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Corrosão anisotrópica de Si em

plasma de SF6

Microfabricação em Substrato - II 3

“Dry Etching”

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Microfabricação em Substrato - II

3.- Corrosão “seca” do Si (“Dry Tech”)

3.1. O que é um plasma •  Gás ionizado (revisão) •  Livre Caminho Médio

3.1. Tipos de corrosão por plasma •  Plasma etch

•  Sputter Etch

•  Reactive Ion Etch

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3 Índice

1) Em microeletrônica a corrosão úmida de filmes finos é isotrópica, o que leva a problemas com o “under-etch” e com as dimensões mínimas de trabalho :

Microfabricação em substrato II Corrosão a Seco do Si (“dry etching”)

Motivacao

2) Por isso, em microeletrônica é mais utilizada a corrosão a seco por plasma (“Dry etching”). Isto, porque os processos a seco permitem a corrosão anisotrópica desses filmes (sem “under-etch) e por tanto, fabricar estruturas com dimensões menores. De fato, os processos “dry etching” representam o método padrão utilizado em microeletrônica para corroer filmes finos.

¤  corrosão isotrópica : “under-etch”

¤  tempo extra para garantir a corrosão provoca mais “under-etch”

¤  Dimensões mínimas > 1 µm

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•  Note que corrosão de filmes sem “under-etch” significa filmes com contorno (“paredes”) verticais. Mas em tecnologia de CI’s isso corresponde a espessura de no máximo alguns micrometros.

•  Um dos principais problemas com a corrosão úmida do substrato de Si é que em geral a corrosão é anisotrópica, o que impõe serias restrições sobre as dimensões das microestruturas e compromete a redução de tamanhos.

Corrosão a Seco do Si 3.1 “Dry Etching” Microfabricação em substrato II

•  Além disso, em tecnologia de MEMS é de grande interesse conseguir paredes verticais não só em filmes finos, mas também no próprio substrato de Si. Assim, grande esforço tem sido feito para desenvolver técnicas que permitam realizar corrosões com grande razão de aspecto (paredes verticais) e com altas taxas de corrosão : “Deep Dry Etching”

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O que é um “Plasma” 3.1 “Dry Etching” Microfabricação em substrato II

•  Um plasma é, basicamente, um gás parcialmente ionizado. A ionização tem origem em processos onde elétrons livres que atingem energia cinética suficiente alta, colidem com as moléculas do gás promovendo a ionização das moléculas.

•  De fato, dependendo da energia os fenômenos que podem ocorrer dentro de um gás (diatômico) são :

•  Dissociação molecular : e* + AB A + B + e

•  Ionização molecular : e* + AB AB+ + e + e

•  Excitação molecular : e* + AB AB* + e

•  Ionização atômica : e* + A A+ + e + e

•  Excitação atômica : e* + A A* + e

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O que é um “Plasma” 3.1 “Dry Etching” Microfabricação em substrato II

•  De onde vem a energia dos elétrons que ioniza o gás ? :

A energia dos elétrons que ionizam o gás pode ter diversas origens, mas no casos dos processos a plasma utilizados em microeletrônica, é fornecida por campos elétricos externos (DC ou AC) aplicados ao gás.

Para entender sito lembre que :

•  Mesmo sem excitação elétrica, numa mistura gasosa neutra sempre existe um certo número de elétrons livres.

•  Devido à excitação térmica, esses elétrons se movem no gás, sofrendo colisões aleatórias. Assim, no tempo médio entre colisões (τ) os elétrons percorrem uma distância média denominada livre caminho (λ).

•  Ao aplicar um campo elétrico esses elétrons são acelerados na direção do campo.

•  Se o livre caminho médio (λ) dos elétrons for suficientemente grande, a energia cinética que estes adquirem será suficiente para ionizar as moléculas do gás. Quando isto ocorre se forma o plasma (“Glow Discharge”)

•  A pressão (e campo elétrico aplicado) determinam “λ”.

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... Lembrando, num Gás Ideal :

•  Num gás ideal a e temperatura do gás está relacionada à energia cinética média das partículas que compõem o gás a através da relação :

m : massa das partículas <v2> : velocidade quadrática média k : constante de Boltzman T : temperatura (em graus Kelvin)

•  De onde obtemos que :

ou :

À temperatura ambiente :

•  Para Argônio : v ~ 400 m/s •  Para elétrons : v ~ 108.103 m/s

k = 1,38.10-23 J/K me = 0,91.10-30 Kg mAr = 6,64.10-26 Kg

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Distribuição de Boltzman

vAr ~ 400 m/s

•  Note que :

mas :

Gás Ideal

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Pressão num Gás Ideal

•  A pressão num gás ideal é dada por :

onde : n é densidade de partículas no gás

•  Número de Avogadro

•  Densidade (numérica) dos gases ideais

= 3kT

1 atmosfera (760 Torr) T = 0 oC

n = 6,02.1023 partículas ocupam 22,4 litros

Gás Ideal

Conhecendo a pressão e temperatura de um gás, podemos saber quantos átomos há nele !!

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A 1 mTorr temos 3,5.1013 partículas/cm3 em 1 mm3 há 35 partículas

Gás Ideal

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Num Gás Ideal ...

•  O fluxo de partículas que atinge uma superfície por unidade de tempo depende da densidade de partículas e da velocidade delas :

•  Tempo para “crescimento” de uma mono-camada

Para 1 mTorr de Argônio à temperatura ambiente : Fluxo = 3,5.1013 x 40000/4 = 3,5.1017 átomos / cm2.s

¤  Considerando átomos com diâmetro de 3 Å, em 1 cm2 cabem ~1015 átomos

¤  Do gráfico n x P e da expressão acima temos que :

Para ~3.10-6 Torr, n=1011 átomos/cm3 Fluxo = 1011 x 40000/4 ~ 1015 átomos/cm2.s

¤  Portanto, se todos átomos que incidem sobre a superfície se fixarem a ela :

a ~3.10-6 Torr se formaria 1 camada atômica/s

Gás Ideal

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Livre Caminho Médio (λ)

•  10-5 Torr 4,4 monocamadas

•  1 monocamada 1015 átomos/s.com2

•  para suprimir oxidação PParcial (O2) = 10-8 Torr

Livre caminho médio : p/ N2 - com diâmetro de 6 Å: πd2 = 1,13.10-18 m2 p/ T = 300 K : kT = 4,11.10-21 J

1 Pa = 7,5 mTorr

1 atm

Gás Ideal

€

λ ≅ 4.11⋅ 10-21

1.13⋅ 10-18 ⋅ p (Pa)(m) =

3,6⋅ 10-3

p (Pa)(m) =

3,6⋅ 10-3 p (Torr)

(m) =2,7 ⋅ 10-5 p (Torr)

(m) =2,7 ⋅ 10-3 p (Torr)

(cm)

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voltando ao “Plasma” ... 3.1 “Dry Etching” Microfabricação em substrato II

Note que moléculas dissociadas e/ou radicais moleculares são muito reativos quimicamente. Assim, plasmas podem ser utilizados tanto para promover o crescimento de filmes a partir dos gases precursores na mistura gasosa, ou para promover o corrosão de filmes ou substratos colocados na vizinhança do plasma.

Note que alguns plasmas não são reativos quimicamente. No caso de plasmas de Argônio por exemplo :

•  Ionização atômica : e* + A A+ + e + e

•  Excitação atômica : e* + A A* + e

Neste caso, um substrato colocado na vizinhança do plasma será bombardeado pelos íons de Ar+, num processo puramente físico de colisões. O processo erosão resultante disso é conhecido por “sputtering”.

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O que é um “Plasma” 3.1 “Dry Etching” Microfabricação em substrato II

Uma descrição detalhada da física e química do plasma está fora dos escopo deste curso e pode ser encontrada na farta literatura existente. Boas leituras são :

•  “Glow Discharge Process - Sputtering and Plasma Etching”, de Brian Chapman, Ed. John Wiley Sons, 1980. (exemplares bibliotecas Poli/Elétrica e IFUSP)

•  “Fundamentals of gaseous ionization and plasma electronics”, E. Nasser, Ed. Wiley-Interscience, 1971. (exemplares bibliotecas Poli/Elétrica e IFUSP)

Porém, alguns aspectos são importantes aqui :

¤  Os plasma utilizados em microeletrônica, seja para crescimento de filmes o em processos de corrosão, são plasma de baixa energia e baixa ionização :

•  apenas 1% das partículas são radicais •  apenas 0,01% são das partículas são espécies carregadas

¤  Os processos a plasma devem ser realizados em reatores de vácuo, os quais determinam as características específicas das diversas técnicas de plasma existentes.

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Reator de Plasma 3.1 “Dry Etching” Microfabricação em substrato II

Um reator de plasma consiste, basicamente, de um par de eletrodos co-planares, entre os quais é aplicada uma diferença de potencial DC ou AC (tipicamente na faixa de radio frequência, r.f., ou seja, MHz). Esses eletrodos são acondicionados numa câmara de vácuo, com sistemas para entrada e saída dos gases de processo.

de 10-3 a 1 Torr

Pressões Típicas

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•  Características das técnicas de corrosão a seco (“dry etching”) :

•  é mais fácil definir o começo e o fim de uma corrosão por plasma do que de uma corrosão úmida

•  permite grande anisotropia em pequenas dimensões

•  é menos sensível às variações de temperatura do substrato

•  é mais limpo que a corrosão úmida : o ambiente de plasma tem menos partículas indesejáveis do que o uma solução liquida

•  produz menos dejetos.

•  existe uma grande variedade de gases que podem ser utilizados, os quais permitem processos de corrosão baseados em ataque químico ou ataque físico, e que possuem características anisotrópicas e isotrópicas.

3.1 “Dry Etching” Microfabricação em substrato II Corrosão a Seco

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Exemplos de misturas gasosas utilizadas na corrosão dos principais materiais utilizados em microfabricação :

3.1 “Dry Etching” Microfabricação em substrato II Corrosão a Seco

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3.1 Corrosão do Si Tipos de Corrosão a Seco

Diferentes Tipos de Corrosão a Seco

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•  Sputter Etching : Ao ser acelerados pelo campo elétrico, os íons do plasma podem atingir velocidades tão altas que, ao colidir sobre a superfície de um material, são capazes de arrancar os átomos de superfície do material,

•  Por ser baseado no bombardeamento iônico (colisões físicas) e não reações químicas, o “sputter etching” é pouco seletivo. Além disso, o campo elétrico aplicado define uma direção preferencial para o bombardeamento iônico. Logo, a corrosão é anisotrópica,

•  Plasmas de Argônio são muito utilizados em corrosão por “Sputtering” devido à massa atômica relativamente alta e baixíssima reatividade química,

•  A eficiência com os átomos são arrancados de uma superfície (Sputtering Yield) depende do número atômico dos átomos arrancados, o que confere alguma seletividade ao processo de corrosão (ion milling) e permite o mascaramento (que em geral é difícil),

•  A baixa seletividade dificulta a corrosão em áreas selecionadas, que pod ser conseguida parcialmente por “focused ion beam mealling” ou “direct writing patternig”,

•  O “sputter etching” de um alvo pode ser usado como técnica de deposição de películas finas do material que compõe o alvo.

3.1 “Dry Etching” Microfabricação em substrato II Sputtering Etching

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Sputtering Yield : A transferência de energia nos processos de colisão entre os íons do plasma e os átomos do substrato depende fortemente do ângulo de colisão. Portanto, a eficiência com que os átomos são removidos (“Sputter Yield”) depende do ângulo que os íons de bombardeamento fazem com a superfície do material sendo corroído.

3.1 “Dry Etching” Microfabricação em substrato II Sputtering Etching

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Plasma “Etching”

•  Embora todos os tipos de corrosão a seco sejam “por plasma”, a denominação “corrosão por plasma” (ou “plasma etching”) é reservada aos processo onde a corrosão se baseia nas reações químicas que ocorrem entre os radicais reativos formados no plasma e o substrato sendo corroído.

•  Dada a natureza química do processo, não há uma direção preferencial de remoção do material e a corrosão é isotrópica. Por outro lado, por envolver reações químicas a corrosão é seletiva.

3.1 “Dry Etching” Microfabricação em substrato II

PLASMA ETCHING

Seletivo Isotrópico

Exemplos típicos : •  remoção de fotoresiste em plasmas O2 : reação produz CO2 e H2O •  corrosão de Si em plasmas de SF6 : reação SiF4

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O caráter isotrópico e a boa seletividade da corrosão por “plasma etching” são de grande utilidade por exemplo, para produzir estruturas auto sustentadas sem a utilização de uma camada sacrificial :

3.1 “Dry Etching” Microfabricação em substrato II

Linder et. Al. , Sensons and Material, vol.3 (1992) 311.

Plasma de SF6 + O2

•  Taxa ~1 um/min

•  Mascaramento com Fotoresiste, SiO2 e Al Seletividade de 20, 85 e >300

Exemplos de uso do Plasma Etching

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Exemplo 2 : Micropontas de Si

3.1 “Dry Etching” Microfabricação em substrato II

•  Plasma etching

•  Oxidação do Si (seca, a 950 oC)

•  Remoção do SiO2 em HF

Formação da Microponta

Exemplos de uso do Plasma Etching

o Raio de Curvatura no ponta chega a ser alguns nanometros

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•  Controle dos parâmetros do plasma é critico para garantir a seletividade

•  Isso porque, além dos radicais reativos quimicamente no plasma também existem átomos, moléculas, íons e outros radicais, que atingem a superfície a ser corroída com energia cinética e momento linear que depende do campo elétrico aplicado e da pressão de processo.

•  Assim, para se ter corrosão por “plasma etching” é necessário favorecer as reações químicas, ou seja, devemos evitar que a superfície seja bombardeada por íons de alta energia que podem produzir “corrosão por sputtering”.

•  Por isso, o campo DC deve ser removido e deve-se utilizar pressões relativamente altas (na faixa entre 70 e 700 mTorr). Porque ? ...

Plasma “Etching” 3.1 “Dry Etching” Microfabricação em substrato II

•  Existe um variedade de gases que podem ser utilizados para corroer os materiais mais comuns utilizados em microeletrônica.

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•  Para maiores pressões a corrosão por plasma é mais isotrópica

•  Por outro lado, para menores pressões a taxa de corrosão cai (porque há menor disponibilidade de reagentes),

•  Além disso, para menores pressões a corrosão se torna mais direcional, porque o livre caminho médio aumenta e os íons atingem a superfície a ser corroída desde uma direção melhor definida. Lembre a que, devido às colisões, quanto maior a pressão mais aleatórias são as trajetórias das partículas no plasma.

•  No limite de baixas pressões, teremos um fluxo de íons reativos quimicamente, que atingem o material a ser corroído com alta energia (pois o livre caminho médio é grande) e desde uma direção normal à superfície.

•  Neste limite temos o denominado regime de “Reative Ion Etching”, onde os perfis corroídos apresentam paredes verticais.

Plasma “Etching” 3.1 “Dry Etching” Microfabricação em substrato II

•  Por outro lado, pode ser interessante ter corrosão por plasma (que é seletiva) e corrosão por sputtering (que anisotrópica). Vejamos :

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Reactive Ion Etch : Neste caso, além do bombardeamento iônico também ocorrem reações químicas na superfície. Assim, a corrosão apresenta alta anisotropia, devida ao “sputter etch” (processo físico) e boa seletividade, devida ao “plasma etch” (processo químico).

3.1 “Dry Etching” Microfabricação em substrato II Reactive Ion Etch

•  Por exemplo, em plasmas de SF6 ou (SF6 + CHF3+O2) se formam radicais de CFx

+ e SFx+ .

•  Em sistemas de acomplamento indutivo (ICP-RIE) e em pressões de alguns mTorr, pode ser produzido um bombardeamento iónico intenso e quase vertical de íons de sobre a superfície do Si.

•  Os radicais SFx+ e CFx

+ removem o Si (por reação química) e removem a camada passivante de SiOxFy das lateriais da cavidade

Aplicação em microeletrônica da corrosão por plasma e processo RIE

Estruturação 3D em níveis intermetálicos (Embora não fosse o objetivo final)

Alta razão de aspecto na corrosão de SiO2 de isolação

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•  A deposição de película poliméricas durante a corrosão é bastante comum em processos envolvendo plasmas de hidrocarbonetos fluorados, onde na verdade, a corrosão final é o resultado da competição entre o crescimento desses filmes e a remoção do material a ser corroído.

•  Em geral estas películas são indesejadas pois, além de serem de difícil remoção, modificam a taxa de corrosão ao longo do processo de “etching”.

3.1 “Dry Etching” Microfabricação em substrato II Reactive Ion Etch : Processo “Bosch”

•  Dentre os processos RIE para MEMS, um particularmente importante é o denominado "processo Bosch” para corrosão profunda em Si. Neste processo toma-se partido de dois efeitos : a corrosão de Si em plasma de SF6 (processo parcialmente isotrópico) e da polimerização ou deposição de uma película polimérica nas paredes da cavidade corroída.

•  No processo “Bosch” a deposição de uma camada polimérica desempenha um papel crucial :

Processos de Microfabricação Reactive Ion Etch : Processo “Bosch”

•  Fotoresiste e SiO2 servem como material de mascaramento

•  A taxa de corrosão pode atingir valores da ordem de ~6 um/min

Corrosão anisotrópica por plasma : DRIE Processos de Microfabricação

A.H. Epstein, S.D. Senturia et.al, MIT (1997)

Microturbina de Si

O rotor central foi cortado do substrato de Si por DRIE e pode

girar livremente