ICP-RIE

ICP-RIE-reaktori rakentuu kahdesta tehonlähteestä (ICP+CCP), joilla säädetään reaktorissa olevan plasman ominaisuuksia sekä ionipommituksen voimakkuutta. Prosessikammio pidetään koko ajan tyhjiössä ja kiekot laitetaan sisään latausluukun ('load lock') kautta. Prosessikaasut syötetään reaktiokammioon sen katosta ja reaktiotuotteet poistetaan alakautta.

ICP-RIE--reaktoreissa on käytettävissä useita eri etsauskaasuja, joista valitaan sopiva yhdistelmä prosessoitavan materiaalin perusteella. ICP:n teho on tyypillisesti välillä 500–2 000 W ja CCP:n 0–300 W. Reaktorissa oleva plasma muodostetaan käyttämällä voimakasta RF-kenttää, jonka taajuus on yleensä 13,56 MHz prosessikaasujen ionisoimiseen. Prosessikammion paine on tyypillisesti välillä 100–1 000 Pa ja kaasuvirtaus voi nousta enimmillään arvoon 10 sccm (stantardikuutiosenttimetriä  minuutissa). Kiekon takapintaa vasten olevan elektrodin lämpötila voi puolestaan olla mitä tahansa 120 K:n ja 670 K:n väliltä. Jäähdytyksessa kiekon takapintaan kohdistuva paine vaikuttaa myös saatavaan etsausprofiiliin. Sallitut kiekkokoot ja paksuudet vaihtelevat laitteittain, mutta kiekkoa paikallaan elektrodia vasten pitävän mekanismin puristusvoimaa voi useimmiten säätää. 

Etsausprosessin yksityiskohdat riippuvat osittain reaktorin rakenteesta ja valmistusmateriaaleista. Tyypillisiä prosesseja ovat piin nopea etsaus kryogeenisellä DRIE-prosessilla sekä III-V-yhdistepuolijohteiden etsaus klooripohjaisilla kaasuilla.

ICP-RIE-etsausprosessin toiminta ja ominaisuudet

ICP-RIE-prosessissa prosessikammiossa oleva käsiteltävä kappale painetaan sen paksuudesta riippuvalla voimalla alapinnastaan kiinni elektrodiin, jota jäähdytetään nesteheliumilla tai -typellä käytettävästä laitteistosta ja prosessista riippuen. Prosessikammion paine on pidettävä alle kymmenessä millitorrissa, jotta ionit osuisivat kohteen pintaan suorassa kulmassa. Mikäli paine nousee yli sallitun rajan, ionien törmäykset kammiossa olevien kaasumolekyylien kanssa saavat aikaan ionien suunnanmuutoksia ja ionien kulmajakauma kohteen pinnan suhteen levenee. Prosessikaasujen virtaus ei saa nousta liian suureksi tai prosessikammion paine nousee yli edellä mainitun 10 millitorrin rajan.  {de Boer, M.J.} ja {Gardeniers, J.G.E.} ja {Jansen, H.V.} ja {Smulders, E.} ja {Gilde, M.-J.} ja {Roelofs, G.} ja {Sasserath, J.N.} ja {Elwenspoek, M.} Guidelines for etching silicon mems structures using fluorine high-density plasmas at cryogenic temperatures. Journal of Microelectromechanical Systems, 11(4):385–401, 2002. 

ICP-RIE-prosessissa käytetään kahta erikseen säädettävissä olevaa tehonlähdettä. ICP:llä (induktiivisesti kytketty plasmalähde) saadaan aikaan plasman korkea radikaali- ja ionitiheys, koska sen kehittämä voimakas RF-kenttä ionisoi, virittää ja hajottaa reaktiokaasujen molekyylejä ja atomeja. CCP:llä (kapasitiivisesti kytketty plasmalähde) puolestaan ohjataan plasmassa olevat ionit ja radikaalit kohteen pintaan, joten sen tehoa säätämällä hallitaan pintaan kohdistuvan ionipommituksen voimakkuutta. Kuvassa  oleva kaavio havainnollistaa ICP-RIE-reaktorin rakennetta. Korkeilla ICP:n tehoilla etsausnopeus alkaa kasvaa lineaarisesti SF6-virtauksen funktiona.

ICP-RIE-etsausprosessin toiminta perustuu plasmassa olevien radikaalien ja ionien reaktioihin kohdemateriaalin atomien kanssa. Kaasuuntuvat reaktiotuotteet kuljettavat reagoineet kohdemateriaalin atomit pois etsattavan kohteen pinnalta. Etsausreaktio voi tapahtua vain, jos reaktion lopputuotteen atomien välinen sidos on vahvempi kuin kohdemateriaalin atomien väliset sidokset. Matalissa lämpötiloissa kohteen pintaan osuvilla ioneilla ja radikaaleilla ei ole riittävästi lämpöenergiaa reaktion aktivointienergian ylittämiseksi, jolloin etsausprosessin vaatima reaktio voi tapahtua vain törmäyksessä saatavan energian avulla. Tällöin sivuseinillä ei voi tapahtua etsausreaktioita, vaikka niihin saattaakin muodostua passivointikalvo ja saatava profiili on suorakaiteen muotoinen. Kuvassa 1 havainnollistetaan edellä kuvattua kryogeenisen DRIE-prosessin (deep reactive ion etching, reaktiivinen ionisyväetsaus) ideaa. Ionipommituksella voidaan myös aiheuttaa reaktioita, jotka eivät normaalisti sovellu etsaukseen.  Sami Franssila.  Introduction to microfabrication, Wiley, 2004.  thumb|Kuva 1. Kryogeeninen DRIE-prosessi. Kuvassa olevat nuolet kuvaavat substraatin pintaan osuvia reagensseja (mustat ympyrät) ja pinnasta irtoavia reaktiotuotteita. Etsausmaskia kuvataan sinisellä värillä.

Kidesuunnista riippuva etsaus vaatii sen, että kokonaisreaktionopeus määräytyy pitkälti pintareaktioiden nopeudesta. Kuljetusprosessit voivat kätkeä edellä kuvatun ilmiön. Mahdollisen maskin alle-etsaantumisen voi minimoida käyttämällä sopivia prosessiparametrejä. Käytännössä tämä tarkoittaa etsausnopeuden alentamista. Selektiivisyyteen maskimateriaalin suhteen vaikuttavat lähinnä käytetyt prosessikaasut ja niiden osuudet kokonaisvirtauksesta sekä CCP:n teho.

Etsausprofiilin hallinta on tasapainoilua etsauksen ja passivoivan SiOxFy-kerroksen kasvatuksen välillä. Etsausprofiili käyttäytyy samalla tavalla sekä SF6- ja O2-virtausten että ICP- ja CCP-parametrien suhteen funktiona. ICP-RIEn kyky tehdä suoria seinämiä ei-kryogeenisissa lämpötiloissa johtuu pitkälti kohteen pintaan syntyvästä passivointikerroksesta, joka suojaa muita kuin ionipommituksen kohteena olevia alueita kemiallisilta reaktioilta. Passivointikerros syntyy kun SF6- ja O2-radikaalit reagoivat kohdemateriaalin atomien kanssa. Plasmaetsaukselle ei ole olemassa käyttökelpoisia simulaattoreita lopputuloksen ennustamiseen lähtien tunnetuista prosessiparametreistä, koska kaikkia prosessimekanismeja ei tunneta riittävästi . 

Yhtälössä

esitetään empiirinen lauseke piin etsausnopeudelle ICP-RIEssä SF6-virtauksen  ja ICP:n tehon  funktiona. Etsausnopeuden käänteisluvun havaitaan olevan osoittajassa olevien tulontekijöiden käänteislukujen summa. Etsausnopeuden voi pitää vakiona muuttamalla molempia prosessiparametrejä sopivassa suhteessa. Suhteellisen pienillä SF6-virtauksilla erityisesti isoilla ICP:n tehoilla etsausnopeuden havaitaan kasvavan lineaarisesti SF6-virtauksen funktiona. Tämän suoran kulmakerroin on . Suurilla SF6-virtauksilla etsausnopeus kasvaa lineaarisesti ICP:n tehon funktiona. Tämän suoran kulmakerroin on . Vakiot  ja  ovat laitekohtaisia parametrejä, jotka on määritettävä kokeellisesti. 

 Lähteet 

Luokka:Puolijohteet
Luokka:Pintakäsittely