Gravering (mikrofabrikation)

Den ætsning (også undertiden betegnet ved sit engelske navn, ætsning ) er en proces, der anvendes i mikrofabrikation , hvilken fremgangsmåde omfatter fjerne et eller flere lag af materiale til overfladen af en wafer . Ætsning er et kritisk, ekstremt vigtigt trin i fremstillingen af mikroelektroniske elementer , hvor hver oblat er i stand til at gennemgå adskillige ætsningstrin.

Bestemmelse af de områder, der skal graveres

For hvert ætsningstrin er en del af waferen beskyttet mod ætsning af et beskyttende lag, der modstår denne ætsning. Det er gennem dette beskyttende lag, som har formen på billedet, som man ønsker at udskrive på underlaget, at materialet indgraveres.

Fotolitografi

Det meste af tiden er det beskyttende lag en lysfølsom harpiks ("fotoresist" fra engelsk fotoresist , også sjældnere kaldet "fotoresist"), som er blevet deponeret ved hjælp af teknikker, der anvendes i fotolitografi .

Konkret udsættes den lysfølsomme harpiks efter aflejring af harpiksen ved centrifugalcoating ( centrifugalcoating ) gennem en maske (som repræsenterer det mønster, der skal ætses på substratet), for lysstråling ( generelt ultraviolet , hvilket gør det muligt at komme ned i bedste tilfælde til en skala på 45 nm , røntgenbilleder ned til en mindre skala).

Denne udsættelse for lysstråling ændrer harpiksens kemiske natur og gør den opløselig ("positiv" harpiks) eller uopløselig ("negativ" harpiks) i udvikleren.

Når eksponeringen er afsluttet, nedsænkes substratet i en væske, udvikleren, som vil opløse de områder, der er blevet eksponeret (positiv litografi) eller ueksponeret (negativ litografi), hvilket efterlader områder af substratet ubeskyttet og derfor følsomme over for gravering. .

Elektronstrålelitografi

Det er mere eller mindre det samme princip som fotolitografi. Denne gang "trækkes" regionerne, hvor det beskyttende lag fjernes, direkte af en elektronstråle påført overfladen.

Maske

I andre tilfælde kan det være en mere modstandsdygtig og holdbar maske, såsom siliciumnitrid. I dette tilfælde påføres masken direkte på waferen.

Gravering

Der er flere typer graveringer, hver med sine specifikke egenskaber - fordele og ulemper. De forskellige typer graveringer kan klassificeres i to hovedfamilier: " kemiske " graveringer og " fysiske " graveringer .

"Kemiske" graveringer

Den kemiske ætseteknik er den vigtigste teknik kaldet "våd ætsning" ( kemisk våd ætsning ). Substratet (delvis beskyttet) nedsænkes i en opløsning, der kemisk angriber overfladen af den ubeskyttede wafer . Det er generelt en syre : flussyre for et silicium substrat (den eneste stand til at reagere med siliciumdioxid lag , der naturligt dannes på overfladen af silicium), saltsyre for en silicium arsenid . Substrat gallium (den chlorid ion reagerer stærkt med gallium) eller svagere, såsom citronsyre .

Denne teknik har flere fordele:

det er relativt let at implementere og kan let industrialiseres;
den ætsningshastigheden er særlig høj, hvilket gør etch hurtigt, og dermed gør det muligt at undgå at ødelægge det beskyttende lag, og derfor at ætse de områder, som man ikke ønsker at etch;
det har god materialeselektivitet: i tilfælde af substrater sammensat af forskellige lag, hvilket ofte er tilfældet, vil kemisk ætsning kun have tendens til at reagere med visse lag. For eksempel, i tilfælde af et substrat sammensat af et lag af galliumarsenid og af et aluminiumarsenid , vil saltsyre have tendens til kun at angribe laget af galliumarsenid.

På den anden side har den en stor ulempe: denne ætsning er meget isotrop , det vil sige at syren vil angribe substratet i alle retninger og give en næsten halvkugleformet ætsningsprofil.

Denne isotropi forårsager problemer i meget lille skala (<50 nm): hvis de områder, der skal ætses, er for tæt på hinanden, er det almindeligt, at ikke kun disse områder ætses, men også de mellemliggende mellemrum, der ikke skal.

"Fysiske" graveringer

Fysiske (eller tørre ) graveringer er blevet udviklet for at løse dette problem. Det er i det væsentlige baseret på bombardementet af overfladen, der skal ætses med ioner , idet disse ioner generelt kommer fra et plasma .

Plasmaetsning

Underlaget (delvist beskyttet) placeres i et kammer, hvor vi vil skabe et vakuum. Dette kammer er forsynet med to vandrette og parallelle elektroder, hvor den nedre elektrode tjener som en plade til substratet. Når først vakuumet i kammeret er foretaget, indføres der en gas: dioxygen (O 2 ), Argon (Ar), derefter påføres et stærkt elektrisk felt (hundrede eller flere volt pr. Meter) i radiofrekvens på den nedre elektrode, generere et plasma i kammeret, det vil sige en delvist ioniseret gas (nogle elektroner fra gasmolekylerne er blevet revet af af det elektriske felt og ioniseret dem). Substratet gennemgår derefter ionbombardement, som vil nedbryde det.

Denne teknik har fordelen ved en stærk anisotropi af ætsningen: grænsen mellem de ætsede og ikke-ætsede områder vil for det meste være retlinet og lodret.

Det har dog mange ulemper:

Implementeringen er meget vanskeligere end til våd kemisk ætsning og vanskelig at bruge i industrien.
Ætsningshastigheden er relativt lav, hvilket forlænger ætsningsprocessen og øger derfor chancerne for at ødelægge det beskyttende lag.
Fysisk gravering har ingen selektivitet
Endelig beskadiger ionbombardementet overfladen kraftigt og reducerer dens elektriske egenskaber (det er imidlertid muligt i tilfælde af silicium at " annealere " det ( annealing ) og dermed reformere krystalgitteret, men det er umuligt at gøre det. Gør for komposit halvledere , som adskiller sig ved høj temperatur).

Reaktiv ionætsning

Den reaktive ionætsning (ofte henvist til ved akronymet EIR for reaktiv ionetsning ) er en teknik afledt af plasmaætsning. Det er også en meget fysisk ætsningsteknik (plasmaætsning), hvortil der tilsættes en tør kemisk ætsning.

Konkret er implementeringen magen til plasmaetsning, i det mindste for sin enkleste form (parallelpladesystem): i et kammer forsynet med to elektroder dannes et vakuum, derefter injiceres en gas, som vil blive ioniseret, bombarderer overfladen af substratet . Men denne relativt inert gas (kemisk), er en meget reaktiv gas tilføjes: generelt en fluor -derivat ( svovlhexafluorid (SF 6 ), carbontetrafluorid (CF 4 ), etc.) til silicium substrater eller klor til substrater af gallium arsenid ( bortrichlorid (BCI 3 ), chlor (Cl 2 ), siliciumtetrachlorid (SiCl 4 ), ...).

Denne ioniserede reaktive gas vil blive transporteret til substratet (ved en potentiel forskel i det selvoprettede kammer i et parallelt pladesystem, et andet elektrisk felt i et triodesystem eller endda et magnetfelt i et fakkelsystem . Plasma ) og reagerer kemisk med overfladen deraf og danner en flygtig forbindelse.

Denne teknik tilføjer således fordelene ved fysisk ætsning (anisotropi) og kemisk ætsning (højere ætsningshastighed end plasmaætsning, en form for selektivitet), men er stadig vanskelig at implementere, især i industrien.

Tabel over kemiske arter

Nedenstående tabel viser de arter eller kemiske stoffer, der anvendes til kemisk ætsning (våd kemisk ætsning og reaktiv ionætsning).

Materiale, der skal graveres	Våd ætsning	RIE
Aluminium (Al)	80% phosphorsyre (H 3 PO 4 ) + 5% eddikesyre (ethansyre) + 5% salpetersyre (HNO 3 ) + 10% vand (H 2 O) ved 35-45 ° C	Cl 2 , CCI 4 , SiCl 4 , BCI 3
Galliumarsenid (GaAs)	Saltsyre (HCI) Fortyndet citronsyre syre (C 6 H 8 O 7 : H 2 O, 1: 1) + Hydrogenperoxid ( hydrogen peroxid - H 2 O 2) + Vand (H 2 O)	Cl 2 , CCI 4 , SiCl 4 , BCI 3 , CCl 2 F 2
Indiumtinoxid [ITO] (I 2 O 3 : SnO 2 )	saltsyre (HCI) + salpetersyre (HNO 3 ) + vand (H 2 O) (1: 0,1: 1) ved 40 ° C
Chrom (Cr)	"Chromium Etch": ceriumammoniumnitrat ((NH 4 ) 2 Ce (NO 3 ) 6 ) + salpetersyre (HNO 3 ) Saltsyre (HCI)	Cl 2
Molybdæn (Mo)	CF 4
Guld (Au)	Aqua regia
Platin (Pt)	Aqua regia
Organiske rester og fotoresistrester	"Piranha" gravering : svovlsyre (H 2 SO 4 ) + Hydrogenperoxid ( hydrogen peroxid - H 2 O 2)	O 2 (" Plasmaaskning ")
Silicium (Si)	Salpetersyre (HNO 3 ) + flussyre (HF)	CF 4 , SF 6 , SiF 4 , BCI 3 , NF 3 Cl 2 , CCl 2 F 2
Siliciumdioxid (SiO 2 )	Flussyre (HF) " Buffered oxide etch " [BOE]: ammoniumfluorid (NH 4 F) og flussyre (HF)	CF 4 , CH 3 F, SF 6 , NF 3
Siliciumnitrid (Si 3 N 4 )	85% phosphorsyre (H 3 PO 4 ) ved 180 ° C (Bemærk: kræver SiO 2- maske )	CF 4 , SF 6 , NF 3
Tantal (Ta)		CF 4
Titanium (Ti)	HF	BCl 3
Titanitrid (TiN)	Salpetersyre (HNO 3 ) + flussyre (HF) SC1 HF-bufret (bHF)
Wolfram (W)		CF 4 SF 6

Udvikling af graveringsfinhed

Graveringsteknologier er afgørende for miniaturisering af elektroniske komponenter. I 2000 havde Pentium 4 en graveringsfinhed på 0,18 mikron. I 2017 drejer finheden sig om 10 nm, og der forventes 4 nm i 2020'erne.

Noter og referencer

(en) S. Wolf og RN Tauber, Silicon Processing for VLSI Era: Volume 1: Process Technology , Lattice Press,1986( ISBN 0-9616721-3-7 ) , s. 531-534
(da) S. Wolf og RN Tauber, Silicon Processing for VLSI Era: Volume 1: Process Technology , Lattice Press,1986( ISBN 0-9616721-3-7 ) , s. 546
(i) Birendra Bahadur , flydende krystaller: Anvendelse og anvendelser , Singapore, World Scientific,1990, 183 s. , lomme ( ISBN 978-981-02-2975-7 )
Perrin Walker og William H. Tarn, CRC Handbook of Metal Etchants ,1991( ISBN 0-8493-3623-6 ) , s. 287-291
(i) Michael Kohler , ætsning i mikrosystemteknologi , Weinheim, John Wiley & Son Ltd.1999( ISBN 978-3-527-29561-6 , LCCN 99233639 ) , s. 329
Fadace , " Teknologisk udvikling af CPU'er: fra 4004 til ltanium 2 " , på fadace.developpez.com (adgang 14. september 2017 )
" Huawei præsenterer Kirin 970, chipset til Mate 10 ", LesMobiles.com ,5. september 2017( læs online , konsulteret den 14. september 2017 )
Omar Belkaab , " Samsung vil brænde 4 nm chips fra 2020 - FrAndroid ", FrAndroid ,28. juni 2017( læs online , konsulteret den 14. september 2017 )