5 - mems - wet&dry etching

1

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione

I processi di EtchingIl termine “etching” si riferisce ai processi di rimozione selettiva di materialedalla superficie o dal corpo del wafer di silicio.

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


Selettività

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

La selettività relativamente alle regioni nelle quali eseguire il processo dietching è determinata dall’uso di opportune maschere fotolitografiche insiemecon “masking” materialsLa selettività rispetto ai materiali è caratterizzata dall’etch-rate (velocità dietching che, per una data sostanza etchant, è caratteristico del materiale)

Classificazione dei processi di etching:Classificazione dei processi di etching:

Surface etchingrimozione di film sottili dalla superficie del waferBulk etchingrimozione di parte del substrato (lo stesso wafer)

2

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


Anisotropia

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

La struttura cristallografica di alcuna materiali ed il conseguente diversonumero di atomi nei diversi piani cristallografici risulta in velocità di etchingdiverse nelle varie direzioni.

Classificazione dei processi di etching (cont.ed) :Wet etchingrimozione per attacco chimico in fase liquidaDry etchingtipicamente plasma o vapore

Isotropic

Anisotropic

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


Anisotropia

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

La struttura cristallografica di alcuna materiali ed il conseguente diversonumero di atomi nei diversi piani cristallografici risulta in velocità di etchingdiverse nelle varie direzioni.

Isotropic

Anisotropic

3

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione

I processi di EtchingDefiniamo alcuni parametri.

Undercut

Di i l h

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S Distanza rimossa sotto la maschera

Bias B

B=dfilm-dmask B è pari al doppio dell’undercut

Etching Anisotropy A

A= 1 – ERL/ERV

ER E h l l ER E h i lERL: Etch rate laterale, ERV: Etch rate verticale

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione

I processi di Etching

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

4

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione

I processi di Etching: Silicon

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

5

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione

I processi di EtchingEtching anisotropico del silicio monocristallino con KOH

KOH

attacca rapidamente il Silicio monocristallino

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S attacca lentamente SiO2 e Si3N4 (materiali usati

per la passivazione e la protezione di IC)

attacca l'alluminio che deve invece essereprotetto

libera ioni K+ che possono alterare i livelli didrogaggio

Surface (100)

Due gruppi OH- reagiscono con gli atomi insuperficie

La presenza dei gruppi OH- rende il legame covalenteinterno debole

6

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


KOH


Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro





Si ha dunque una nuova reazione con i gruppi OH-

La molecola neutra Si(OH)4

abbandona la superficie

Si(OH)4 è instabile in acqua

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


KOH


Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro





La molecola neutra Si(OH)4 abbandona la superficie

Si(OH)4 è instabile in acqua

Reazione globale

7

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione

I processi di Etching: Wet EtchingEtching anisotropico del silicio monocristallino con KOH

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione

I processi di Etching: Wet EtchingConvex corners & Structures release

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

8

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione

I processi di Etching: Wet Etching

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

9

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione

I processi di Etching: Wet EtchingIl “quadrato principale”

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


Relazione tra l’apertura nella maschera e l’apertura sul fondo della cavità

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

zWW

z).(WW

m

m

2

7454cotan

0

0

10

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione

I processi di EtchingEtching anisotropico del silicio monocristallino

Etch rate - Legge di Arrhenius

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

kT

hkliSaE

iieRR hklShklS

}{

}{0}{

ii hklShklS }{0}{

RSi{hkl} = velocità di attacco del piano {hkl}

R0Si{hkl} = coefficiente funzione della concentrazione della soluzione

EaSi{hkl} = energia di attivazione per il piano {hkl} e per una dataconcentrazione della soluzione

k = costante di Boltzmann

T = temperatura assoluta della soluzione

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione

I processi di EtchingEtching anisotropico del silicio monocristallino

Le varie formesono il risultato di

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

intersezioni tra ipiani <111> con ipiani sul fondodello scavoparalleli allasuperficie delwafer:

- V-grooveV groove

-cavità piramidali

I piani <111>sono solitamentedi “stop” per iprocessi di etchinganisotropico

11

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione

I processi di Etching: compensazione “convex corner”Etching anisotropico del silicio monocristallino

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

12

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Concave

Convex

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

13

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


Si vuole ottenere una forma “convessa” secondo la maschera “A”

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S Si vuole ottenere una forma convessa secondo la maschera A

Il risultato finale è diverso da quello atteso

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


Si vuole ottenere una forma “convessa” secondo la maschera “A”

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S Si vuole ottenere una forma convessa secondo la maschera A

Uso di “maschera compensata”

14

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Sa

lva

tore

Ba

glio

I processi di Etching: esempioRilascio di una membrana sospesa

Microlavorazione

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

15

Sa

lva

tore

Ba

glio

I processi di Etching: esempioRilascio di una membrana sospesa

MicrolavorazioneM

icro

e N

ano

Sen

sori

–P

rof.

SS

alv

ato

re B

agl

io

Microlavorazione


Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

16

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione

I processi di EtchingEtch Stop

Nei processi di microlavorazione tramite etching è richiesto il controlloaccurato delle dimensioni dei dispositivi e quindi è necessario controllare

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S accurato delle dimensioni dei dispositivi e quindi è necessario controllare

accuratamente la profondità di etching.

Questa è una operazione non facile quando sono richieste elevate accuratezze.

Al fine di controllare la profondità di etching possono essere utilizzati deglistrati “etch stop”: i materiali adottati hanno un etch rate molto inferiorerispetto al Silicio.

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione

I processi di EtchingEtch Stop

Strati con elevati drogaggi di Boro possono essere utilizzati come etch stop.

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Per uno strato con drogaggio di Boro e concentrazione >1020 cm-3

KOH - l’etch rate diminusce di un fattore 20 (rispetto al Silicio)

TMAH - l’etch rate diminusce di un fattore 10 (rispetto al Silicio)

17

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione

I processi di EtchingKOH Etching del Silicio

Sostanza molto largamente usata per la microlavorazione del Silicio

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Proporzioni tipiche:250 g KOH

200 g Propanol

800 g H2O

Utilizzo ad 80 °C con agitatore e condensatore per la raccolta dei vapori diPropanol

Etch rate tipici:p1 m/min per i piani <100> di Si (etch stop su strati p++)

14 Angstroms/min per Si3N4

20 Angstroms/min per SiO2

Anisotropia:

<111>:<110>:<100>→ 1:600:400

La presenza di potassio (K) rende tale processo incompatibile con i dispositivi CMOS

Sa

lva

tore

Ba

glio

TMAH Etching del Silicio

Tetra Methyl Ammonium Hydroxide

Microlavorazione

I processi di Etching

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Sostanza compatibile con CMOSNon sono presenti metalli alcalini disciolti (Li, Na, K, ... )

Se opportunamente corretto (Si) non attacca significativamente SiO2 ed Alluminio(Al) e quindi non danneggia i contatti elettrici (bonding pad)

Proporzioni tipiche:250 ml TMAH (25%)

800 ml H2O2

22 g di Si in polvere disciolto nella soluzione

Utilizzo ad 90 °C con agitatore

E’ necessario compensare la soluzione per ridurre la volatilità dell’ammoniaca

Etch rate tipico: 1 m/min

Anisotropia: <111>:<100>→ 1:30

18

Sa

lva

tore

Ba

glio

In questo caso la rimozione di materiale avviene per reazionecon un gas.

E’ ibil “ h ” “ l h ” hi

Microlavorazione

I processi di Etching: “Dry and Plasma” Etching

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S E’ possibile avere “vapor-phase” e “plasma-phase” etching

Vapor-phase etching

I gas tipicamente utilizzati sono i vari composti del Fluoro che attaccarapidamente il Silicio (XeF2)

Si ottiene un attacco isotropico ed abbastanza selettivo

L fi i tt t ò ffi i t t li lLe superfici ottenute sono, però, non sufficientemente lisce per alcuneapplicazioni (ottica)

Tali processi sono altamente controllabili

Maschere: SiO2 , PR, Al, Si3N4

Sa

lva

tore

Ba

glio

Plasma-phase etching

Tramite l’utilizzo di campi RF viene prodotto plasma nella camera dietching

Microlavorazione

I processi di Etching: “Dry and Plasma” Etching

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S etching.

Plasma: gas parzialmente ionizzato (SF6, CF4, NF3) composto da elementineutri, cariche positive (ioni+) e negative (elettroni–) in equilibrio dinamico.

Il plasma può reagire con il substrato per puro effetto chimico (plasmaetching) oppure per un effetto meccanico combinato grazie ad unaaccelerazione delle particelle libere dovuta ad una differenza di potenziale(reactive ion etching RIE)

Nei processi RIE il percorso degli ioni (SFx+) è pressoché verticale.

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Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione

I processi di Etching: Dry “Plasma” Etching

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Sa

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tore

Ba

glio

Microlavorazione


Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

20

Sa

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tore

Ba

glio

Microlavorazione


Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Sa

lva

tore

Ba

glio

Esempi di processo

ExamplesDRIE with SOI substrate

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

21

Sa

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tore

Ba

glio

Microlavorazione

Confronto tra i processi di etching

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione

Confronto tra i processi di etchingI processi di dry etching

Caratteristiche

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Riduce l’uso di soluzioni potenzialmente pericolose

Attacchi isotropici ed anisotropici

Attacchi direzionali non legati ai piani cristallografici

Elevata risoluzione spaziale

Ottimo controllo delle profondità di etching

Minore undercutting

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Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


Wet etching: Realizzazione di “probe tip” per AFM

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Sa

lva

tore

Ba

glio

Dry etching: Realizzazione di una molla di forma complessa

Microlavorazione


Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

23

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione

Esempio di microfabbricazione

Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

24

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

Sa

lva

tore

Ba

glio

Microlavorazione


Mic

ro e

Nan

o S

enso

ri –

Pro

f. S

5 - mems - wet&dry etching

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