F3390 – Výroba mikro a nanostruktur
2024
Lekcia 5
Leptanie a lepenie
Základné procesy mikroobrábania
Základný vývojový diagram procesov pri mikrobrábaní: Prebehne depozícia vrstiev; Na
fotorezist sa litograficky vytvorí motív ktorý slúži jako maska pri leptaní podkladového
materiálu. Proces sa opakuje až kým nedôjde k dokončeniu požadovanej mikroštruktúry.
N. Maluf: An Introduction to Micromechanical Systems Engineering, Artech House 2004
Vytvorenie vrstvy
Leptanie
Obrazový motív
viď. F3370
Odoberanie materiálu
• Mokré a suché (plazmové) leptanie
• Leštenie
• Frézovanie (milling)
Leptanie – Je to alebo chemický proces, pri ktorom je materiál odstraňovaný pomocou
chemických reakcií medzi leptadlami a materiálmi, ktoré majú byť leptané, alebo fyzikálny
proces, keď sa materiál odstraňuje vysokoenergetickými časticami.
• Selektívnosť
Leptaním chceme odstrániť materiál skrz otvory v maske. Preto je dôležité, aby bola
samotná maska leptaná oveľa pomalšie ako substrát. Vysoká selektivita znamená malé
straty masky.
• Anizotrópnosť
Ideál je obraz masky dokonale prenesený na substrát. Rôzna rýchlosť
leptania v jednotlivých smeroch robí leptanie anizotrópne.
• Leptacia rýchlosť
Leptacia rýchlosť je definovaná ako hrúbka odleptaného materiálu za jednotku času.
Mokré leptanie
Mokré leptania je obvykle izotrópne,
šírenie leptania je možno popísať
sférickou vlnou.
Podleptávanie pri izotrópnom leptaní
sa s výhodou využíva pri MEMS pre
tzv undercutting.
Anizotrópne leptanie je typické pre
kremík leptaný zásadami, kde
rýchlosť leptania závisí od
kryštalického smeru.
Leptanie prebieha: v tanku (kúpeli,
lázni), sprejovaním(šetrí náklady)
alebo jednostranne na odstredivke
(spin coater). Typická je prevádzka pri
vyššej teplote.
Chemizmus
Typy mokrého leptanie možno z
chemického hľadiska rozdeliť na
dve hlavné triedy:
Leptanie kovov:
elektrónový transfer
Kov(s) → Kovn+ (aq) + neLeptanie
izolantov:
acido-bázická reakcia
SiO2 + 6HF → H2SiF6 (aq)+ 2H2O
(Metalografia, keramografia =
materiálografia)
Leptacia rýchlosť
- definovaná ako hrúbka odleptaného materiálu za jednotku času
Anizotrópne mokré leptanie
Tvrdá maska / hard mask
Chemická odolnosť fotorezistu nemusí byť vždy kompatibilná s potrebnou
leptacou látkou. Substrát sa preto pokryje odolnou vrstvou, na ktorej sa
pomocou fotorezistu vytvorí tzv. tvrdá maska.
Napr. Si3N4 leptá kyselina fosforečná (H3PO4) pri 180 °C. To žiadny fotorezist
nevydrží. Preto sa pomocou CVD nanesie na nitrid nová oxidová vrstva, ktorá
sa fotorezitom a HF vymaskuje. Oxidová vrstva slúži jako odolná maska
Iné:
Si / KOH – SiO2 je maska
Sklo / 49%HF – Ni, Cu, amorfný kremík
Elektrochemické leptanie
Kremík sa v HF neleptá, ale ak ho pripojíme do elektrického obvodu ako
anódu, pozorujeme leptanie na úrovni 1μm/min. Podľa veľkosti prúdu
pozorujeme vertikálne porézne leptanie (malý prúd), alebo rovnomerné
leptanie (elektroleštenie).
Nevýhodou tohto leptania je potreba elektrického kontaktu na celej
ploche Si.
Bola overená možnosť elektrochemicky leptať s AFM aj STM hrotom,
zapojeným v roztoku HF ako anóda.
Plazmové (suché) leptanie
Metóda je založená na premene materiálu leptaného substrátu na
prchavú (těkavú) látku.
Plazma vytvorí v pracovnom plyne atomárne radikály (halogény, kyslík),
ktoré následne chemicky reagujú so substrátom. Plazmu tvoria navyše
elektróny a kladné ióny, ktoré bombardujú prítomné povrchy.
Klasifikácia plazmatických procesov leptania
Rozdelenie na základe charakteru mechanizmu leptacieho procesu a zúčastňujúcich sa
častíc na reakciách na rozhraní plazma-povrch:
Fyzikálne leptanie
• Ióny sú urýchľované rozdielom potenciálov medzi plazmou a elektródou
• Pri dopade na povrch tuhej látky odovzdávajú impulz povrchovým atómom a erodujú povrch
rozprašovaním atómov z neho
• Je vysokosmerové, ale nedostatočne selektívne
Plazmochemické leptanie
• Využíva namiesto inertného plynu chemicky reaktívne plyny
• Plazma slúži ako zdroj chemicky vysokoreaktívnych častíc (radikálov a iných excitovaných
neutrálnych častíc), ktoré sa zúčastňujú reakcií na povrchu, pričom vznikajú prchavé produkty
• Leptanie je izotrópne a je vysokoselektívne
Fyzikálno-chemické leptanie
• Využíva súčasne fyzikálnu i chemickú interakciu aktívnych častíc (radikály, ióny, reaktívne ióny)
s leptaným povrchom
• V dôsledku chemisorpcie radikálov na povrchu sa oslabujú väzby povrchových atómov, ktoré
sú nasledovne ľahšie odprašované dopadajúcimi iónmi
• V dôsledku fyzikálnej erózie povrchu sa môže zvyšovať pravdepodobnosť chemických reakcií v
porovnaní s neexponovaným povrchom
• Iónové bombardovanie zabezpečuje energiu potrebnú pre chemické reakcie, ktoré môžu
priamo reagovať s povrchom
• Pri vhodnom výbere pracovného plynu je dostatočne selektívne a anizotrópne
Klasifikácia plazmatických procesov leptania
Oblasti technologických parametrov v jednotlivých typov leptania
(a) Ióny odprašujú povrch, najprv CH a O kontamináciu, potom vlastný
substrát.
(b) Ióny, ak sú chemicky aktívne, priamo reagujú so substrátom za vzniku
prchavej molekuly.
(c) Molekula na povrchu disociuje, čím vznikne na povrchu substrátu
atomárny radikál
(d) Radikál z plazmy alebo radikál difundujúci po povrchu reagujú so
substrátom, za vzniku prchavej molekuly.
RIE (reactive ion etching) usporiadanie s výhodou využíva všetky štyri
popísané interakčné mechanizmy.
Interakcie s povrchom
RIE plazmový reaktor
Zabezpečí kolmý dopad a kinetickú
energiu iónov
Kontrola RIE je výrazne experimentátorská a empirická záležitosť.
Prietok reaktívnych plynov – ak veľký = nestihnú disociovať; ak malý = pomalé
leptanie.
RF príkon – vyšší príkon zvýši ionizáciu v plazme a tým aj rýchlosť leptania. Súčasne
však zvýši aj podiel neselektívneho iónového odprašovania.
Pracovný tlak – 1-100 Pa. Nízky tlak znamená vyššiu energiu iónov, vyššiu
anizotrópnosť leptania (v plazme je anizotrópny synonymom pre vertikálny), menší
podiel chemických reakcií (dominuje odprašovanie). Nízky tlak ale znamená aj
drahšie zariadenie a problémy so zapálením a udržaním horenia plazmy.
Prímesi – 10% O2 v CF4 zvýši až 10x leptaciu rýchlosť, tým že podporí tvorbu F.
RIE s induktívne viazaným výbojom / ICP
Rieši dilemu vysokého stupňa ionizácie plazmy bez privysokého napätia v
stenovej vrstve tak, že plazmu zapáli mimo leptacej komory.
S takýmto zdrojom plazmy je možné uskupočniť deep RIE (DRIE) –
leptanie s veľkým aspektom.
Konfigurácia s planárnou cievkou
DRIE – tzv. Bosch process
Pre zaistenie čo najvyššej vertikálnosti/anizotropicity leptania vyvinuli v
Bosch GmbH proces prepínania pracovných plynov, ktorými sa zámerne
pasivujú bočné steny s cieľom potlačiť laterálne leptanie.
Zúbkovanie scalloping
effect :
Rieši sa optimalizáciou
procedúry
alebo kryoleptaním.
Bosch process
https://www.samcointl.com/what-is-the-bosch-process-deep-reactive-ion-etching/
Kritické problémy RIE
Loading (vsádzkový) effect –
nerovnomerné leptanie vďaka
nedostatočnému prísunu
reaktívnych radikálov na
leptaný povrch.
Macroloading – celkové
spomalenie rýchlosti leptania pri
veľkej vsádzke.
Microloading – lokálne vyčerpanie
radikálov, napr. v oblastiach v
vysokou hustotou leptaného
motívu.
ADRE – Aspect ratio dependent
etching – minimálne 8 rôznych
mechanizmov spôsobuje rozdielnu
rýchlosť leptania v závislosti od
rozmerov motívu.
Microtrenching effect – rýchlejšie leptanie v blízkosti stien. Vysvetľuje sa
odrazom iónov dopadajúcim na stenu pod uhlom >80°. Čím hlbšia drážka,
tým je jav prominentnejší (väčšia plocha pre odraz).
Notching effect – podrezávanie, laterálne leptanie na dne leptanej
štruktúry v kontaktne s odolným materiálom (napr. SOI – Si na SiO2).
Vysvetľuje sa hromadením kladného náboja na dielektrickom dne, ktorý
následne odkláňa nové dopadajúce ióny.
Poškodenie iónmi – napriek tomu že energia iónov pri leptaní je relatívne
malá (5-500 eV), ióny môžu preniknúť až do hĺbky 100 nm. Tvorba
defektov v mriežke siaha ešte hlbšie. Čiastočne možno riešiť následným
ohrevom (annealing, existuje však Tmax), alebo znížením kinetickej energie
iónov.
Porovnanie mokrého, anizotrópne mokrého a
plazmového leptania
Pre mnohé aplikácie je voľba leptacej metódy určená iba jej zložitosťou –
prednosť dostane metóda pre ktorú máme hardware, alebo pre ktorú existuje
jednoduchý maskovací materiál.
Keď potrebujeme šikmé steny, alebo podleptanie = izotrópne leptanie.
Hlboké leptanie sa robí mokrým anizotrópnym alebo DRIE leptaním.
Pre komplexné štruktúry (napr. MEMS) sa suché aj mokré leptacie postupy
kombinujú.
Tryska atramentovej (inkoustovej)
tlačiarne:
Manifold - anisotropic wet etching
Inlet channel - DRIE,
Chamber - isotropic wet etching
Nozzle guides - anisotropic plasma
etching
Iónové frézovanie / Ion milling
Iónové frézovanie je čisto fyzikálny postup založený na odprašovaní.
Používa sa na materiály, ktoré nie je možné chemicky odstrániť pomocou RIE.
Bežné ióny Ar+ s energiami 10-5 000 eV (väčšia energia by viedla k implantácii
iónov). Na rozdiel od reaktorov RIE vznikajú ióny oddelene od substrátu a
následne sú urýchlené.
Problémy:
- Nízka selektivita fyzikálneho odprašovania
komplikuje výber vhodnej masky, a vedie k
vzniku faziet.
- Odprášené materiály nie sú prchavé a preto sa
ukladajú na blízke povrchy (redepozícia).
Wang, X., Liu, Y., Xu, X., Fu, S., & Cui, Z. (2006). Reactive ion beam etching of
HfO2 film and removal of sidewall redeposition. Journal of Vacuum Science &
Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 24(4), 1067–
1072. doi:10.1116/1.2209657
Selective plasma etching at atmospheric pressure
Flexible transparent composite PMMA-based
polymer film/Ag-coated Cu metal wire mesh
substrates with conductive connection sites
Selective removal of thin (~ 10-100 nm) surface
PMMA layer
TCS from Sefar AG, Switzerland
Selective plasma etching at atmospheric pressure
Flexible transparent composite PMMA-based
polymer film/Ag-coated Cu metal wire mesh
substrates with conductive connection sites
Selective removal of thin (~ 10-100 nm) surface
PMMA layer
TCS from Sefar AG, Switzerland
Top view on TCS and and a detail on exposed wire top.
Selective plasma etching at atmospheric pressure
Composite element map of top of single
uncovered wire (A). Distance 0.35 mm,
treatment 1s
Element Concentration (at.%)
A B
C Carbon 34.5 92
O Oxygen 6.5 8
Ag Silver 58.5 0
Cu Copper 0.5 0
Exposed tops of metal wires after the etching
in ambient air, nitrogen and hydrogen plasma.
Selective plasma etching at atmospheric pressure
Chemicko-mechanické leštenie
Brúsenie – abrazívne častice 1-100 m pripevnené
rezínom k brusnému nástroju, „odpraskávajú“ kúsky
brúseného materiálu, ktorý následne unášajú.
Rýchla a hrubá metóda, ktorá ale zanecháva na
povrchu ryhy (drsnosť100nm).
Leštenie - jemnejšie častice 10-300 nm rozmiešané
v kvapaline (pasta), pričom proces odstraňovania
materiálu na je v úrovni individuálnych atómov
(drsnosť1nm).
Režimy:
-Priamy kontakt (maximálny tlak, abrazívne častice
sa o povrch trú)
-Valivý kontakt (nižší abrazívne častice sa po
povrchu kotúľajú)
-Bez-kontaktne (častice v paste sú unášané
hydrodynamicky)
MRF – Magnetorheological finishing, leštiaca pasta
z ferokvapaliny umožňuje intenzitou magnetického
poľa regulovať režim leštenia.
Chémia ChML / CMP – chemical-mechanical polishing
Pri chemicko-mechanickom leštení sa k mechanickým účinkom trecích síl
pridá aj chemické leptanie. Jednoduchým príkladom je leštenie wolframu:
W + 6Fe(CN)6
3- + 3H2O → WO3 + 6Fe(CN)6
4- + 6H+
Oxid wolframový má dve úlohy. Chrámi W pred ďalším leptaním, súčasne
sa však ľahšie mechanicky odstraňuje. Podobne pre Cu, kde Cu2O sa ľahko
odstraňuje.
Využitie leštenia
(a) Vyhladenie
(b) Rovinnosť
(c) Damaškovanie
(plnenie dutín kovom, hlavne Cu)
Po použití leštenia je mimoriadne dôležité dokonalé očistenie vyleštenej plochy !
Infračervený fotonický kryštál, vyrobený pomocou ChML, ktoré
planarizovalo deponovaný poly-Si (damaškovanie).
Lepenie
Lepenie mikrokomponentov umožňuje jednoduchšiu výrobu
komplexných štruktúr, ale aj manipuláciu s jemnými dielmi.
• Priame lepenie
• Nepriame lepenie prostredníctvom nanesenej medzivrstvy („lepidla“)
Teoreticky je možné spojiť akékoľvej dva veľmi hladké povrchy
prostredníctvom van der Waalsových síl (tzv. studené zváranie, slinutie).
Silnejšiu chemickú väzbu je možné v prípade Si zaistiť týmito technikami:
Silicon fusion bonding
Silanoly (Si-OH) na špeciálne ošetrenom a hladkom povrchu waferov (RCA-1
= NH4OH +H2O2) vytvoria pri priblížení väzby vodíkovými mostíkmi.
Žíhaním pri vysokej teplote potom vzniknú pevné siloxánové (Si-O-Si) väzby.
Pri 800°C začne Si tiecť, čo ďalej zlepšuje spoj.
Žíhanie (annealing)
Uvoľnená H2O oxiduje Si ďalej na SiO2 (mokrá
oxidácia)
Anodické spájanie
Hlavne pre spájanie Si so sklom, limitom je kompatibilná teplotná rozťažnosť.
2Pri ohreve skla nad 400°C sa oxid sodný Na2O rozkladá na Na+ a O -. Priložené
napätie (300-1000V) bude pri správnej polarite hnať Na+ do vnútra skla a O2-na
povrch, smerom k Si. Na rozhraní prebehne reakcia:
Katióny aj elektróny vytvoria silnú príťažlivú silu. Mimo vákua je potrebné
spájanie iniciovať tlakom.
Aby bolo možné anodicky spájať Si-Si alebo sklo-sklo, deponuje sa na jeden
povrch tenká vrstvička z vhodného materiálu (napr. pyrex, SiN, SiC).
Nepriama nanofabrikácia
Sidewall lithography:
Sústava tenkostenných trysiek
Laterálne uberanie hmoty
- Podleptávaním v Si <100> vyrobili Si nanodrôty (tu: 40nm x 700 nm)
- Oxidačné ostrenie hrotov
Literatúra
Zheng Cui: Nanofabrication Principles, Capabilities and Limits, Springer
Science & Business Media, 2008
Sami Fransilla: Introduction to Microfabrication, Wiley; 2nd Edition 2010
J Reece Roth: Industrial Plasma Engineering, Vol.2, IoP London, 2001