанесение пленки сплава АК-1 на лицевую сторону, толщина 2±0,1 мкм.
4. Формирование металлической разводки методам оптической фотолитографии и химического травления АК-1 через маску фоторезиста, отжиг.
5. Плазмохимическое травление обратной стороны на глубины 300±10 мкм, лицевой стороны на 100±2 мкм [5].

Для достижения наилучшего результата термическое окисление производилось при комбинации двух методов окисления кремния в среде жидкого и сухого кислорода в три этапа при постоянной температуре нагрева. Оптический профилометр не измеряет толщину прозрачных (как SiO2) пленок. Толщина слоя SiO₂ определялась по цвету пленки и на оптическом профилометре после формирования ступеньки в слое SiO₂ и напыления непрозрачного слоя Cr-Ni толщиной 0,1 мкм. Значение толщины определялось по цвету, сине-фиолетовый цвет соответствует толщине окисного слоя в 0,9 мкм.

Далее поочередно была сформирована маска в окисном слое на обеих сторонах пластины, проведено нанесение металлической разводки на лицевую сторону пластины.

Работы по травлению глубоких канавок в кремнии с помощью Bosch- процесса проводились на установке плазменного травления с источником индуктивно связанной плазмы. Для реализации технологии Bosch-процесса на установке ПХТ были составлены рецепты для управляющей программы травления по алгоритму. Значения параметров из рецепта наиболее удачного эксперимента показаны таблице 1.

Таблица 1

Наименование изначения параметров рецепта для процесса Bosch-травления

Температура пластины, ˚С		20
Количество циклов		165
Переменные		Значение
Процесс травления № 1
ETCH1_TIME	Время травления, сек.	2
ETCH1_SF6_FLOW	Поток газа, см3/мин.	259
ETCH1_PRESSURE	Давление в камере, Па.	4
ETCH1_HF_POWER	Мощность нижнего электрода, Вт.	20
ETCH1_ICP_POWER	Мощность верхнего электрода, Вт.	1200
Процесс травления № 2
ETCH2_TIME	Время травления, сек.	2
ETCH2_SF6_FLOW	Поток газа, см3/мин.	259
ETCH2_PRESSURE	Давление в камере, Па.	4
ETCH2_HF_POWER	Мощность нижнего электрода, Вт.	15
ETCH2_ICP_POWER	Мощность верхнего электрода, Вт.	1200
Процесс окисления
DEP_TIME	Время травления, сек.	3
DEP_C4F8_FLOW	Поток газа, см3/мин.	150
DEP_PRESSURE	Давление в камере, Па.	3
DEP_HF_POWER	Мощность нижнего электрода, Вт.	15
DEP_ICP_POWER	Мощность верхнего электрода, Вт.	1200

Травление тестовых структур проводилось через маску из Cr толщиной 0,1 мкм. Маска представляла собой канавки шириной 20 и 8 мкм. Первые 40 циклов производились с добавкой кислорода 15 % O₂ к SF₆. Глубина после травления измерялась с помощью профилометра. Профиль контролировался с помощью микроскопа, рис. 1.

Рис. 1. Фотографии профиля канавок на микроскопе Mira 3 LM — TESCAN

Таким образом, описана методика Bosch-процесса травления, обеспечивающая заданный анизотропный профиль стенок, при их наклоне равным 88 градусам.

Литература:

1. Аверин И. А., Пауткин В. Е. Особенности формирования микроэлектромеханических элементов первичных преобразователей информации/ Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. — 2014. — № 2 (30). — С. 24–32.
2. Сафронов А. и др. Малогабаритные пьезоэлектрические вибрационные гироскопы: особенности и области применения. — ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2006, № 8, с.62–64.
3. Процессы плазменного травления в микро- и нанотехнологиях:учебное пособие В. А. Галперин, Е. В. Данилкин, А. И. Мочалов; под ред. С. П. Тимошенкова. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. — 283 с.
4. Амиров И. И., Шумилов А. С. Влияние ионной бомбардировки на травление канавок в кремнии в высокоплотной фторуглеродной плазме. Эксперимент и модель. Москва. 2003. — С.302–305.
5. Шумилов A.C, Амиров И. И. Моделирование формирования глубоких канавокв Si в плазмохимическом, циклическом травление/пассивация процессе. Микроэлектроника. 2007.–Т.36. — № 4. — С.277–287.