Bij de productie van halfgeleiders bestaat er een techniek die ‘etsen’ wordt genoemd tijdens de verwerking van een substraat of een dunne film die op het substraat is gevormd. De ontwikkeling van de etstechnologie heeft een rol gespeeld bij het verwezenlijken van de voorspelling van Intel-oprichter Gordon Moore in 1965 dat “de integratiedichtheid van transistors binnen 1,5 tot 2 jaar zal verdubbelen” (algemeen bekend als “de wet van Moore”).
Etsen is geen “additief” proces zoals afzetting of binding, maar een “subtractief” proces. Bovendien is het, afhankelijk van de verschillende schraapmethoden, onderverdeeld in twee categorieën, namelijk “nat etsen” en “droog etsen”. Simpel gezegd: de eerste is een smeltmethode en de laatste een graafmethode.
In dit artikel leggen we kort de kenmerken en verschillen van elke etstechnologie, nat etsen en droog etsen, uit, evenals de toepassingsgebieden waarvoor elke technologie geschikt is.
Overzicht van het etsproces
Er wordt gezegd dat de etstechnologie halverwege de 15e eeuw in Europa is ontstaan. Op dat moment werd zuur in een gegraveerde koperen plaat gegoten om het blanke koper te corroderen en een diepdruk te vormen. Oppervlaktebehandelingstechnieken waarbij gebruik wordt gemaakt van de effecten van corrosie staan algemeen bekend als ‘etsen’.
Het doel van het etsproces bij de productie van halfgeleiders is het snijden van het substraat of de film op het substraat volgens de tekening. Door de voorbereidende stappen van filmvorming, fotolithografie en etsen te herhalen, wordt de vlakke structuur verwerkt tot een driedimensionale structuur.
Het verschil tussen nat etsen en droog etsen
Na het fotolithografieproces wordt het belichte substraat nat of droog geëtst in een etsproces.
Nat etsen maakt gebruik van een oplossing om het oppervlak te etsen en weg te schrapen. Hoewel deze methode snel en goedkoop kan worden verwerkt, heeft het nadeel dat de verwerkingsnauwkeurigheid iets lager is. Daarom werd droog etsen rond 1970 geboren. Bij droog etsen wordt geen oplossing gebruikt, maar wordt gas gebruikt om het substraatoppervlak te raken om het te krassen, wat wordt gekenmerkt door een hoge verwerkingsnauwkeurigheid.
“Isotropie” en “Anisotropie”
Bij het introduceren van het verschil tussen nat etsen en droog etsen zijn de essentiële woorden “isotroop” en “anisotroop”. Isotropie betekent dat de fysieke eigenschappen van materie en ruimte niet veranderen met de richting, en anisotropie betekent dat de fysieke eigenschappen van materie en ruimte variëren met de richting.
Isotroop etsen betekent dat het etsen rond een bepaald punt in dezelfde mate verloopt, en anisotroop etsen betekent dat het etsen rond een bepaald punt in verschillende richtingen verloopt. Bij het etsen tijdens de vervaardiging van halfgeleiders wordt bijvoorbeeld vaak voor anisotroop etsen gekozen, zodat alleen de doelrichting wordt geschraapt, terwijl andere richtingen intact blijven.
Afbeeldingen van “Isotropic Etch” en “Anisotropic Etch”
Nat etsen met chemicaliën.
Nat etsen maakt gebruik van een chemische reactie tussen een chemische stof en een substraat. Met deze methode is anisotroop etsen niet onmogelijk, maar wel veel moeilijker dan isotroop etsen. Er zijn veel beperkingen aan de combinatie van oplossingen en materialen, en omstandigheden zoals substraattemperatuur, oplossingsconcentratie en toegevoegde hoeveelheid moeten strikt worden gecontroleerd.
Hoe fijn de omstandigheden ook zijn aangepast, bij nat etsen is het moeilijk om een fijne verwerking onder de 1 μm te bereiken. Eén reden hiervoor is de noodzaak om het zijetsen onder controle te houden.
Onderbieding is een fenomeen dat ook wel onderbieding wordt genoemd. Zelfs als men hoopt dat het materiaal alleen in de verticale richting (diepterichting) zal worden opgelost door nat etsen, is het onmogelijk om volledig te voorkomen dat de oplossing de zijkanten raakt, zodat het oplossen van het materiaal in de parallelle richting onvermijdelijk zal plaatsvinden. . Vanwege dit fenomeen produceert nat etsen willekeurig secties die smaller zijn dan de doelbreedte. Op deze manier is bij het verwerken van producten die een nauwkeurige stroomregeling vereisen de reproduceerbaarheid laag en de nauwkeurigheid onbetrouwbaar.
Voorbeelden van mogelijke fouten bij nat etsen
Waarom droogetsen geschikt is voor microbewerking
Beschrijving van verwante techniek Droog etsen, geschikt voor anisotroop etsen, wordt gebruikt bij halfgeleiderproductieprocessen die verwerking met hoge precisie vereisen. Droog etsen wordt vaak reactief ionenetsen (RIE) genoemd, wat ook plasma-etsen en sputteretsen in brede zin kan omvatten, maar dit artikel zal zich concentreren op RIE.
Om uit te leggen waarom anisotroop etsen gemakkelijker is met droog etsen, gaan we het RIE-proces eens nader bekijken. Het is gemakkelijk te begrijpen door het proces van droog etsen en het afschrapen van het substraat in twee typen te verdelen: “chemisch etsen” en “fysiek etsen”.
Chemisch etsen gebeurt in drie stappen. Eerst worden de reactieve gassen op het oppervlak geadsorbeerd. Uit het reactiegas en het substraatmateriaal worden vervolgens reactieproducten gevormd, en tenslotte worden de reactieproducten gedesorbeerd. Bij het daaropvolgende fysieke etsen wordt het substraat verticaal naar beneden geëtst door argongas verticaal op het substraat aan te brengen.
Chemisch etsen vindt isotroop plaats, terwijl fysiek etsen anisotroop kan plaatsvinden door de richting van de gastoepassing te regelen. Door dit fysieke etsen geeft droog etsen meer controle over de etsrichting dan nat etsen.
Droog en nat etsen vereist ook dezelfde strikte voorwaarden als nat etsen, maar het heeft een hogere reproduceerbaarheid dan nat etsen en heeft veel gemakkelijker te controleren items. Daarom lijdt het geen twijfel dat droog etsen gunstiger is voor industriële productie.
Waarom nat etsen nog steeds nodig is
Als je eenmaal de schijnbaar almachtige droge ets begrijpt, vraag je je misschien af waarom natte ets nog steeds bestaat. De reden is echter simpel: nat etsen maakt het product goedkoper.
Het belangrijkste verschil tussen droog etsen en nat etsen zijn de kosten. De chemicaliën die bij nat etsen worden gebruikt, zijn niet zo duur, en de prijs van de apparatuur zelf zou ongeveer 1/10 van die van droogetsapparatuur bedragen. Bovendien is de verwerkingstijd kort en kunnen meerdere substraten tegelijkertijd worden verwerkt, waardoor de productiekosten worden verlaagd. Hierdoor kunnen we de productkosten laag houden, wat ons een voordeel geeft ten opzichte van onze concurrenten. Als de eisen aan de verwerkingsnauwkeurigheid niet hoog zijn, zullen veel bedrijven kiezen voor nat etsen voor ruwe massaproductie.
Het etsproces werd geïntroduceerd als een proces dat een rol speelt in de microfabricagetechnologie. Het etsproces is grofweg verdeeld in nat etsen en droog etsen. Als de kosten belangrijk zijn, is het eerste beter, en als microverwerking van minder dan 1 μm vereist is, is het laatste beter. Idealiter kan een proces worden gekozen op basis van het te produceren product en de kosten, in plaats van welk proces beter is.
Posttijd: 16 april 2024