Russian Federation
The paper discusses approaches for forming through holes in silicon wafers. Software has been developed to adjust the operating parameters of the plasma-chemical etching process. The operator can select the ratio between surface passivation gas and surface material removal gas. The gas flow parameters and the duration of the exposure cycle vary. The parameters for the formation of a cavity inside a silicon wafer with the required aspect ratio of the depth and width of the cavity were determined experimentally. The results of this work can be used in medical technology to develop a microdoser for drugs.
Bosch process, TSV
Введение
Как известно, плазмохимический процесс – это технологический метод, использующий плазму для проведения химических реакций и изменения свойств поверхности материалов, в частности кремниевых пластин, широко применяемый в полупроводниковой и микроэлектронной индустрии. Особенно важным является использование плазмохимических процессов в микроэлектронике для создания микросхем и полупроводниковых устройств [1].
Понимание этих взаимосвязей поможет в разработке и оптимизации программного обеспечения, предназначенного для управления производственным оборудованием, выполняющим плазмохимические операции с кремниевыми пластинами. Известен процесс плазменной очистки поверхности для удаления загрязнений с поверхности кремниевых пластин [2]. Плазменная обработка может улучшить адгезию или изменить гидрофильные (водопритягивающие) и гидрофобные (водоотталкивающие) свойства поверхности. От свойств поверхности (например, шероховатость) могут зависеть механические свойства тонких плёнок [3]. Также известен процесс химического осаждения из газовой фазы усиленной плазмой (PECVD) [4]. В методе PECVD используется плазма для нанесения тонких пленок на кремниевую поверхность. Осуществляется возможность получать равномерные покрытия и контролировать толщину пленки с высокой точностью. Кроме осаждения слоёв, известны плазменные процессы травления. Например, плазменное травление диэлектриков (SiO2, Si3N4) позволяет точечно удалять слои материала с поверхности кремниевой пластины, создавая нужные микроструктуры [5]. Вышеуказанный метод травления также ценится за возможность контролировать процесс на молекулярном уровне.
В данной работе корректируется процесс плазмохимического травления Si (Bosch-процесс). По сравнению с жидкостными процессами травления сухой плазменный способ травления позволяет обрабатывать одну сторону пластины, обеспечивает формирование микроструктур с повышенной точностью, имеет значительно меньшую зависимость от кристаллографической ориентации материала (возможно создавать полости цилиндрической формы в объёме кремниевой пластины), более высокую воспроизводимость процесса [6].
Программное обеспечение (ПО) играет критически важную роль в контроле и управлении производственным оборудованием, особенно в высокотехнологичных областях, таких как производство полупроводников, автоматизация производственных линий и робототехника [7]. ПО позволяет автоматически контролировать и регулировать параметры производственных процессов, такие как температуру, давление, скорость подачи материалов, точность позиционирования оборудования и многое другое. Современное производственное оборудование часто программируется для выполнения разнообразных задач. ПО предоставляет гибкость в изменении производственных процессов без необходимости физических изменений в оборудовании. ПО может оптимизировать производственные процессы, уменьшая время простоя и увеличивая производительность. Современные системы ПО могут анализировать большие объемы данных с оборудования для предоставления ценной информации, помогающей в принятии решений на производстве. ПО обеспечивает непрерывный мониторинг состояния оборудования, предупреждая о возможных неисправностях или отклонениях в процессах. В случае возникновения аварийных ситуаций, ПО может автоматически принимать меры для минимизации ущерба, например, останавливая оборудование или активируя системы безопасности. ПО позволяет интегрировать различное оборудование в единую сеть, обеспечивая централизованный контроль и управление. ПО обеспечивает обмен данными между различными уровнями производственного процесса, от сенсоров и исполнительных механизмов до систем высшего уровня, таких как ERP (Enterprise Resource Planning) и MES (Manufacturing Execution Systems). ПО позволяет легко масштабировать производственные возможности, добавляя новое оборудование или обновляя существующее. ПО может регулярно обновляться для улучшения функциональности, эффективности и безопасности системы [7].
Эксперимент
Особенностью технологического маршрута формирования канавок в кремнии (TSV структур) является формирование маски для глубокого травления кремния. Слой фоторезиста толщиной единицы микрон стравливается раньше, чем происходит травление на необходимую глубину. В результате значительно возрастает площадь травления и возникает эффект черного кремния.
Поэтому стандартный слой фоторезиста заменяется на слой алюминия. Алюминий обладает большей селективностью к кремнию по сравнению с фоторезистом (при травлении кремния). Технологический маршрут формирования маски перед формированием канавок в кремнии описан ниже. Сначала формируют слой алюминия на обратной стороне подложки. Затем проводят фотолитографию по алюминию. После этого проводят жидкостное химическое травление алюминия и удаление резиста в ДМФА. Следующим шагом выполняют осаждение функционального слоя на лицевую (полированную) сторону подложки. Функциональный слой представляет собой тонкую плёнку, состоящую из одного или нескольких слоёв. Затем осаждают слой алюминия на функциональный слой (на лицевой стороне) для предотвращения попадания мембран в реакционную камеру. Далее выполняют глубокое травление кремния (Bosch-процесс) на необходимую глубину подложки. После этого, проводят жидкостное химическое травление алюминия.
Рисунок 1 – Технологический маршрут формирования канавок в кремнии.
Следующим шагом было разработано программное обеспечение для корректировки операционных параметров процесса плазмохимического травления.
Таблица 1. Исходный рецепт
|
|
Травление |
Осаждение |
|
|
Расход газа [см3/мин] |
400 SF6 / 40 O2 |
250 C4F8 |
|
|
Время цикла [с] |
7 |
4 |
|
|
Давление в камере [мТорр] |
20 (1.5 сек) |
60 |
25 |
|
Мощность катушки (источник плазмы) [Вт] |
2800 |
2000 |
|
|
Мощность подложкодержателя [Вт] |
130 (1.5 сек) |
40 |
Выкл |
|
Температура подложкодержателя [°C] |
25 |
||
Таблица 2. Скорректированный рецепт
|
|
Травление |
Осаждение |
|
|
Расход газа [см3/мин] |
550 SF6 / 40 O2 |
200 C4F8 |
|
|
Время цикла [с] |
18 |
3 |
|
|
Давление в камере [мТорр] |
20 (1.5 сек) |
60 |
25 |
|
Мощность катушки (источник плазмы) [Вт] |
2800 |
2000 |
|
|
Мощность подложкодержателя [Вт] |
130 (1.5 сек) |
40 |
Выкл |
|
Температура подложкодержателя [°C] |
25 |
||
В результате коррекции рецепта формирования полости внутри кремниевой пластины c необходимым аспектным соотношением глубины и ширины полости. Изображения полученных микростуктур представлены ниже.
Рисунок 2 – Массив канавок в кремнии на микроскопе
Рисунок 3 – РЭМ изображение канавок в кремнии
Рисунок 4 – РЭМ изображение канавок в кремнии после корректировки
параметров
Выводы. Рассмотрены подходы для формирования отверстий в кремниевых пластинах. Разработано программное обеспечение для корректировки операционных параметров процесса плазмохимического травления. Оператор может выбрать соотношение между газом для пассивации поверхности и газом для удаления материала поверхности. Длительность цикла воздействия газа травления SF6 увеличена с 7 до 18 с. Скорость расхода газа травления SF6 увеличена с 400 до 550 куб. см/мин. Длительность цикла воздействия газа пассивации С4F8 уменьшена с 4 до 3 с. Скорость расхода газа травления SF6 уменьшена с 250 до 200 куб. см/мин. Результаты данной работы могут быть использованы в медицинской технике при разработке микродозатора лекарственных средств.
1. Achkasov A.V., Solodilov M.V., Litvinov N.N., Chubunov P.A., Zol'nikov V.K., Shehovcov D.V., Bordyuzha O.L. Osobennosti proektirovaniya mikroshem, vypolnennyh po gluboko-submikronnym tehnologiyam // Modelirovanie sistem i processov. – 2022. – T. 15, № 4. – S. 7-17.
2. P. Krüger, R. Knes, J. Friedrich, Surface cleaning by plasma-enhanced desorption of contaminants (PEDC) // Surface and Coatings Technology. -1999. – Vol. 112, Issues 1–3. – P. 240-244, ISSN 0257-8972, DOI:https://doi.org/10.1016/S0257-8972(98)00777-4.
3. Bespalov V.A., Tovarnov D.A., Dyuzhev N.A., Mahiboroda M.A., Gusev E.E., Zol'nikov K.V. Obzor metodov izmereniya mehanicheskoy prochnosti tonkih plenok // Modelirovanie sistem i processov. – 2022. – T. 15, № 3. – S. 110-128.
4. E.Yu. Gusev, J.Y. Jityaeva, O.A. Ageev Effect of pecvd conditions on mechanical stress of silicon films // Materials Physics and Mechanics. - 2018. - v. 37, p. 67-72.
5. Ismailov T.A., Zaharova P.R., Shangereeva B.A., Shahmaeva A.R. Issledovanie processa plazmohimicheskogo travleniya plenok SiO2 // Vestnik Dagestanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Tehnicheskie nauki. – 2014. - №4 (35).
6. Le Dain Guillaume et.al.. Modeling of silicon etching using Bosch process: Effects of oxygen addition on the plasma and surface properties // Journal of Vacuum Science & Technology. -2018.- v.36(3). DOIhttps://doi.org/10.1116/1.5023590.
7. Russell T. Berman, Using C++ to Write Automation Controller Software // SLAS Technology. - 2007.- V. 12, Issue 1. -Pages 12-16. ISSN 2472-6303. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jala.2006.07.011.
