Grabado (microfabricación)

Los primeros procesos de grabado utilizaban grabadores en fase líquida ("húmedos"). Este proceso está ahora en gran medida obsoleto, pero se utilizó hasta finales de la década de 1980, cuando fue reemplazado por el grabado con plasma seco. ^{[ 1 ] : 147} La oblea puede sumergirse en un baño de grabador, que debe agitarse para lograr un buen control del proceso. Por ejemplo, el ácido fluorhídrico tamponado (BHF) se utiliza comúnmente para grabar dióxido de silicio sobre un sustrato de silicio .

Para caracterizar la superficie grabada se pueden utilizar diferentes reactivos de grabado especializados.

Los grabadores húmedos suelen ser isotrópicos, lo que genera una gran desviación al grabar películas gruesas. Además, requieren la eliminación de grandes cantidades de residuos tóxicos. Por estas razones, rara vez se utilizan en procesos de última generación. Sin embargo, el revelador fotográfico utilizado para la fotorresina se asemeja al grabado húmedo.

Como alternativa a la inmersión, las máquinas de obleas individuales utilizan el principio de Bernoulli para emplear un gas (generalmente nitrógeno puro ) que amortigua y protege una cara de la oblea mientras se aplica el agente de grabado a la otra. Esto se puede realizar tanto en la cara frontal como en la posterior. La química de grabado se dispensa en la cara superior dentro de la máquina, sin afectar la cara inferior. Este método de grabado es particularmente efectivo justo antes del procesamiento posterior ( BEOL ), donde las obleas suelen ser mucho más delgadas después del pulido posterior y muy sensibles al estrés térmico o mecánico. El grabado de una capa delgada, incluso de unos pocos micrómetros, elimina las microfisuras producidas durante el pulido posterior, lo que resulta en una oblea con una resistencia y flexibilidad considerablemente mayores sin romperse.

Algunos agentes de grabado húmedo graban materiales cristalinos a velocidades muy diferentes según la cara del cristal que quede expuesta. En materiales monocristalinos (por ejemplo, obleas de silicio), este efecto puede generar una anisotropía muy elevada, como se muestra en la figura. El término «grabado cristalográfico» es sinónimo de «grabado anisotrópico a lo largo de los planos cristalinos».

Sin embargo, para algunos materiales no cristalinos como el vidrio, existen métodos no convencionales para realizar un grabado anisotrópico. ^{[ 2 ]} Los autores emplean un flujo laminar multicorriente que contiene soluciones de grabado y no grabado para fabricar una ranura en el vidrio. La solución de grabado en el centro está flanqueada por soluciones no grabadoras y el área en contacto con las soluciones de grabado está limitada por las soluciones no grabadoras circundantes. La dirección de grabado es, por lo tanto, principalmente vertical a la superficie del vidrio. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (MEB) demuestran la superación del límite teórico convencional de la relación de aspecto (ancho/alto = 0,5) y contribuyen a una mejora del doble (ancho/alto = 1).

Existen varios grabadores húmedos anisotrópicos disponibles para el silicio, todos ellos cáusticos acuosos calientes. Por ejemplo, el hidróxido de potasio (KOH) muestra una selectividad de velocidad de grabado 400 veces mayor en las direcciones cristalográficas <100> que en las direcciones <111>. El EDP (una solución acuosa de etilendiamina y pirocatecol ) muestra una selectividad <100>/<111> de 17X, no graba el dióxido de silicio como lo hace el KOH, y también muestra una alta selectividad entre silicio ligeramente dopado y fuertemente dopado con boro (tipo p). El uso de estos grabadores en obleas que ya contienen circuitos integrados CMOS requiere la protección de los circuitos. El KOH puede introducir iones de potasio móviles en el dióxido de silicio , y el EDP es altamente corrosivo y carcinogénico , por lo que se requiere precaución en su uso. El hidróxido de tetrametilamonio (TMAH) presenta una alternativa más segura que el EDP, con una selectividad de 37X entre los planos {100} y {111} en el silicio.

El grabado de una superficie de silicio (100) a través de un orificio rectangular en un material de enmascaramiento, como un orificio en una capa de nitruro de silicio, crea una cavidad con paredes laterales planas inclinadas orientadas en la dirección {111} y un fondo plano orientado en la dirección (100). Las paredes laterales orientadas en la dirección {111} tienen un ángulo con respecto a la superficie de la oblea de:

${\displaystyle \arctan {\sqrt {2}}=54.7^{\circ }}$

Si el grabado se continúa "hasta su finalización", es decir, hasta que desaparece el fondo plano, el hoyo se convierte en una zanja con una sección transversal en forma de V. Si el rectángulo original era un cuadrado perfecto, el hoyo, una vez grabado por completo, presenta una forma piramidal.

El socavado, δ , bajo un borde del material de enmascaramiento viene dado por:

${\displaystyle \delta ={\frac {{\sqrt {6}}D}{S}}={\frac {{\sqrt {6}}R_{100}T}{R_{100}/R_{111}}}={\sqrt {6}}TR_{111}}$,

donde R _xxx es la velocidad de grabado en la dirección <xxx>, T es el tiempo de grabado, D es la profundidad de grabado y S es la anisotropía del material y del agente de grabado.

Los distintos agentes de grabado presentan diferentes anisotropías. A continuación se muestra una tabla con agentes de grabado anisotrópicos comunes para el silicio:

Los procesos modernos de integración a muy gran escala (VLSI) evitan el grabado húmedo y, en su lugar, utilizan el grabado por plasma . Los grabadores de plasma pueden operar en varios modos ajustando los parámetros del plasma. El grabado por plasma convencional opera entre 0,1 y 5 Torr . (Esta unidad de presión, comúnmente utilizada en ingeniería de vacío, equivale aproximadamente a 133,3 pascales ). El plasma produce radicales libres energéticos , con carga neutra , que reaccionan en la superficie de la oblea.

Dado que las partículas neutras atacan la oblea desde todos los ángulos, este proceso es isotrópico. El grabado por plasma puede ser isotrópico, es decir, presentar una tasa de socavación lateral en una superficie modelada aproximadamente igual a su tasa de grabado descendente, o puede ser anisotrópico, es decir, presentar una tasa de socavación lateral menor que su tasa de grabado descendente. Dicha anisotropía se maximiza en el grabado iónico reactivo profundo (DRIE). El uso del término anisotropía para el grabado por plasma no debe confundirse con el uso del mismo término al referirse al grabado dependiente de la orientación.

El gas fuente del plasma suele contener moléculas pequeñas ricas en cloro o flúor . Por ejemplo, el tetracloruro de carbono (CCl₄ ₎ graba el silicio y el aluminio , y el trifluorometano graba el dióxido de silicio y el nitruro de silicio . Un plasma que contiene oxígeno se utiliza para oxidar (" ceniza ") la fotorresina y facilitar su eliminación.

El fresado iónico , o grabado por pulverización catódica , utiliza presiones más bajas, a menudo tan bajas como 10⁻⁴ ^Torr (10 mPa). Bombardea la oblea con iones energéticos de gases nobles , a menudo Ar⁺ ^, que desprenden átomos del sustrato mediante la transferencia de momento . Debido a que el grabado se realiza mediante iones, que se aproximan a la oblea aproximadamente desde una dirección, este proceso es altamente anisotrópico. Por otro lado, tiende a mostrar una selectividad deficiente. El grabado iónico reactivo (RIE) opera bajo condiciones intermedias entre el grabado por pulverización catódica y el grabado por plasma (entre 10⁻³ ^y 10⁻¹ ^Torr ). El grabado iónico reactivo profundo (DRIE) modifica la técnica RIE para producir características profundas y estrechas.