Grabado con plasma

Un plasma es un estado de alta energía en el que pueden ocurrir muchos procesos. Estos procesos se producen debido a los electrones y los átomos. Para formar el plasma, los electrones deben acelerarse para ganar energía. Los electrones de alta energía transfieren la energía a los átomos mediante colisiones. Tres procesos diferentes pueden ocurrir debido a estas colisiones: ^{[ 2 ] [ 3 ]}

• Excitación
• Disociación
• Ionización

En el plasma están presentes diferentes especies como electrones, iones, radicales y partículas neutras. Estas especies interactúan constantemente entre sí. Durante el grabado con plasma ocurren dos procesos: ^{[ 4 ]}

• generación de especies químicas
• interacción con las superficies circundantes

Sin plasma, todos esos procesos ocurrirían a una temperatura más alta. Existen diferentes maneras de modificar la química del plasma y obtener distintos tipos de grabado o deposición por plasma. Una forma de generar plasma es mediante excitación por radiofrecuencia con una fuente de alimentación de 13,56  MHz, frecuencia asignada para esta aplicación en las bandas ISM .

El modo de funcionamiento del sistema de plasma cambia si varía la presión de operación. Además, difiere según la estructura de la cámara de reacción. En el caso más sencillo, la estructura del electrodo es simétrica y la muestra se coloca sobre el electrodo conectado a tierra.

La clave para desarrollar procesos de grabado complejos exitosos es encontrar la química de grabado de gas apropiada que forme productos volátiles con el material a grabar, como se muestra en la Tabla 1. ^{[ 3 ]} Para algunos materiales difíciles (como los materiales magnéticos), la volatilidad solo se puede obtener cuando se aumenta la temperatura de la oblea. Los principales factores que influyen en el proceso de plasma son: ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 5 ]}

• Fuente de electrones
• Presión
• especies de gases
• Vacío

La reacción de los productos depende de la probabilidad de que átomos, fotones o radicales diferentes reaccionen para formar compuestos químicos. La temperatura de la superficie también afecta la reacción de los productos. La adsorción ocurre cuando una sustancia puede acumularse y alcanzar la superficie en una capa condensada, cuyo espesor varía (generalmente una capa delgada y oxidada). Los productos volátiles se desorben en la fase de plasma y ayudan al proceso de grabado por plasma a medida que el material interactúa con las paredes de la muestra. Si los productos no son volátiles, se formará una película delgada en la superficie del material. Diferentes principios que afectan la capacidad de una muestra para el grabado por plasma: ^{[ 3 ] [ 6 ]}

• Volatilidad
• Adsorción
• Afinidad química
• Bombardeo iónico
• Pulverización catódica

El grabado con plasma puede modificar los ángulos de contacto de la superficie, por ejemplo, de hidrofílica a hidrofóbica, o viceversa. Se ha informado que el grabado con plasma de argón aumenta el ángulo de contacto de 52° a 68° ^{[ 7 ]} , y el grabado con plasma de oxígeno lo reduce de 52° a 19° en compuestos de CFRP para aplicaciones en placas óseas. También se ha informado que el grabado con plasma reduce la rugosidad superficial de cientos de nanómetros a tan solo 3  nm en metales ^{[ 8 ] .}

El grabado por microondas se realiza con fuentes de excitación en la frecuencia de microondas, es decir, entre MHz y GHz. Aquí se muestra un ejemplo de grabado por plasma. ^{[ 10 ]}

Una forma de utilizar gas como plasma de grabado es el plasma de hidrógeno. Por lo tanto, se puede utilizar un aparato experimental como este: ^{[ 5 ]}

Los grabadores de plasma industriales suelen incorporar confinamiento de plasma para lograr velocidades de grabado repetibles y distribuciones espaciales precisas en plasmas de radiofrecuencia (RF Tooltip) . ^{[ 11 ]} Un método para confinar plasmas consiste en utilizar las propiedades de la capa de Debye , una capa cercana a la superficie en los plasmas similar a la doble capa en otros fluidos. Por ejemplo, si la longitud de la capa de Debye en una pieza de cuarzo ranurada es al menos la mitad del ancho de la ranura, la capa la cerrará y confinará el plasma, permitiendo al mismo tiempo el paso de partículas sin carga a través de ella.

El plasma puede utilizarse para depositar una película de dióxido de silicio sobre una oblea de silicio (mediante plasma de oxígeno) o para eliminarlo utilizando un gas que contiene flúor. En combinación con la fotolitografía , el dióxido de silicio puede aplicarse o eliminarse selectivamente para trazar circuitos.

Para la formación de circuitos integrados es necesario estructurar varias capas. Esto se puede realizar con un grabador de plasma. Antes del grabado, se deposita una fotorresina sobre la superficie, se ilumina a través de una máscara y se revela. A continuación, se realiza el grabado en seco para lograr un grabado estructurado. Después del proceso, se debe eliminar la fotorresina restante. Esto también se realiza en un grabador de plasma especial, llamado incinerador. ^{[ 14 ]}

El grabado en seco permite un grabado reproducible y uniforme de todos los materiales utilizados en la tecnología de semiconductores de silicio y III-V . Mediante el grabado iónico reactivo/plasma acoplado inductivamente (ICP/RIE), incluso los materiales más duros, como el diamante, pueden nanoestructurarse. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

Las máquinas de grabado por plasma también se utilizan para la eliminación de capas en circuitos integrados durante el análisis de fallos .

El plasma se utiliza para grabar placas de circuitos impresos, incluyendo la eliminación de manchas en las vías. ^{[ 17 ]}