2.5 Bosch-процесс

Bosch-процесс (рисунки 3–7) (также носит названия импульсное или мультиплексированное по времени травление (англ. pulsed (or time-multiplexed) etching)) относится к т.н. глубокому реактивному ионному травлению (ГРИТ) (англ. deep reactive-ion etching (DRIE)) – высокоанизотропный процесс травления (преимущественно кремния), используемый для создания глубоко проникающих, крутобоких отверстий и траншей в пластинах/подложках, как правило, с высоким аспектным отношением (отношение линейных геометрических размеров в разных измерениях).

Существуют две основные технологии высокоскоростного DRIE: криогенная и Bosch, хотя процесс Bosch является единственной признанной технологией производства.

Рисунок 3 – Bosch-процесс

Bosch-процесс состоит из трёхэтапного цикла: осаждение плёнки, травление нижней плёнки и травление кремния. Процесс начинается следующим образом. Кремниевая подложка (пластина) помещается в реактор, в который подаётся несколько газов. На эту кремниевую подложку уже нанесена специальная защитная маска методами (фото-)литографии с таким рисунком, который позволяет наметить места будущих отверстий.

Введённую в реактор газовую смесь переводят в состояние плазмы, зажиганием тлеющего разряда, например. Молекулы и атомы газов начинают ионизироваться. Это приводит к тому, что возникают радикальные комплексы, которые осаждаются на подложку в виде пассивирующей (деактивирующей) плёнки (рисунок 3). Например, такие радикальные комплексы можно получить при ионизации газа C₄F₈ (или C₃F₆ – гексафторпропилен) – октафторциклобутан он же фреон C318. Молекула этого газа является циклической молекулой (кольцеобразной), а в плазме её кольцо разрывается (рисунок 4), и она превращается в короткоцепочечную молекулу. Оба конца цепи C₄F₈ активны. Активные части цепи соединяются с другими молекулами, и цепь увеличивается в длину, прикрепляясь к кремнию и образуя мембрану. Эта мембрана функционирует как пассивирующая плёнка на этапе травления кремния, предотвращая травление боковых стенок.

Рисунок 4 – Химия Bosch-процесса

В процессе осаждения пассивирующая плёнка осаждается на боковые

стенки и нижнюю поверхность траншеи.

После нанесения защитной (пассивирующей) плёнки начинается процесс травления. Его проводят с помощью травящего газа, который будет травить как пассивирующую плёнку, так и кремний. Для кремния и плёнки таким оптимальным газов является гексафторид серы (SF₆). В плазме SF₆ диссоциирует с образованием SF₄ или SF₂ и атомарного фтора, который реагирует с кремнием. Вместе с этими веществами образуются и их ионы в силу всё тех же неупругих процессов в плазме. Эти химически активные ионы начинают почти отвесно к пластине лететь к протравливаемой траншеи не успевая провзаимодействовать с боковой защитной плёнкой эти активные вещества долетают до её низа, где адсорбируются и вступают в реакции разрушая (за счёт ионной бомбардировки, химического травления нет, поскольку плёнка пассивирующая) сначала защитную плёнку, а потом – кремний. При этом травление кремния идёт изотропным способом и только в том месте, где нет защитной плёнки, поэтому происходит латеральный подтрав в бок пластины, но он много меньше протрава пластины вниз, поэтому Bosch-процесс и называется высокоанизотропным, поскольку отношение суммарного подтрава вбок к суммарному протраву вниз очень мало.

И образовавшийся SF₄ (тетрафторид серы), и продукт реакции травления, SiF₄ (тетрафторид кремния), существуют в виде газов, которые удаляются из камеры (тем самым происходит десорбция продуктов и травление кремния). SF₄ настолько стабилен, что атомы фтора не могут рекомбинировать с ним. Поэтому может образовываться большое количество атомарного фтора, который участвует в реакции травления.

Образовавшийся в плазме CF₄ (тетрафторид углерода) разлагается с образованием атомарного фтора в плазме. Однако реакция разложения обратима, и получить большое количество атомарного фтора из CF₄ невозможно.

После окончания формирования траншеи оставшуюся пассивирующую плёнку можно десорбировать нагревом подложки. Так уже при температурах 50 °C и выше полимер (плёнка), который был нанесён на пластину, десорбируется.

В целом так и происходит Bosch-процесс: после протрава кремния цикл начинается заново: нанесение плёнки, травление плёнки, травление кремния.

Важно отметить следующую деталь Bosch-процесса (рисунок 5). Во время проведения процесса этапы травления и осаждения чётко разделены, это связано со следующим обстоятельством. Кольцевая структура C₄F₈ разрушается, и в плазме образуется C₄F₈ в форме цепи. Реакция полимеризации происходит, когда -(CF₂)₄- группы реагируют друг с другом, образуя более длинные цепи. Полимер образует пассивирующую плёнку на поверхности протравленных траншей. В присутствии SF₆ радикалы фтора, образующиеся при диссоциации SF6, реагируют с цепочками -(CF₂)₄- групп и прекращают реакцию полимеризации, поэтому плёнка может получиться рваной и дефектной, саботируя тем самым анизотропное травления кремния. Кроме того, радикалы фтора исчезают, поскольку они расходуются в результате реакции лимитирования полимеризации, и, таким образом, травление не может произойти. Таким образом, во избежание смешивания газов C₄F₈ и SF₆ используется быстрое переключение газов каждые 0,1 секунды.

Рисунок 5 – Разделение этапов травления и осаждения Bosch-процесса

Стоит сказать пару слов о пассивирующей плёнке. Как уже было сказано в качестве защитной плёнке на этапе изотропного травления выбран октафторциклобутан (C₄F₈), поскольку он обладает оптимальными свойствами для Bosch-процесса, которые заключаются в следующем: (1) полимерная плёнка из C₄F₈ обеспечивает должную пассивацию кремния во время травления, это обуславливает её гидрофобность; (2) природа полимера требует только низкоэнергетического воздействия ионов во время последующего этапа травления для его полного удаления с травящего дна. При необходимых низких энергиях ионов эрозия фоторезиста или SiO₂-маски остаётся очень незначительной, что обеспечивает высокие значения селективности, необходимые со стороны применения.

Легко ли реализовать процесс Bosch, повторив три этапа? На самом деле это очень сложно, и существуют некоторые специфические проблемы, связанные с процессом Bosch. Поскольку шаг 3 процесса Bosch (процесс травления кремния) представляет собой химическую реакцию с радикалами фтора, скорость травления сильно зависит от площади апертуры кремния. Это часто называют эффектом загрузки (рисунок 6). Кроме того, при увеличении аспектного отношения вероятность переноса радикалов фтора на дно траншеи или отверстия уменьшается. Это приводит к зависящим от рисунка эффектам травления, которые обычно называют микронагрузкой, отрицательно влияющей на однородность глубины.

Рисунок 6 – Дефекты в Bosch-процессе: 1 – профиль боковины непосредственно под маской вертикальный. К низу он постепенно сужается; 2 – профиль боковой стенки непосредственно под маской имеет обратную конусность. Он становится вертикальным и постепенно сужается по мере увеличения соотношения сторон или глубины травления; 3 – профиль боковой стенки с обратным конусом

Микронагрузка возникает в результате истощения реактивов, когда на пластине имеются локальные области с повышенной плотностью. Кроме того, к специфическим проблемам DRIE относятся зазубрины при травлении пластин SOI (кремний на изоляторе) и наклон из-за неравномерного распределения плазмы. Эти проблемы решаются путём корректировки аппаратного обеспечения системы, параметров процесса и структуры устройства.

Пока выполняется процесс Bosch, травление будет заканчиваться одним из профилей боковой стенки или профилем боковой стенки, полученным путём срезания верхней части этого травления. Например, если необходим вертикальный профиль боковины, можно вырезать и использовать верхнюю часть элемента травления (1).

Поскольку процесс Bosch состоит из трех различных этапов, имеется в три раза больше параметров, чем в обычных процессах травления индуктивно-связанной плазмы (плазма, образующаяся внутри разрядной камеры, горелки или иного плазменного реактора при приложении высокочастотного переменного магнитного поля к предварительно ионизованному газу). Это позволяет процессу Bosch быть гораздо более гибким, но также увеличивает время, необходимое для настройки всех параметров процесса. Регулировкой времени цикла можно управлять формой боковой поверхности отверстия: короткие циклы дают более гладкие стенки, а длинные циклы – более высокую скорость травления.

Рисунок 7 – Фотографии реальных профилей отверстий, полученных Bosch-процессом

Подробнее про явления загрузки и микрозагрузки. Эффект загрузки – это явление, при котором скорость травления изменяется в зависимости от соотношения апертуры (незамаскированной площади) Si. На поверхности Si расходуются радикалы фтора и увеличивается количество побочного продукта – SiF4. Поэтому при большем апертурном соотношении площади Si образуется меньше радикалов фтора, и скорость травления становится ниже. Типичным примером является то, что голые пластины Si показывают более медленную скорость травления в центре, где Si подвергается более высокой плотности, чем на внешней периферии. Существует два способа решения проблемы эффекта загрузки. Первый – снизить давление процесса и способствовать диффузии газа. Однако при снижении давления скорость травления также уменьшается. Второй метод заключается в создании фиктивного рисунка на пластине для уменьшения разницы в плотности рисунка маски.

Эффект микрозагрузки – это явление, при котором меньшее количество радикалов фтора переносится на дно узких щелей, вызывая снижение скорости травления в зависимости от ширины рисунка. Это явление также известно как эффект запаздывания RIE или ARDE (травление в зависимости от соотношения сторон). Когда шаблон имеет широкое отверстие радикалы фтора легко переносят дно траншей и отверстий, и обработка может осуществляться с высокой скоростью травления Si. Однако, когда отверстие детали сужается, скорость травления постепенно снижается с уменьшением количества радикалов фтора, способных переносить дно траншеи или отверстия. С другой стороны, при обработке столбчатых структур ширина шаблона мало влияет на скорость травления, поскольку поток радикалов фтора не затруднён. В случае травления траншей и отверстий, радикалам фтора труднее переносить дно деталей с высоким коэффициентом пропорциональности. Эта тенденция особенно заметна при травлении отверстий, поскольку радикалы испытывают препятствия независимо от направления, с которого они входят. В отличие от траншей, где радикалы менее ограничены при движении вдоль линии траншеи. Также в профиле травления можно наблюдать закругление дна траншеи, это обусловлено тем, что боковые стенки блокируют поток радикалов фтора, что увеличивает соотношение радикалов, травящих центр рисунка.

Источники информации:

• https://www.wikiwand.com/en/Deep_reactive-ion_etching

• https://www.samcointl.com/what-is-the-bosch-process-deep-reactive-ion-etching/

• https://www.samcointl.com/basics-bosch-process-silicon-deep-rie/

Патенты на Bosch process:

• https://patents.google.com/patent/US5501893A

• https://patents.google.com/patent/US6284148B1

• https://patents.google.com/patent/US6531068B2