Grabado profundo con iones reactivos

El grabado iónico reactivo profundo ( DRIE ) es una subclase especial del grabado iónico reactivo (RIE). Permite un proceso de grabado altamente anisotrópico que se utiliza para crear orificios y zanjas de penetración profunda y paredes pronunciadas en obleas /sustratos, generalmente con altas relaciones de aspecto . Se desarrolló para sistemas microelectromecánicos (MEMS), que requieren estas características, pero también se utiliza para excavar zanjas para condensadores de alta densidad para DRAM y, más recientemente, para crear vías pasantes de silicio ( TSV ) en la tecnología avanzada de encapsulado a nivel de oblea 3D.

En el grabado iónico reactivo profundo (DRIE), el sustrato se coloca dentro de un reactor y se introducen varios gases. Se genera un plasma en la mezcla de gases que descompone las moléculas de gas en iones. Estos iones se aceleran hacia la superficie del material que se está grabando y reaccionan con ella, formando otro elemento gaseoso. Este es el componente químico del grabado iónico reactivo. También existe un componente físico: si los iones tienen suficiente energía, pueden arrancar átomos del material que se está grabando sin que se produzca una reacción química.

Existen dos tecnologías principales para el grabado iónico reactivo profundo (DRIE) de alta velocidad: la criogénica y la Bosch, aunque el proceso Bosch es la única técnica de producción reconocida. Tanto el proceso Bosch como el criogénico permiten fabricar paredes de 90° (verdaderamente verticales), pero a menudo las paredes presentan una ligera conicidad, por ejemplo, de 88° ("reentrante") o 92° ("retrógrada").

Otro mecanismo es la pasivación de las paredes laterales: los grupos funcionales SiO _x F _y (que provienen del hexafluoruro de azufre y los gases de grabado de oxígeno) se condensan en las paredes laterales y las protegen del grabado lateral. Mediante la combinación de estos procesos, se pueden crear estructuras verticales profundas.

En el grabado iónico reactivo criogénico (DRIE criogénico), la oblea se enfría a -110  °C (163 K ). La baja temperatura ralentiza la reacción química que produce el grabado isotrópico. Sin embargo, los iones continúan bombardeando las superficies orientadas hacia arriba y grabándolas. Este proceso produce surcos con paredes laterales muy verticales. Los principales problemas del DRIE criogénico son que las máscaras estándar sobre los sustratos se agrietan bajo el frío extremo, además de que los subproductos del grabado tienden a depositarse en la superficie fría más cercana, es decir, el sustrato o el electrodo.

El proceso Bosch, que recibe su nombre de la empresa alemana Robert Bosch GmbH que patentó el proceso, ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} también conocido como grabado pulsado o multiplexado en el tiempo, alterna repetidamente entre dos modos para lograr estructuras casi verticales:

1. Un grabado de plasma estándar, casi isotrópico . El plasma contiene algunos iones que atacan la oblea desde una dirección casi vertical. El hexafluoruro de azufre [SF6 _] se usa frecuentemente para el silicio .
2. Deposición de una capa de pasivación químicamente inerte _. ( Por ejemplo, el gas fuente de octafluorociclobutano [C₄F₈ _] produce una sustancia similar al teflón ).

Cada fase dura varios segundos. La capa de pasivación protege todo el sustrato de ataques químicos posteriores e impide un mayor grabado. Sin embargo, durante la fase de grabado, los iones direccionales que bombardean el sustrato atacan la capa de pasivación en el fondo de la zanja (pero no en los laterales). Chocan contra ella y la desprenden , dejando el sustrato expuesto al agente de grabado químico.

Estos pasos de grabado/deposición se repiten muchas veces, lo que da como resultado una gran cantidad de pequeños pasos de grabado isotrópicos que tienen lugar únicamente en el fondo de las cavidades grabadas. Para grabar una  oblea de silicio de 0,5 mm, por ejemplo, se necesitan entre 100 y 1000 pasos de grabado/deposición. El proceso de dos fases provoca que las paredes laterales ondulen con una amplitud de aproximadamente 100 a 500 nm . El tiempo de ciclo se puede ajustar: los ciclos cortos producen paredes más lisas y los ciclos largos producen una mayor velocidad de grabado.

La profundidad del grabado suele depender de la aplicación:

• En los circuitos de memoria DRAM , las zanjas de los condensadores pueden tener  una profundidad de 10 a 20 μm.
• En los sistemas MEMS, la técnica DRIE se utiliza para diámetros que van desde unos pocos micrómetros hasta 0,5  mm.
• En el corte irregular de chips, se utiliza DRIE con una novedosa máscara híbrida blanda/dura para lograr un grabado submilimétrico y cortar los chips de silicio en piezas tipo Lego con formas irregulares. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}
• En electrónica flexible, DRIE se utiliza para hacer flexibles los dispositivos CMOS monolíticos tradicionales reduciendo el espesor de los sustratos de silicio a unas pocas a decenas de micrómetros. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

La técnica DRIE se distingue de la RIE por su profundidad de grabado. Las profundidades de grabado prácticas para RIE (como las que se utilizan en la fabricación de circuitos integrados ) se limitan a unos 10  μm a una velocidad de hasta 1  μm/min, mientras que DRIE puede grabar características mucho mayores, hasta 600  μm o más, con velocidades de hasta 20  μm/min o más en algunas aplicaciones.

El grabado iónico reactivo profundo (DRIE) del vidrio requiere una alta potencia de plasma, lo que dificulta encontrar materiales de máscara adecuados para un grabado realmente profundo. El polisilicio y el níquel se utilizan para  profundidades de grabado de 10 a 50 μm. En el DRIE de polímeros, se lleva a cabo el proceso Bosch con pasos alternos de grabado con SF6 _{y pasivación} con C4F8 _. Se pueden utilizar máscaras metálicas, pero son costosas, ya que siempre requieren varios pasos adicionales de fotodeposición y fotograbado. Sin embargo, las máscaras metálicas no son necesarias en varios sustratos (Si [hasta 800 μm], InP [hasta 40 μm] o vidrio [hasta 12 μm]) si se utilizan fotorresistencias negativas con amplificación química.   

La implantación de iones de galio puede utilizarse como máscara de grabado en el proceso cryo-DRIE. El proceso combinado de nanofabricación mediante haz de iones focalizado y cryo-DRIE fue descrito por primera vez por N. Chekurov et al. en su artículo "Fabricación de nanoestructuras de silicio mediante implantación local de galio y grabado iónico reactivo profundo criogénico". ^{[ 16 ]}

• Sistemas microelectromecánicos