RU2824746C1

RU2824746C1 - Method for deep anisotropic plasma etching of silicon structures

Info

Publication number: RU2824746C1
Application number: RU2024112026A
Authority: RU
Inventors: Никита Михайлович Сомов; Владислав Витальевич Парамонов; Михаил Георгиевич Путря; Николай Алексеевич Дюжев; Юрий Александрович Чаплыгин; Александр Анатольевич Голишников; Татьяна Юрьевна Крупкина; Владимир Вячеславович Лосев; Татьяна Викторовна Осипова; Илья Викторович Потапенко
Filing date: 2024-05-03
Publication date: 2024-08-13

Abstract

FIELD: various technological processes; electricity.

SUBSTANCE: invention relates to production of microelectromechanical systems based on silicon. Method of deep anisotropic plasma etching of silicon is a cyclic three-step process. At the first stage of the cycle, isotropic etching of silicon in a gas mixture of SF₆ gas and oxygen takes place. Second stage is characterized by polymerisation of the surface of the structure in an octafluorocyclobutane medium to prevent lateral etching. At the third stage, the polymer layer at the bottom of the structure is removed by directed sputtering with argon ions, after which the cycle is repeated. During continuous etching of deep structures with a large opening area, excessive heat release occurs, which results in overheating of the treated silicon wafer. In order to prevent occurrence of negative effects as a result of overheating of the treated structure, an interval treatment method is used, in which after a certain number of cycles the wafer is removed from the reactor and cooled down.

EFFECT: considerable improvement of such parameters as anisotropy, uniformity and quality of etching of silicon structures.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технологии изготовления микроэлектромеханических систем (МЭМС) и наносистемной технике на основе кремния.The invention relates to the technology of manufacturing microelectromechanical systems (MEMS) and nanosystem technology based on silicon.

При формировании глубоких структур в кремнии с низким аспектным соотношением (менее 0,5) методом глубокого анизотропного плазменного травления (ГАПТ) возникает ряд факторов, оказывающих негативное влияние на конечный результат. Одним из таких факторов является температура подложки. В современных системах ГАПТ пластина размещается на охлаждающем электроде. Термический контакт обеспечивается при помощи гелия, поступающего с обратной стороны в центральную область подложки. Формирование глубоких областей с большой площадью вскрытия в непрерывном процессе травления приводит к выделению большого количества тепловой энергии, что служит причиной возникновения перегрева поверхности. При достижении высоких значений термической энергии по пластине наблюдается градиент температуры, изменяется скорость химических взаимодействий, следовательно, значительно увеличивается неравномерность скорости травления. В большинстве применений необходимо обеспечить высокую анизотропию и равномерность травления элементов.When forming deep structures in silicon with a low aspect ratio (less than 0.5) using deep anisotropic plasma etching (DAPE), a number of factors arise that have a negative effect on the final result. One of these factors is the substrate temperature. In modern DAPE systems, the wafer is placed on a cooling electrode. Thermal contact is provided by helium supplied from the back side to the central area of the substrate. Forming deep areas with a large exposed area in a continuous etching process leads to the release of a large amount of thermal energy, which causes overheating of the surface. When high values of thermal energy are reached, a temperature gradient is observed across the wafer, the rate of chemical interactions changes, and, consequently, the unevenness of the etching rate increases significantly. In most applications, it is necessary to ensure high anisotropy and uniformity of element etching.

Известен способ ГАПТ кремниевых структур в циклическом двухшаговом процессе при комнатной температуре с добавлением кислорода на этапе пассивации для формирования пленки SiO₂ на боковых поверхностях структуры с целью предотвращения латерального травления /1/.A method is known for HAPT of silicon structures in a cyclic two-step process at room temperature with the addition of oxygen at the passivation stage to form a _SiO2 film on the side surfaces of the structure in order to prevent lateral etching /1/.

В этом способе предлагается разделение процесса на два этапа: этап травления кремния в SF₆ и окисления в О₂ при давлении в камере 1-100 мторр. Подложка находится на электроде при температурах +10 - +50°С, что является достаточным для образования окисла на всей поверхности структуры. Пассивирующая пленка со дна структуры удаляется ионной бомбардировкой за счет приложенного смещения на этапе травления. Пауза между шагом травления и осаждения варьируется от 0,5 до 2 с. Предложенный способ был реализован на оборудовании, оснащенном различными вариантами источников: 1 - планарным источником индуктивно-связанной плазмы частотой 13,56 МГц и мощностью 1000 Вт, 2 - соленоидным ВЧ-источником с частотой 2 МГц и мощностью 3000 Вт.This method proposes dividing the process into two stages: the stage of silicon etching in SF ₆ and oxidation in O ₂ at a chamber pressure of 1-100 mTorr. The substrate is on the electrode at temperatures of +10 - +50°C, which is sufficient for the formation of oxide on the entire surface of the structure. The passivating film is removed from the bottom of the structure by ion bombardment due to the applied bias at the etching stage. The pause between the etching and deposition steps varies from 0.5 to 2 s. The proposed method was implemented on equipment equipped with different source options: 1 - a planar source of inductively coupled plasma with a frequency of 13.56 MHz and a power of 1000 W, 2 - a solenoidal RF source with a frequency of 2 MHz and a power of 3000 W.

Преимуществом данного способа является отсутствие загрязнения боковых поверхностей структуры фтор-углеродной пленкой. К недостаткам можно отнести пониженную анизотропию процесса в связи с диффузией фтор-радикалов к боковой поверхности кремния из-за нестабильной структуры выращенного при сверхнизкой температуре окисла.The advantage of this method is the absence of contamination of the side surfaces of the structure with a fluorocarbon film. The disadvantages include reduced anisotropy of the process due to the diffusion of fluorine radicals to the side surface of silicon due to the unstable structure of the oxide grown at an ultra-low temperature.

Также известен способ криогенного травления структур в кремнии 121. В данном способе кремниевая пластина обрабатывается при температурах от -40°С до -120°С. Продукт травления кремния SiF_x, полученный при травлении в среде SF₆, конденсируется на боковых стенках структуры и вступает в реакцию с активным кислородом, образуя защитный пассивирующий слой состава SiO_xF_y, стабильный только при температурах ниже -75°С. Этот слой обеспечивает защиту боковых стенок от химического воздействия радикалов, образующихся в плазме. Со дна структуры данный слой удаляется ионным распылением.A method of cryogenic etching of structures in silicon 121 is also known. In this method, the silicon wafer is processed at temperatures from -40°C to -120°C. The etching product of silicon SiF _x , obtained by etching in an SF ₆ environment, condenses on the side walls of the structure and reacts with active oxygen, forming a protective passivation layer of the composition SiO _x F _y , stable only at temperatures below -75°C. This layer provides protection of the side walls from the chemical action of radicals formed in the plasma. This layer is removed from the bottom of the structure by ion sputtering.

Недостатком способа является необходимость проведения процесса травления при криогенных температурах, чувствительность толщины ультратонкой пассивирующей пленки к температуре пластины и высокие требования к термостабилизации пластины в пределах 1°С. Это ограничивает применение криогенного процесса при формировании глубоких структур с высокой обрабатываемой площадью.The disadvantage of the method is the need to carry out the etching process at cryogenic temperatures, the sensitivity of the thickness of the ultra-thin passivating film to the temperature of the plate and high requirements for thermal stabilization of the plate within 1°C. This limits the use of the cryogenic process in the formation of deep structures with a large processed area.

В качестве прототипа выбран циклический процесс травления кремния /3/.The cyclic etching process of silicon was chosen as a prototype /3/.

На первой стадии процесса кремниевая пластина обрабатывается во фторсодержащей плазме, богатой радикалами фтора, которые реагируют с кремнием с образованием SiF₄ и SiF₂. Данные молекулы являются газообразными и откачивается из камеры реактора. Травление имеет изотропный характер, и осуществляется только на ограниченную глубину, которая обычно составляет менее одного микрона.In the first stage of the process, the silicon wafer is treated in a fluorine-containing plasma rich in fluorine radicals, which react with silicon to form SiF ₄ and SiF ₂ . These molecules are gaseous and are pumped out of the reactor chamber. The etching is isotropic and is carried out only to a limited depth, which is usually less than one micron.

Затем следует этап пассивации в среде C₄F₈, при котором тонкая фторуглеродная пленка равномерно осаждается на пластину, после чего процесс циклически повторяется. Этот полимер не вступает в спонтанную химическую реакцию с плазмой и обеспечивает защиту кремния от дальнейшего травления.This is followed by a passivation stage in a C ₄ F ₈ environment, in which a thin fluorocarbon film is uniformly deposited on the plate, after which the process is repeated cyclically. This polymer does not spontaneously react with the plasma and provides protection of the silicon from further etching.

На первой стадии следующего цикла с помощью ионной бомбардировки полимерная пленка удаляется со дна канавки, вертикальные стенки остаются защищенными для предотвращения бокового травления. Травление полимера на стенах не происходит, так как для травления полимеров требуются как радикалы, так и ионы, а бомбардировка ионами идет нормально к поверхности подложки.In the first stage of the next cycle, the polymer film is removed from the bottom of the groove by ion bombardment, while the vertical walls remain protected to prevent lateral etching. No polymer etching occurs on the walls, since polymer etching requires both radicals and ions, and ion bombardment occurs normally to the substrate surface.

Данный способ позволяет достичь высоких показателей скорости травления (до 20 мкм/мин), селективности к маске и анизотропии при глубоком травлении кремниевых структур с высоким аспектным соотношением.This method allows achieving high etching rates (up to 20 µm/min), mask selectivity and anisotropy during deep etching of silicon structures with a high aspect ratio.

Однако, в связи с экзотермической природой химической реакции атомарного фтора с кремнием /4/, при травлении структур с высокой площадью вскрытия возникает избыточное выделение тепловой энергии, приводящей к перегреву пластины и возникновению таких негативных эффектов, как эрозия пассивирующей пленки вследствие ухудшения адгезии к поверхности кремния, что служит причиной появления латеральной составляющей травления, а также микромаскированию донной области структуры и формированию так называемого «черного кремния» в виде микроигл.However, due to the exothermic nature of the chemical reaction of atomic fluorine with silicon /4/, when etching structures with a large exposed area, there is an excessive release of thermal energy, leading to overheating of the plate and the occurrence of such negative effects as erosion of the passivating film due to deterioration of adhesion to the silicon surface, which causes the appearance of a lateral component of etching, as well as micromasking of the bottom region of the structure and the formation of so-called “black silicon” in the form of microneedles.

Задача изобретения - улучшение выходных характеристик процесса ГАПТ кремния, а именно анизотропии, равномерности, качества травления профиля применительно к структурам со сверхнизким аспектным соотношением.The objective of the invention is to improve the output characteristics of the silicon HAPT process, namely anisotropy, uniformity, and quality of profile etching as applied to structures with an ultra-low aspect ratio.

Способ глубокого плазменного травления кремниевых структур состоит из трех циклически воспроизводимых этапов: травления, полимеризации и ионного распыления полимера со дна структуры. Изобретение отличается тем, что процесс глубокого травления структуры со сверхнизким аспектным соотношением на глубину до 500 мкм распределяется на равные интервалы (с определенным количеством циклов) с последующим извлечением пластины из камеры реактора для предотвращения перегрева поверхности. Этап травления осуществляется в течение 9,5-11 секунд в среде элегаза с добавлением кислорода, этап осаждения полимерной пленки из октафторциклобутана длится 3,5-5 секунды, этап ионного распыления - 1-1,5 секунды. Температура электрода составляет 15°С на всех этапах обработки пластины. Значение мощности ВЧ источника плазмы верхнего электрода составляет 800-850 Вт при частоте генератора 13,56 МГц.The method of deep plasma etching of silicon structures consists of three cyclically reproducible stages: etching, polymerization and ion sputtering of the polymer from the bottom of the structure. The invention is distinguished by the fact that the process of deep etching of the structure with an ultra-low aspect ratio to a depth of up to 500 μm is distributed into equal intervals (with a certain number of cycles) with subsequent extraction of the wafer from the reactor chamber to prevent overheating of the surface. The etching stage is carried out for 9.5-11 seconds in a sulfur hexafluoride environment with the addition of oxygen, the stage of deposition of the polymer film from octafluorocyclobutane lasts 3.5-5 seconds, the ion sputtering stage - 1-1.5 seconds. The electrode temperature is 15°C at all stages of wafer processing. The power value of the RF plasma source of the upper electrode is 800-850 W at a generator frequency of 13.56 MHz.

На всех этапах обработки пластины мощность ВЧ источника плазмы низкого давления с генератором 13,56 МГц равна 800-850 Вт для уменьшения влияния переходных процессов на переключении. При мощности меньше 800 Вт снижается плотность химически активных частиц, генерируемых в плазме. В связи с этим, уменьшается скорость травления кремния, что негативно сказывается на общее время обработки пластины. С увеличением мощности ВЧ источника более 850 Вт растет поток ионов, отличающихся неизбирательностью травления, следовательно, снижается селективность травления кремния к маске, что является критичным для обеспечения анизотропии профиля структуры.At all stages of wafer processing, the power of the low-pressure RF plasma source with a 13.56 MHz generator is 800-850 W to reduce the effect of transient processes during switching. At a power of less than 800 W, the density of chemically active particles generated in the plasma decreases. In this regard, the silicon etching rate decreases, which negatively affects the overall wafer processing time. With an increase in the RF source power over 850 W, the flow of ions that are characterized by non-selectivity of etching increases, therefore, the selectivity of silicon etching to the mask decreases, which is critical for ensuring the anisotropy of the structure profile.

Этап травления длится 9,5-11 секунд. Снижение времени этапа травления меньше 9,5 секунд также приводит к уменьшению скорости травления кремния. Увеличение продолжительности этапа травления более 11 секунд приводит к возрастанию геометрических показателей шероховатости боковой поверхности, называемой «скэллопами», что является критичным в некоторых областях применения. Увеличение времени этапа полимеризации поверхности более 5 секунд может привести к неполному удалению полимерной пленки со дна структуры при ионном распылении, что служит причиной образования «черного кремния» и изменения геометрии донной части травимой структуры. Подобный эффект наблюдается и при снижении времени ионного распыления менее 1 секунды. При уменьшении времени полимеризации менее 3,5 секунд снижается толщина пленки, в результате чего возможно не полное покрытие боковой поверхности структуры и возникновение латерального травления. При увеличении продолжительности этапа ионного распыления более 1,5 секунд возникает перегрев поверхности в результате неупругого соударения.The etching stage lasts 9.5-11 seconds. Reducing the etching stage time to less than 9.5 seconds also reduces the silicon etching rate. Increasing the etching stage duration to more than 11 seconds leads to an increase in the geometric roughness parameters of the side surface, called "scallops", which is critical in some application areas. Increasing the surface polymerization stage time to more than 5 seconds can lead to incomplete removal of the polymer film from the structure bottom during ion sputtering, which causes the formation of "black silicon" and a change in the geometry of the bottom part of the etched structure. A similar effect is observed when reducing the ion sputtering time to less than 1 second. When the polymerization time is reduced to less than 3.5 seconds, the film thickness decreases, which may result in incomplete coverage of the side surface of the structure and the occurrence of lateral etching. When the ion sputtering stage duration is increased to more than 1.5 seconds, the surface overheats due to inelastic collision.

Химическая реакция взаимодействия кремния с фтор-радикалом обусловлена выделением термической энергии, которая накапливается по мере увеличения продолжительности плазменной обработки. При увеличении глубины травления, соответственно, и времени непрерывной обработки пластины, возникает перегрев поверхности пластины. Ухудшается адгезия полимерной пленки к боковой поверхности, возникает вероятность десорбции полимера на дно структуры, что приводит к появлению «черного кремния» при продолжающемся травлении. Одновременно с этим ухудшается анизотропия травления, так как боковые стенки больше не защищены полимерной пленкой. Вероятна эрозия фоторезистивной маски, что также негативно сказывается на качестве травления. В связи с тем, что термическая стабилизация подложки обеспечивается в локальной кольцевой области, расположенной ближе к центру пластины, при значительном росте температуры поверхности проявляется градиент температур, что приводит к росту неравномерности скорости травления.The chemical reaction of silicon with the fluorine radical is caused by the release of thermal energy, which accumulates as the duration of plasma treatment increases. With an increase in the etching depth, and, accordingly, the time of continuous wafer treatment, the wafer surface overheats. The adhesion of the polymer film to the side surface deteriorates, and there is a possibility of polymer desorption to the bottom of the structure, which leads to the appearance of "black silicon" with continued etching. At the same time, the etching anisotropy deteriorates, since the side walls are no longer protected by the polymer film. Erosion of the photoresistive mask is possible, which also negatively affects the etching quality. Due to the fact that thermal stabilization of the substrate is provided in a local annular region located closer to the center of the wafer, a temperature gradient appears with a significant increase in the surface temperature, which leads to an increase in the unevenness of the etching rate.

На фиг. 1, 2 приведены фотографии профиля травления структуры при непрерывной обработке и в случае интервального способа соответственно.Fig. 1, 2 show photographs of the etching profile of the structure during continuous processing and in the case of the interval method, respectively.

В связи с этим, в данном способе ГАПТ кремния с большой площадью вскрытия предлагается разделение процесса анизотропного травления на равные интервалы. При этом, выходные характеристики процесса ГАПТ интервальным способом значительно превосходят ГАПТ при непрерывной обработке.In this regard, in this method of silicon HAPT with a large opening area, it is proposed to divide the anisotropic etching process into equal intervals. At the same time, the output characteristics of the HAPT process by the interval method significantly exceed HAPT with continuous processing.

Данный способ позволяют достичь угла наклона боковой поверхности 87-88°, селективности к маске фоторезиста 200, равномерности по пластине 96% и отсутствие «черного кремния» на дне структуры при травлении на глубину до 500 мкм. Способ применяется для создания МЭМС-микрофонов, вибрационных гироскопов или устройств, основанных на спин-эффекте.This method allows achieving a side surface tilt angle of 87-88°, selectivity to the photoresist mask of 200, uniformity across the plate of 96% and the absence of "black silicon" at the bottom of the structure when etching to a depth of up to 500 μm. The method is used to create MEMS microphones, vibration gyroscopes or devices based on the spin effect.

Источники информации:Sources of information:

1. Патент РФ №2691758.1. Patent of the Russian Federation No. 2691758.

2. Патент США 8,012,365.2. US Patent 8,012,365.

3. Международный патент WO 2014094538 - прототип.3. International patent WO 2014094538 - prototype.

4. Silicon Reagents for Organic Synthesis, 1983, Volume 14.4. Silicon Reagents for Organic Synthesis, 1983, Volume 14.

Claims

A method for deep anisotropic plasma etching of silicon structures, including cyclically repeating stages of silicon etching, surface polymerization and ion sputtering of a passivating film from the bottom of the structure, characterized in that the process of deep etching to a depth of up to 500 μm is divided into equal intervals corresponding to a depth of 50 μm, with subsequent removal of the wafer from the working chamber of the reactor to prevent overheating of the surface, wherein each cycle includes a stage of silicon etching for 9.5-11 seconds in a working environment of sulfur hexafluoride with the addition of oxygen, then a stage of surface polymerization - polymer deposition from octafluorocyclobutane for 3.5-5 seconds and a stage of ion sputtering of a passivating film from the bottom of the structure in argon for 1-1.5 seconds at a power of the RF source of the upper electrode equal to 800-850 W at all stages, and a frequency of 13.56 MHz.