Etsaus (valmistustekniikka)

Etsaus on syövytystä, jossa käytetään hyväksi erilaisia suojauksia syövytyksen kohdistamiseksi ja kuvioiden muodostamiseksi. Taidegrafiikassa etsauksella on pitkät perinteet. Valmistustekniikassa etsausta käytetään paljon ohutkalvotekniikoiden kanssa liittyen usein litografiatyövaiheisiin mikropiirien valmistuksessa. Mikropiirien valmistuksessa etsaus-sanaa voidaan käyttää myös työvaiheista, joissa ei käytetä suojauksia, jolloin kyse on pinnan puhdistuksesta syövyttämällä.

Etsauskemikaalit ja tekniikka

Etsausta tehdään kahdella eri tekniikalla: märkäetsauksessa etsauskemikaalit ovat nestefaasissa ja kuivaetsauksessa taas syövytys saadaan aikaan plasmalla. Molemmista menetelmistä on lukuisia muunnoksia.

Märkäetsaus

Vanhimmat etsausprosessit olivat märkäprosesseja, joissa piikiekko upotettiin happokylpyyn. Aikaisemmin etsauskemikaalina käytettiin usein fluorivetyhappoa, koska sillä pystyttiin syövyttämään piidioksidia. Kemikaaliturvallisuuslakien kiristyminen on vähentänyt tämän kemikaalin käyttöä. Märkäetsaus on yleensä isotrooppista aiheuttaen reunojen pyöristymistä. Lisäksi vahvoista hapoista tulee ongelmajätettä. Näistä syistä märkäetsaus mikropiirien valmistuksessa on vähenemässä.

Plasmamenetelmät

Nykyaikaisessa mikroprosessorien valmistusprosessissa (VLSI, engl. Very-large-scale integration) vältetään märkäetsausta ja sen sijasta käytetään plasmaetsausta. Plasman ominaisuuksien säädöllä voidaan vaikuttaa syövytysnopeuteen. Tavallisessa plasmaetsauksessa toimitaan 10-700 Pa paineessa. Plasma tuottaa korkeaenergiaisia vapaita sähkövaraukseltaan neutraaleja radikaaleja, jotka reagoivat kiekon pinnassa. Koska neutraalit partikkelit pommittavat pintaa joka suunnasta, tuloksena on isotrooppinen etsautuminen.
Plasmassa käytettävä kaasuseos sisältää pieniä, paljon klooria tai fluoria sisältäviä yhdisteitä. Esimerkiksi hiilitetrakloridi (CCl₄) syövyttää piitä ja alumiinia ja trifluorimetaani syövyttää piidioksidia ja piinitridiä. Happipitoista plasmaa käytetään fotoresistimaskin "tuhkaukseen" ja auttamaan sen poistamisessa.
Ion milling ("ioni työstö"), tai sputter etching (sputterietsaus) käyttävät vieläkin alempia paineita, niinkin alhaisia kuin 10 mPa.  Tässä menetelmässä kiekon pintaa pommitetaan korkeaenergiaisilla jalokaasujen, usein argonin ioneilla, jotka iskevät atomeja irti substraatista liikevoimallaan. Koska tässä menetelmässä käytetään suunnilleen vain yhdestä suunnasta tapahtuvaa pommitusta, on prosessi hyvin anisotrooppinen. Toisaalta sillä on taipumus olla huonosti selektiivistä.

Anisotrooppinen märkäetsaus

Jotkut märkäetsauskemikaalit syövyttävät kiderakennetta hyvin eri nopeuksilla eri kidesuuntiin. Yksikiteisissä materiaaleissa, kuten piikiekossa tällä ilmiöllä saadaan aikaan anisotrooppinen syövytys, kuten kuvasta käy ilmi. 
Piille on tarjolla useita anisotrooppisia märkäetsauskemikaaleja. Esimerkiksi kaliumhydroksidi (KOH) voi saavuttaa 400 kertaisen syövytysnopeuden eron <100> ja <111> kidesuunnille. KOH ei voida käyttää CMOS-piireissä, koska se tuo piihin vapaita kaliumioneja. Toinen vaihtoehto on EDP (liuos, jossa on etyleenidiamiinia ja bentseenirenkaita sisältävä alkoholi (C₆H₄(OH)₂), jolla on myös selektiivisyys p-tyypin douppaukselle. Tämä kemikaali on hyvin korrosidoivaa ja karsinogeenistä. Tetrametyyliammoniumhydroksidi (TMAH) tarjoaa turvallisemman vaihtoehdon, vaikka sen selektiivisyys kidesuuntien <100> ja <111> on EDP:tä huonompi.

Ioni-istutuksen käyttö etsauksen hallinnassa

Etsausprosessi on yleensä selektiivinen seostuksen suhteen, joten seostettu alue voi toimia etsausmaskina. Ei tiedetä tarkkaan, miksi riittävä seostus estää syöpymisen etsatessa, vaikka on esitetty, että syynä olisi ioni-istutuksen aiheuttama jännitys . Pintakemia ja erityisesti galliumin oksidoituminen etsausprosessin aikana ovat oleellisia tekijöitä etsausnopeuden alenemisessa vahvasti Ga-seostetussa amorfisessa piissä . Annos-etsausaika käyrästä saadaan kriittinen annos maskiefektille, kun haluttu etsaussyvyys tunnetaan.
Maskiefektiin vaadittavan seostuksen määrä riippuu käytetystä etsausprosessista ja ionilajista. Seostus tehtiin aikaisemmin diffuusiolla käyttäen substraatin pintaan kasvatettua oksidikerrosta kuviointiin. Nykyisin tehtävään käytetään ioni-istutusta sen paremman hallittavuuden vuoksi. Rakenteiden koon pienetessä satoihin nanometreihin ja tämän alle ioni-istutuksen suorittamisesta fokusoidulla ionisuihkulla tulee kaikkein käyttökelpoisin menetelmä. Fokusoidun ionisuihkun käyttö yksinkertaistaa etsausmaskintekoprosessia huomattavasti, koska perinteisessä ioni-istutuksessa tarvittavan suoja/kuviointikerroksen käytöstä voidaan luopua.
Jossain tapauksissa myös etsausmaskin tekoon käytetyn ioni-istutuksen jälkeen on suoritettava lämpökäsittely seostuksen sähköiseksi aktivoimiseksi ja istutusvaurioiden korjaamiseksi. Lämpökäsittelyyn liittyvää diffuusiota pyritään hillitsemään käyttämällä lyhyitä käsittelyaikoja ja nopeaa kuumennusta jopa satoihin asteisiin eli RTA (rapid thermal annealing)-menetelmää, sillä diffuusion merkitys kasvaa käsittelyajan pidetessä.
Maskin ominaisuudet muuttuvat prosessin aikana, mutta käytettävästä prosessista riippuu miten ja miksi. Tapahtuvat muutokset eivät juurikaan vaikuta saatavaan etsausprofiiliin, mutta niillä voi olla merkitystä myöhemmän prosessoinnin kannalta. Seostusatomit voivat reagoida etsauskemikaalien tai -kaasujen kanssa muodostaen lähinnä oksideja, jotka jäävät kohteen pintaan. Joissakin tapauksissa etsausprosessi jättää seostusatomit rauhaan ja vain substraatin atomit osallistuvat reaktioihin jolloin seostuskonsentraatio kasvaa. Reaktiot tapahtuvat melkein aina maskin pintakerroksissa, mutta joitain ioneja ja radikaaleja voi tunkeutua syvemmälle. Etsausprosessin aikana voi tapahtua myös diffuusiota, mutta lämpötilojen ollessa melko alhaisia sen merkitys on vähäinen.
Seostuksen käyttö maskina aiheuttaa ongelmia joidenkin laitteiden valmistusprosesseille, sillä mikroelektroniikkaa voidaan valmistaa vain tietyllä tavalla seostettuihin substraatteihin. Mikromekaniikan kannalta vahvasta seostuksesta aiheutuva mekaanisten ominaisuuksien heikkeneminen voi nousta ongelmaksi.

Maskiefekti märkäetsauksessa

Ioniseostus toimii maskina useimmille kemikaaleille, mutta jotkut etsauskemikaalit syövyttävät seostettua eivätkä puhdasta aluetta. Vaikka märkäetsaukseen liittyvät kemiallis-fysikaaliset prosessit tunnetaan melko hyvin, ioniseostuksen maskiefektin syistä on olemassa vain arvioita. Joissain tapauksissa seostus kasvattaa etsausnopeutta, näin esimerkiksi pii- tai germanium-ioneilla seostetun piioksidin etsaus HF:llä . Elektroniprosessien merkitystä etsausnopeuden hidastumisessa liittyen korkeaan aukkokonsentraatioon lähellä pintaa amorfisessa piissä ei voida täysin sulkea pois . Mikromekaniikassa käytetään usein vahvaa p++-tason ( cm⁻³) boori-seostusta ja KOH-etsausta kiekkoon tehtävien rakenteiden valmistuksessa (bulk microfabrication). KOH:n annos-etsausnopeuskäyristä nähdään kuinka etsausnopeus pysyy vakiona tiettyyn pisteeseen asti ja alkaa sen jälkeen laskea nopeasti.

Maskiefekti ICP-RIEssä

Aikaisempien tulosten perusteella tiedetään, että vähintään kriittisen annoksen saaneet alueet piissä eivät syövy juuri ollenkaan ICP-RIE-prosessin aikana. Koska edes ICP-RIEn toiminnan taustalla olevia fysikaalisia ja kemiallisia prosesseja ei tunneta kunnolla ei ioniseostuksen maskiefektin syistä voi sanoa juuri mitään. ICP-RIEssä käytettävästä SF₆/O₂-kaasuplasmasta peräisin oleva atominen happi muodostaa prosessin aikana seostuksessa olevien gallium-ionien kanssa reagoimalla galliumoksidia, jonka stoikiometria muuttuu etsausajan funktiona ja lienee osasyynä maskiefektiin . Kuvassa 4 olevia etsausprofiilien poikkileikkauksia tarkastelemalla nähdään että isotrooppinen märkäetsaus etsaa myös maskin alta, mutta ICP-RIEn avulla saadaan aikaan suora seinämä.