Attacco chimico

L’attacco, o etching, è una delle tecniche fondamentali nel trattamento dei materiali per la microelettronica [4]. Con il termine etching si indica il generico processo di rimozione del materiale - sia esso semiconduttore, isolante o metallico - che interviene nella realizzazione di un dispositivo. Qui di seguito vengono descritte due usuali tecniche di attacco, in ambiente gassoso (attacco a ioni reattivi) e liquido (attacco anisotropo bagnato), utilizzate per realizzare i dispositivi oggetto di questo lavoro.

Attacco a ioni reattivi

L’attacco in ambiente gassoso (dry etching) si realizza attraverso una serie di tecniche basate su due meccanismi di etching: i) il processo fisico, non selettivo, di espulsione di molecole causato dal bombardamento ionico e ii) il processo chimico, selettivo, di reazione degli ioni del plasma con la superficie.

L’attacco a ioni reattivi (reactive ion etching o RIE) è una tecnica intermedia che combina in modo sinergico i due processi chimico-fisici. L’apparato del RIE, schematizzato in figura 3.1.6, consiste in un reattore di plasma, formato da due elettrodi piani e paralleli posti in una camera da vuoto, dotata di un sistema di introduzione dei gas e di un sistema di pompaggio.

complessivamente neutro. La radio-frequenza, usata per creare gli ioni e non per accelerarli ad alte energie, permette di operare a pressione più bassa rispetto alle scariche ottenute con tensioni continue. I plasmi sono debolmente ionizzati, valendo il rapporto tra specie ionizzate e neutre

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10− − − . Nei trattamenti di etching per la realizzazione di dispositivi, i plasmi usati sono caratterizzati da una pressione compresa tra 1-100 mTorr, da una concentrazione elettronica

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ne e da una energia elettronica media kT compresa tra 1-10 eV. Questo riflette il e fatto che il plasma è un sistema lontano dall’equilibrio, perché la temperatura elettronica è molto più alta della temperatura degli ioni del gas (Te Tgas ≈100). La presenza di specie attive all’interno di un gas tiepido distingue il dry etching dai processi termici convenzionali. Un altro parametro importante per le proprietà del plasma è il rapporto tra il campo elettrico e la pressione E /P, che è legato all’energia media degli elettroni nel plasma. Infatti aumentando il campo, gli elettroni acquistano energia poiché aumenta la loro velocità; d’altra parte un aumento della pressione riduce l’energia perché si riduce il cammino libero medio degli elettroni, aumentando il numero di collisioni attraverso le quali essi perdono energia. Una caratteristica del sistema RIE è la formazione di una polarizzazione negativa indotta dalla radiofrequenza, sull’elettrodo su cui poggia il campione. La ragione è la differente mobilità degli elettroni, molto maggiore di quella degli ioni. Il flusso di elettroni verso l’elettrodo risulta maggiore di quello degli ioni, generando uno svuotamento di elettroni nel plasma che acquisisce un potenziale positivo, essenzialmente uniforme, attraverso tutto il volume della scarica, essendo il plasma un buon conduttore. Nella sottile regione scura tra la scarica e l’elettrodo cade tutta la differenza di potenziale: gli ioni positivi che raggiungono questa regione vengono accelerati perpendicolarmente verso il campione o l’elettrodo. La situazione è mostrata in figura 3.1.7.

Figura 3.1.7 : Gli ioni positivi, che per diffusione giungono in prossimità del campione, vengono

accelerati dalla differenza di potenziale tra plasma e campione incidendo quasi perpendicolarmente alla superficie. Sono riportati i valori tipici dei parametri che intervengono

Questo fatto spiega la caratteristica di forte anisotropia dell’etching in RIE, che rende l’attacco altamente direzionale: l’attacco procede in modo ortogonale alla superficie e le pareti che si formano possono essere verticali. Nella figura 3.1.8 è mostrato il confronto tra il profilo anisotropo tipico di un attacco in RIE e quello isotropo caratteristico degli attacchi chimici bagnati, in cui si ha un effetto di rimozione di materiale anche dalle regioni coperte dalla maschera, in prossimità di un’apertura (underetching).

Figura 3.1.8 Profilo isotropo e anisotropo ottenuti rispettivamente con l’etching bagnato e con

RIE. Nel caso isotropo l’attacco procede ugualmente in tutte le direzioni, rimuovendo materiale anche sotto i bordi della maschera (underetching) fino ad una la distanza uguale alla profondità dello scavo. Nel secondo caso le pareti sono pressoché verticali.

La caratteristica che rende il RIE una tecnica molto versatile è la possibilità di ottenere attacchi che siano al tempo stesso molto selettivi e altamente direzionali. La selettività dell’attacco è dovuta alla chimica degli ioni e dei radicali contenuti nel plasma, i quali possono reagire solo con i materiali che abbiano definita energia di legame. Scegliendo opportunamente i gas o le miscele di gas, si possono realizzare plasmi che attaccano un tipo di materiale molto più velocemente rispetto ad altri, usati come maschere per il processo. Il rapporto tra le velocità di attacco dei materiali è una misura della selettività.

La chimica dell’etching in plasma è molto sviluppata e complessa. Per ognuno dei materiali che intervengono nella produzione di circuiti integrati esistono miscele differenti per composizione e tipi di gas, alcuni scelti per fornire le specie reattive, altri inerti per assistere il meccanismo di etching anisotropo. I radicali liberi interagiscono con la superficie formando dei prodotti volatili portati via dal sistema di pompaggio. I prodotti non volatili si depositano dando luogo alla

seguono il campo variabile, cambiando il flusso e l’energia del bombardamento. I flussi di gas, la velocità di pompaggio e la pressione sono correlati tra loro e determinano il tempo di permanenza delle specie reattive in camera e la cinetica della reazione.

I profili degli etching sono tipicamente anisotropi, ma sono sensibili alla composizione e alle condizioni del plasma. Ridurre l’anisotropia dell’attacco, ad esempio, può risultare utile per alcuni processi di fabbricazione, che richiedono profili con pareti nascoste dalla maschera e leggermente inclinate verso il basso.

Per concludere evidenziamo un inconveniente della tecnica di etching assistito da plasma, consistente nel danneggiamento della superficie esposta al bombardamento ionico con creazione di difetti, vacanze e impurezze. Il peso di questo danneggiamento non può essere esaminato in termini generali, dipendendo da un gran numero di fattori e va valutato, ove possibile, in base agli effetti prodotti sulle proprietà del sistema.