In het vorige artikel hebben we het fotolithografieproces geïntroduceerd, waarbij een fotomasker wordt gebruikt om de ontworpen circuitpatronen op het oppervlak van de met fotoresist bedekte wafel te projecteren. De volgende stap is het uitvoeren van het etsproces op de wafer om ongewenst materiaal te verwijderen en alleen het gewenste patroon te behouden.

Etsen: een kunstvorm op zich

Toen je kunstlessen volgde, heb je misschien 'afdrukken' gemaakt, een soort kunstwerk dat je maakt door vormen op het oppervlak van hout, metaal of steen te tekenen, vervolgens inkt of verf aan te brengen en deze op papier of stof te drukken. Het halfgeleider-etsproces deelt vergelijkbare principes met deze printtechniek.

Bij het maken van prenten wordt een corrosiewerend materiaal op een metalen plaat aangebracht en wordt het gewenste ontwerp met scherp gereedschap in de plaat gesneden. De plaat wordt vervolgens ondergedompeld in corrosieve materialen zoals salpeterzuur, en de mate van corrosie wordt gecontroleerd om het gewenste patroon te vormen.

Op soortgelijke wijze wordt bij de vervaardiging van halfgeleiders bij het etsproces gebruik gemaakt van vloeibare of gasvormige etsmiddelen om selectief ongewenste materialen te verwijderen totdat de gewenste circuitpatronen op het oppervlak van de wafel achterblijven. Het materiaal in gebieden zonder fotoresist wordt door het etsmiddel verwijderd om de circuitpatronen op de wafel te vormen. Nadat het etsproces is voltooid, wordt de fotoresist verwijderd. Deze stappen moeten meerdere keren op verschillende lagen worden herhaald.

Droog etsen, gebruikt bij het etsproces, kan in twee typen worden ingedeeld: droog etsen en nat etsen, afhankelijk van de gebruikte materialen. Bij droog etsen worden ongewenste materialen selectief verwijderd met behulp van reactieve gassen en ionen, terwijl bij nat etsen gebruik wordt gemaakt van chemische oplossingen.

Vergeleken met nat etsen heeft droog etsen hogere kosten en is het complexer. Met de vooruitgang van halfgeleidertechnologie op nanoschaal worden circuits echter steeds complexer. Daarom wordt droog etsen op grotere schaal toegepast en heeft het een hoger rendement (verwijzend naar het percentage eindproducten).

Droogetsen, ook wel plasma-etsen genoemd, wordt gebruikt om onnodige substraatmaterialen te verwijderen.
Plasma wordt gegenereerd door gas in een vacuümkamer te injecteren met een druk die lager is dan de atmosferische druk en vervolgens elektrische energie te leveren. Plasma is een toestand van materie (vergelijkbaar met vaste stoffen, vloeistoffen en gassen) die bestaat uit een groot aantal vrije elektronen, ionen en neutrale deeltjes of geïoniseerde gassen. Wanneer een stof wordt geïoniseerd, betekent dit dat neutronen of moleculen hun ladingstoestand hebben veranderd door elektronen te verliezen of te winnen.

Wanneer een voldoende sterk magnetisch veld, gegenereerd door elektrische energie, op een gas wordt toegepast, waardoor de gasmoleculen botsen en ioniseren, wordt een plasma gevormd. Met andere woorden, vrije elektronen worden versneld door het magnetische veld, en de daaropvolgende hoogenergetische elektronen botsen met neutronen of moleculen, waardoor ze worden geïoniseerd.

Deze ionisatiecascade, bekend als het lawine-effect, leidt tot een exponentiële toename van het aantal ionen. Dit is wat wij de ‘plasmatoestand’ noemen. Vrije radicaalatomen dissociëren zich van deze plasmatoestand en verdampen weg van het wafeloppervlak, waardoor het oppervlaktemateriaal wordt verwijderd dat voorheen niet beschermd was door de fotoresistcoating.

Er zijn verschillende punten waarop u moet letten bij het droogetsproces.

Ten eerste: uniformiteit. Uniformiteit geeft de consistentie van de etssnelheid over het gehele wafeloppervlak aan. Als de etssnelheid inconsistent is in verschillende delen van de wafer, zal de etsdiepte variëren, wat tot chipfouten kan leiden.

Ten tweede, etssnelheid. Dit verwijst naar de hoeveelheid oppervlaktemateriaal die in een bepaalde tijd wordt verwijderd. De etssnelheid kan variëren afhankelijk van het aantal reactieve atomen en ionen, evenals de energie die wordt gedragen door de ionen die oppervlaktereacties veroorzaken. Met andere woorden: we moeten deze factoren strikt controleren om de algehele opbrengst te verbeteren.

Bovendien worden selectiviteit (de verhouding tussen de etssnelheid van het doelmateriaal en de etssnelheid van andere materialen) en het etsprofiel ook als belangrijke factoren beschouwd bij droog etsen.

Nu hebt u een beter begrip van het etsproces voor het construeren van halfgeleidercircuitpatronen. Halfgeleiders zijn de belichaming van geïntegreerde circuittechnologie, vervaardigd door de herhaalde afzetting van gewenste materialen op een siliciumsubstraat, het aanbrengen van beschermende lagen en het selectief etsen van onnodige onderdelen. Het hele proces wordt uitgevoerd in instrumenten die zijn ontworpen met het oog op veiligheid.

In het volgende artikel zullen we de afzettings- en ionenimplantatieprocessen introduceren, die via deze technieken elektrische eigenschappen aan wafers verlenen.