Глубокое реактивное ионное травление

Глубокое реактивное ионное травление (DRIE, от англ. Deep Reactive-Ion Etching) — это технологический процесс анизотропного плазменного травления, используемый в микроэлектронике и микросистемной технике для создания глубоких (с отношением глубины к ширине более 10:1) и высокоаспектных структур в кремнии и других материалах. В отличие от обычного реактивного ионного травления (RIE), DRIE позволяет формировать вертикальные стенки с высокой равномерностью и минимальным боковым подтравом, что критически важно для производства микроэлектромеханических систем (МЭМС), датчиков, микроканалов и других трёхмерных микроструктур.

История

Развитие технологии DRIE началось в 1980-х годах в связи с потребностью в создании глубоких канавок и отверстий в кремниевых подложках для микроэлектроники и микрофлюидики. Первые методы, такие как травление с использованием плазмы фторсодержащих газов (например, SF₆), позволяли получать анизотропные профили, но страдали от низкой селективности и неконтролируемого бокового подтравления.

Ключевой прорыв произошёл в 1994 году, когда группа исследователей из компании Bosch (Германия) под руководством Франца Лауэра и Клауса Шильда разработала процесс, названный Bosch-процессом. Этот метод основан на циклическом чередовании этапов травления и пассивации, что позволило достичь высокой анизотропии при глубине травления до нескольких сотен микрометров. В 1996 году компания STS (Surface Technology Systems, Великобритания) представила первую коммерческую установку DRIE на основе Bosch-процесса, что положило начало широкому промышленному внедрению технологии.

В последующие годы DRIE совершенствовалось: появились методы с непрерывным травлением (например, с использованием криогенных температур), улучшились системы управления плазмой и газораспределения, что позволило повысить скорость травления, селективность и равномерность. С 2010-х годов DRIE активно применяется в производстве микроакселерометров, гироскопов, микрозеркал, а также в 3D-интеграции микросхем (TSV — сквозные кремниевые переходы).

Принцип работы

Процесс DRIE основан на комбинации физического и химического воздействия плазмы на поверхность подложки. Основные этапы:

1. Генерация плазмы: В вакуумной камере создаётся плазма из газов-реагентов (обычно SF₆ для травления кремния и C₄F₈ для пассивации) с помощью радиочастотного (РЧ) или индуктивно-связанного (ICP) разряда.
2. Травление: Ионы и радикалы из плазмы (например, фторные радикалы F·) химически реагируют с кремнием, образуя летучие продукты (SiF₄), которые удаляются вакуумной системой. Одновременно ионы ускоряются электрическим полем к подложке, обеспечивая физическое распыление и направленность травления.
3. Пассивация: На стенки канавки наносится защитный слой полимера (например, из C₄F₈), который предотвращает боковое травление. На дне канавки, куда ионы попадают под прямым углом, пассивация разрушается, и травление продолжается.

Bosch-процесс

Bosch-процесс является наиболее распространённым методом DRIE. Он включает циклическое повторение двух фаз:

• Фаза травления (длительностью 5–15 секунд): Подаётся SF₆, плазма травит кремний. Ионы бомбардируют дно канавки, удаляя пассивацию, в то время как на стенках пассивация сохраняется.
• Фаза пассивации (длительностью 2–10 секунд): Подаётся C₄F₈, на поверхность наносится полимерный слой толщиной в несколько нанометров.

Циклы повторяются до достижения требуемой глубины. В результате на стенках канавки образуется характерная волнистость (скэллопинг) с периодом, равным длительности одного цикла. Скорость травления составляет 2–10 мкм/мин, а аспектное отношение может достигать 50:1 и более.

Криогенный процесс

Альтернативный метод — криогенное DRIE, при котором подложка охлаждается до температуры от −100 до −120 °C. При низких температурах скорость химической реакции между фтором и кремнием резко снижается, что позволяет проводить травление без пассивации. Плазма из SF₆ обеспечивает анизотропию за счёт того, что на охлаждённых стенках канавки адсорбция реагентов минимальна, а на дне, куда попадают ионы, травление продолжается. Криогенный процесс позволяет избежать скэллопинга, но требует сложного охлаждающего оборудования и точного контроля температуры.

Классификация

По типу используемого процесса DRIE делится на:

• Циклическое DRIE (Bosch-процесс): Наиболее распространённый метод, обеспечивающий высокую анизотропию и скорость травления, но с образованием скэллопинга.
• Непрерывное DRIE (криогенное): Травление при низких температурах без пассивации, дающее гладкие стенки, но с меньшей скоростью и более сложным оборудованием.
• Гибридные методы: Комбинации Bosch-процесса с криогенным охлаждением или другими модификациями для улучшения качества стенок.

По типу плазмы различают:

• Индуктивно-связанная плазма (ICP): Обеспечивает высокую плотность ионов и радикалов, что увеличивает скорость травления.
• Емкостно-связанная плазма (CCP): Используется в более старых установках, даёт меньшую скорость, но более равномерное травление.

Оборудование

Установки DRIE состоят из следующих основных компонентов:

• Вакуумная камера: Изготовлена из нержавеющей стали или алюминия, оснащена системой откачки (турбомолекулярный и форвакуумный насосы) для поддержания давления 1–100 мТорр.
• Источник плазмы: Обычно ICP-генератор с мощностью 500–3000 Вт, создающий плазму в верхней части камеры.
• Электрод для подложки: Подложка размещается на охлаждаемом столике, к которому подаётся РЧ-напряжение (100–500 Вт) для ускорения ионов.
• Система газораспределения: Многоканальные масс-расходомеры для точной подачи SF₆, C₄F₈, O₂, Ar и других газов.
• Система охлаждения: Для криогенных процессов используется жидкий азот или механические охладители, для Bosch-процесса — водяное охлаждение.
• Контроллер процесса: Управляет циклами, температурой, давлением и мощностью, обеспечивая воспроизводимость.

Ведущие производители оборудования: SPTS Technologies (Великобритания), Oxford Instruments (Великобритания), Applied Materials (США), Samco (Япония), а также российские разработчики (например, ООО «НТ-МДТ»).

Применение

DRIE используется в следующих областях:

• Микроэлектромеханические системы (МЭМС): Изготовление акселерометров, гироскопов, микрозеркал, микрофонов, датчиков давления. Например, в кремниевых акселерометрах DRIE позволяет создавать подвесные массы с высокой чувствительностью.
• Микрофлюидика: Создание микроканалов, резервуаров и смесителей для лабораторий на чипе (Lab-on-a-chip).
• 3D-интеграция микросхем: Формирование сквозных кремниевых переходов (TSV) для вертикального соединения слоёв микросхем.
• Оптика: Изготовление дифракционных решёток, микролинз, волноводов.
• Биомедицина: Создание микроигл, имплантатов, фильтров для клеточной сепарации.
• Энергетика: Производство микротопливных элементов, солнечных батарей с текстурированной поверхностью.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая анизотропия (отношение глубины к ширине до 100:1).
• Возможность травления на глубину до 500 мкм и более.
• Хорошая селективность по отношению к маскам (фоторезист, оксид кремния, нитрид кремния).
• Высокая скорость травления (до 20 мкм/мин для Bosch-процесса).
• Возможность обработки пластин диаметром до 300 мм.

Недостатки

• Скэллопинг на стенках при Bosch-процессе (может быть снижен оптимизацией циклов).
• Сложность и высокая стоимость оборудования.
• Необходимость точного контроля температуры и газовых потоков.
• Возможное загрязнение подложки полимерными остатками.
• Ограниченная совместимость с некоторыми материалами (например, с металлами, чувствительными к фтору).

Интересные факты

• В 2000-х годах DRIE использовалось для создания микроэлектродов для нейроинтерфейсов, позволяющих регистрировать активность отдельных нейронов.
• Технология DRIE применялась при изготовлении микродвигателей для космических аппаратов, в частности, для микроспутников CubeSat.
• В 2019 году исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали метод DRIE с использованием лазерного нагрева для травления сапфира, что расширило область применения технологии на твёрдые материалы.

Источники

• Лауэр Ф., Шильд К. «Deep Reactive Ion Etching of Silicon: A Review». Journal of Micromechanics and Microengineering, 1994.
• Мадхава С. «Microfabrication and Nanofabrication: From MEMS to NEMS». CRC Press, 2011.
• «Deep Reactive Ion Etching (DRIE)». SPTS Technologies, 2020.
• «Bosch DRIE Process». Oxford Instruments, 2018.
• «Технология глубокого реактивного ионного травления кремния». Журнал «Микроэлектроника», 2015, № 4.