Siliziumkomponenten für die Trockenätzung

Trockenätzgeräte verwenden zum Ätzen keine Nasschemikalien. Es leitet hauptsächlich ein gasförmiges Ätzmittel durch eine obere Elektrode mit winzigen Durchgangslöchern in die Kammer ein. Das von der oberen und unteren Elektrode erzeugte elektrische Feld ionisiert das gasförmige Ätzmittel, das dann mit dem zu ätzenden Material auf dem Wafer reagiert und flüchtige Substanzen erzeugt. Diese flüchtigen Substanzen werden dann aus der Reaktionskammer extrahiert und der Ätzvorgang abgeschlossen.

Die Trockenätzreaktion findet in einer Prozesskammer statt, die hauptsächlich aus bestehtSiliziumkomponenten, einschließlich eines Silikon-Auspuffrings, eines Silikon-Außenrings, eines Silikon-Duschkopfs, eines Silikon-Fokusrings und eines Silikon-Abschirmrings.

In einer Trockenätzkammer wird typischerweise ein Siliziumwafer in einem Silizium-Fokusring platziert. Diese Kombination dient als positive Elektrode und ist unterhalb der Ätzkammer positioniert. Als negative Elektrode dient eine Siliziumscheibe mit dicht gepackten winzigen Durchgangslöchern, die sich über der Kammer befindet. Ein äußerer Silikonring trägt die obere Elektrode und andere zugehörige Komponenten. Die oberen und unteren Elektroden stehen in direktem Kontakt mit dem Plasma. Während das Plasma den Siliziumwafer ätzt, werden auch die oberen und unteren Siliziumelektroden abgenutzt. Die untere Elektrode (Fokussierring) wird während des Ätzvorgangs allmählich dünner und muss ersetzt werden, wenn die Dicke ein bestimmtes Niveau erreicht. Darüber hinaus werden die gleichmäßig verteilten Löcher in der oberen Elektrode (Duschkopf) durch das Plasma korrodiert, was zu Schwankungen in der Lochgröße führt. Sobald diese Abweichungen ein bestimmtes Ausmaß erreichen, müssen sie ersetzt werden. In der Regel ist alle zwei bis vier Wochen ein Austauschzyklus erforderlich.

In diesem Abschnitt wird speziell die Rolle des Silizium-Fokussierrings (untere Elektrode) erläutert. Es steuert die Dicke der Plasmahülle und optimiert so die Gleichmäßigkeit des Ionenbeschusses. Die Plasmahülle, der nicht neutrale Bereich zwischen dem Plasma und der Gefäßwand, ist ein entscheidender und einzigartiger Bereich innerhalb des Plasmas. Plasma besteht zu gleichen Teilen aus positiven Ionen und Elektronen. Da sich Elektronen schneller fortbewegen als Ionen, erreichen sie zuerst die Gefäßwand. Das Plasma ist gegenüber der Gefäßwand positiv geladen. Das elektrische Feld der Hülle beschleunigt Ionen im Plasma (positiv-negative Anziehung) und verleiht den Ionen hohe Energie. Dieser hochenergetische Ionenfluss ermöglicht das Beschichten, Ätzen und Sputtern.

Die Impedanz des Wafers beeinflusst die Dicke der Plasmahülle (je niedriger die Impedanz, desto dicker die Hülle). Die Impedanz in der Mitte des Wafers unterscheidet sich von der am Rand, was zu einer ungleichmäßigen Dicke der Plasmahülle am Rand führt. Diese ungleichmäßige Plasmahülle beschleunigt die Ionen, lenkt aber auch den Ionenbeschusspunkt ab, wodurch die Ätzgenauigkeit verringert wird. Daher ist ein Fokussierungsring erforderlich, um die Dicke der Plasmahülle zu steuern und so die Richtung des Ionenbeschusses zu optimieren und die Ätzgenauigkeit zu verbessern.

Am Beispiel des Fokusrings um den Wafer: Während Quarz mit seiner hohen Reinheit optimal für die Erzielung einer geringen Metallverunreinigung geeignet ist, korrodiert er im Fluoridgasplasma schnell, was zu einer kurzen Lebensdauer führt. Dies erhöht nicht nur die Kosten, sondern erfordert auch Ausfallzeiten aufgrund des Austauschs, wodurch sich die Betriebszeit der Ausrüstung verringert. Keramik verfügt zwar über eine ausreichend lange Lebensdauer, ist aber einem hochenergetischen Ionenbeschuss ausgesetzt. Zerstäubtes Aluminium reagiert mit Fluor im Plasma und bildet nichtflüchtige Fluoride (wie Aluminiumfluorid). Wenn diese nicht entfernt und auf der Geräteoberfläche oder dem Fotolack am Waferrand abgeschieden werden können, behindern sie die anschließende Entfernung der erzeugten Fluoride und des Fotolacks, was sich negativ auf die Produktausbeute auswirkt. Geeignetere Materialien sind einkristallines Silizium oder Siliziumkarbid. Allerdings ist einkristallines Silizium kostengünstig, hat aber eine kurze Lebensdauer, während Siliziumkarbid teurer ist, aber eine etwas längere Lebensdauer hat. Der Kompromiss zwischen diesen beiden Optionen hängt von den spezifischen Umständen ab. Wenn beispielsweise die Geräteauslastung hoch ist und die Betriebszeit entscheidend ist, sollte Siliziumkarbid verwendet werden. Wenn die Verschleißkosten des Bauteils nicht zu hoch sind, sollte einkristallines Silizium verwendet werden.

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