Chapter 1
Introduction
1 . 1 Overview I n d i u m P h o s p h i d e ( I n P ) i s a g r e a t s e m i c o n d u c t o r f o r h i g h s p e e d M o n o l i t h i c M i l l i m e t e r - w a v e I n t e g r a t e d C i r c u i t s ( M M I C s ) a n d h i g h s p e e d d i g i t a l a n d m i x e d - s i g n a l I C o p e r a t i n g a t f r e q u e n c i e s f r o m D C t o 1 0 0 G H z . S u p e r i o r h i g h - f r e q u e n c y I n P H B T p e r f o r m a n c e w i t h c h a r a c t e r i s t i c s i n c l u d i n g a t r a n s i t f r e q u e n c y , fT o f o v e r 3 0 0 G H z a n d a n o s c i l l a t i o n f r e q u e n c y , fm a x o f g r e a t e r t h a n 3 0 0 G H z h a d b e e n a c h i e v e d . T h e r e a r e t w o a t t r i b u t e s o f I n P H B T t e c h n o l o g y f o r h i g h s p e e d d i g i t a l a n d m i x e d - s i g n a l I C w i t h l o w t o m e d i u m l e v e l o f i n t e g r a t i o n : 1 ) H i g h S p e e d : I n P H B T h a s t h e h i g h e s t c u t - o f f f r e q u e n c y a s c o m p a r e t o t e c h n o l o g y a t t h e s i m i l a r o r s m a l l e r c r i t i c a l d i m e n s i o n . 2 ) H i g h r e p r o d u c i b i l i t y : T h e r e p r o d u c i b i l i t y o f I n P t u r n o n v o l t a g e i s t y p i c a l l y a f e w m i l l i v o l t s w h i l e G a A s P H E M T i s h u n d r e d s o f m i l l i v o l t s . T o f u l l f i l l t h e p o t e n t i a l o f I n P H B T a r o b u s t I C p r o c e s s i s r e q u i r e d . O n e o f t h e k e y p r o c e s s o f I n P H B T i s b a c k s i d e v i a e t c h ,B a c k s i d e v i a p r o v i d e s t h e f o l l o w i n g t o a n I C : 1 . D i s s i p a t i n g h e a t : R F d e v i c e s g e n e r a t e h e a t d u r i n g o p e r a t i n g , e s p e c i a l l y , t h e p o w e r a m p l i f y d e v i c e s . T h e s u b s t r a t e g r o u n d p a d i s t h e o n l y p a t h t h a t c a n d i s s i p a t e m o s t h e a t t h r o u g h t h i s p a t h . T h e p r i m a r y h e a t p a t h i s t h r o u g h c h i p s u b s t r a t e , a n d t h e s e c o n d a r y h e a t p a t h i s b a c k s i d e v i a . 2 . L o w e r s g r o u n d i n d u c t a n c e : N o t o n l y i m p r o v i n g h i g h f r e q u e n c y p e r f o r m a n c e b u t a l s o s i m p l i f y i n g a s s e m b l y . 3 . L o w i n s e r t i o n l o s s , l o w p o w e r c o n s u m p t i o n a n d b r o a d b a n d p e r f o r m a n c e . C u r r e n t l y t h e I n P b a c k s i d e v i a d r y e t c h u s e s H a l o g e n g a s e s s u c h a s H B r [ 1 . 1 ] o r H I [ 1 . 2 ] , w h i c h a r e h i g h l y c o r r o s i v e , d a n g e r o u s a n d h a z a r d o u s . H B r r e a c t s w i t h m o s t m e t a l s i n t h e p r e s e n c e o f m o i s t u r e , l i b e r a t i n g h y d r o g e n , a n e x t r e m e l y f l a m m a b l e g a s . W h e n H B r i s m i x e d w i t h w a t e r , i t c a n v a s e s r a p i d c o r r o s i o n o f s o m e m e t a l s . F o r e n v i r o n m e n t c o n c e r n s , t h e H B r r e q u i r e s a n t i - c o r r o s i v e v a l v e s , p i p e s a n d e x h a u s t i n g s y s t e m . A n e n v i r o n m e n t f r i e n d l y , s a f e I n P d r y e t c h p r o c e s s i s n e e d e d . E t c h g a s s u c h a s C l2 c o u l d b e a g o o d c a n d i d a t e t o b e s t u d i e d . A l s o n e e d e d t o m a k e t h e b a c k s i d e v i a p r o c e s s h i g h l y m a n u f a c t u r e b l e a r e p r o p e r w a f e r m o u n t i n g a n d w a f e r t h i n n i n g , m a s k i n g t e c h n i q u e s .
1 . 2 A d v a n t a g e o f I n P - b a s e d s e m i c o n d u c t o r s I n P - b a s e d p r o c e s s t e c h n o l o g y i s a d i s r u p t i v e t e c h n o l o g y p l a t f o r m b e c a u s e i t c a n b e u s e d t o b u i l d b o t h u l t r a - f a s t e l e c t r o n i c s a s w e l l a s p h o t o n i c s i n t e g r a t e d c i r c u i t s ; t h e r e b y t r u l y i n t e g r a t e t h e m a n i p u l a t i o n o f b o t h e l e c t r i c a l a n d o p t i c a l s i g n a l s i n a s i n g l e c h i p . I n p a r t i c u l a r , I n P - b a s e d h e t e r o j u n c t i o n b i p o l a r t r a n s i s t o r s ( H B T ) i s s u i t e d f o r a l l h i g h s p e e d a n d l o w p o w e r d i g i t a l - a n a l o g m i l i t a r y a n d c o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n s [ 1 . 3 ] . I t o f f e r s c a r r i e r v e l o c i t i e s a n d m o b i l i t i e s w h i c h a r e s i g n i f i c a n t l y h i g h e r c o m p a r e d t o s i l i c o n . H i g h c a r r i e r v e l o c i t i e s a n d m o b i l i t i e s c a n d r a s t i c a l l y i n c r e a s e t h e d e v i c e f i g u r e s o f m e r i t fT a n d fm a x. A c o m p a r i s o n o f m a t e r i a l p r o p e r t i e s f o r S i G e , I n P a n d G a A s i s g i v e n i n t a b l e 1 . 1 . T h e e l e c t r o n m o b i l i t y o f b o t h S i a n d G e h a s s i g n i f i c a n t l o w e r t h a n G a A s a n d I n P g r o u p ( I n G a A s , I n A s a n d I n P ) . T h e v e l o c i t y i s g i v e n b y p r o d u c t o f m o b i l i t y a n d a p p l i e d e l e c t r o n f i e l d , w h i c h i s a s s o c i a t e d w i t h t h e e n e r g y g a p o f m a t e r i a l s . O v e r a l l , t h e I n P g r o u p i s a n e x c e l l e n t m a t e r i a l f o r h i g h - s p e e d a p p l i c a t i o n . T h e e q u a t i o n s a s b e l o w e x p l a i n t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n e a c h o t h e r s . T h e d r i f t v e l o c i t y ( Vd) i s g i v e n b y µ ≡ qτc / mn ( 1 )
V d = -µ E ( 2 ) w h e r e τc i s m e a n f r e e t i m e . mn i s e f f e c t i v e m a s s . µ i s t h e m o b i l i t y . E i s t h e a p p l i e d e l e c t r i c f i e l d . . I n P - b a s e d H B T s a n d h i g h e l e c t r o n m o b i l i t y t r a n s i s t o r s ( I n P H E M T s ) a r e p r o m i s i n g t o r e a l i z e h i g h - f r e q u e n c y a n d h i g h - p e r f o r m a n c e M M I C s . F i g u r e 1 . 1 s h o w s t h e c o m p a r i s o n o f fT f o r S i - G a A s - a n d I n P - b a s e d s e m i c o n d u c t o r s . T h e i m p o r t a n t f o r h i g h c u t o f f f r e q u e n c y , fT, a n d m a x i m u m f r e q u e n c y o f o s c i l l a t i o n , fm a x , i s f a s t c a r r i e r s ( i . e . µ , V p e a k , V s a t ) a n d f o r h i g h o u t p u t p o w e r i s h i g h b r e a k d o w n f i e l d a n d v o l t a g e , i . e . w i d e b a n d g a p .
1
1 / 2 π fT = τCE(IC) = τB + τC + kT( Cje + Ccb)/q IC + (Re + Rc) Ccb ( 3 ) fm a x ≡ ( fT / 8 π R 'bC'cb)1 / 2 ( 4 ) A c o m m e r c i a l s e m i c o n d u c t o r f o u n d r y , G C S h a d d e m o n s t r a t e d I n P / I n G a A s S H B T w i t h t h e c u t o f f f r e q u e n c y r e a c h e s 2 0 0 G H z a n d t h e m a x i m u m f r e q u e n c y r e a c h e s 1 8 0 G H z , r e s p e c t i v e l y . F i g u r e 1 . 2 s h o w s t h e I n P S H B T c u t o f f f r e q u e n c y , fT a n d fm a x w h i c h w e r e m a n u f a c t u r e d a t G C S I n c .I n P H E M T d e v i c e s w i t h 0 . 1 µ m g a t e l e n g t h a n d 8 0 µ m p e r i p h e r y h a v e t h e a v e r a g e G m p = 8 0 0 m S / m m , a v e r a g e I m a x = 5 4 5 m A / m m , a n d a v e r a g e V g p i s 0 . 1 V . T h e t y p i c a l s i g m a f o r G m p , I m a x , a n d V g p i s 6 6 m S / m m , 4 1 m A / m m , a n d 0 . 0 6 V , r e s p e c t i v e l y . D e v i c e fT i s i n e x c e s s o f 1 9 0 G H z . [ 1 . 4 ] T h e a p p l i c a t i o n s i n c l u d e h i g h p e r f o r m a n c e p o w e r a m p l i f i e r f o r c e l l u l a r p h o n e s , u l t r a - e f f i c i e n t u l t r a - l i n e a r p o w e r a m p l i f i e r s f o r d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a n d s a t e l l i t e n e t w o r k s I C s , h i g h l y i n t e g r a t e d m i x e d s i g n a l a n d h i g h - s p e e d f i b e r - o p t i c c i r c u i t s . T h e r a p i d l y e x p a n d i n g d e m a n d f o r b r o a d b a n d t e l e c o m m u n i c a t i o n s p r o v i d e s a s t r o n g m a r k e t d u e t o t h e s u p e r i o r p e r f o r m a n c e p r o v i d e d b y I n P m i c r o e l e c t r o n i c s .
1 . 3 C h a l l e n g e s o f I n P B a c k s i d e V i a P r o c e s s T h e b a c k s i d e v i a i s e s s e n t i a l f o r M M I C t e c h n o l o g y , b e c a u s e i t p r o v i d e s l o w p a r a s i t i c i n d u c t a n c e a n d l o w a c c e s s r e s i s t a n c e t o t h e g r o u n d i n g p l a n e , a n d a h e a t d i s s i p a t i o n p a t h . F o r h i g h e r f r e q u e n c y a p p l i c a t i o n s , a c c u r a t e c o n t r o l o f v i a p r o p e r t i e s b e c o m e s v e r y i m p o r t a n t [ 1 . 5 ] . S i n c e t h e f i n a l w a f e r t h i c k n e s s i s i n t h e o r d e r o f 1 0 0 u m , a b a c k s i d e v i a h o l e n e e d t o b e e t c h e d a b o u t 1 0 0 u m d e e p . T o f o r m d e e p v i a s i n t o I n P , h i g h e t c h r a t e e t c h i n g w i t h v e r t i c a l s i d e w a l l i s r e q u i r e d . C l2- b a s e d d r y e t c h i n g t e c h n o l o g i e s a r e u s u a l l y u s e d f o r I n P f r o n t s i d e c i r c u i t s e t c h i n g [ 1 . 6 ] b u t n o t i n B a c k s i d e v i a e t c h . B e c a u s e o f t h e l o w v o l a t i l i t y o f e t c h b y - p r o d u c t s o f I n C lx, h i g h w a f e r t e m p e r a t u r e s a r e n e e d e d t o o b t a i n a c c e p t a b l e e t c h r a t e a n d g o o d v e r t i c a l s i d e w a l l p r o f i l e f o r h i g h a s p e c t r a t i o v i a . U s i n g C h l o r i n e c h e m i s t r y t o e t c h I n P r e q u i r e s e l e v a t e d t e m p e r a t u r e s a p p r o a c h i n g 1 6 0 ℃ o r h i g h e r a n d / o r s i g n i f i c a n t i o n b o m b a r d m e n t t o o b t a i n a c c e p t a b l e s u r f a c e m o r p h o l o g y [ 1 . 7 ] . T a d o c o r o e t , a l . a d o p t e d C l2/ A r / N2 p r o c e s s a t a p l a t e n t e m p e r a t u r e o f 1 8 0 ℃ t o a c h i e v e t h e I n P e t c h r a t e ~ 1 . 6 µm / m i n a n d t h e o p t i m u m p r o f i l e o f ~ 8 5 º f o r w a v e g u i d e a p p l i c a t i o n . H o w e v e r , w h e n u s e s a m e c o n d i t i o n s f o r b a c k s i d e v i a p r o c e s s t h e r e w i l l h a v e t w o c h a l l e n g e s . F i r s t , a t b a c k s i d e v i a p r o c e s s t h e w a f e r n e e d s t o b e t h i n n e d d o w n , a p r o p e r
w a f e r m o u n t i n g i s n e e d f o r t h e t h i n n i n g a n d s u b s e q u e n t e t c h p r o c e s s . T h e m o u n t i n g m a t e r i a l m u s t b e a b l e t o s u s t a i n t h e h i g h e t c h t e m p e r a t u r e a n d a l s o c a n b e e a s i l y r e m o v e d w h e n t h e p r o c e s s i s c o m p l e t e d . T h e s e c o n d c h a l l e n g e i s a p r o p e r m a s k w h i c h c a n e n d u r e t h e l o n g e t c h i n g t i m e . B u t c h l o r i n e b a s e g a s e s a r e n e v e r b e c h o s e n a t b a c k s i d e v i a e t c h i n g , w h i c h r e q u i r e s h i g h s e l e c t i v i t y o f I n P t o m a s k a n d a l s o s t a b l e b o n d i n g m a t e r i a l b e c a u s e t h e l o n g e t c h i n g t i m e a n d h i g h e t c h i n g t e m p e r a t u r e . M e a n w h i l e , a m e t a l m a s k t h a t c a n e n d u r e h i g h t e m p e r a t u r e i s u s e d . T h e r e a r e a f e w a p p r o a c h e s f o r I n P b a c k s i d e v i a e t c h i n g u s i n g o t h e r g a s e s . O n e a p p r o a c h u s e d H B r g a s a n d p h o t o r e s i s t a s m a s k , h i g h e t c h r a t e o f 1 . 5 µ m / m i n w a s r e p o r t e d [ 1 . 8 - 1 . 9 ] . T h e o t h e r a p p r o a c h u s i n g H I - b a s e d I C P r e p o r t e d a n a v e r a g e I n P e t c h r a t e o f 1 . 6 u m / m i n w i t h s m o o t h e t c h i n g s u r f a c e a t a l o w w a f e r t e m p e r a t u r e o f 1 4 0 ℃. T h e s e l e c t i v i t y o f I n P t o t h e s i l i c o n o x i d e m a s k i s ~ 1 6 : 1 [ 1 . 1 0 ] . R e a c t i v e i o n b e a m e t c h i n g ( R I B E ) s y s t e m f o r I n P b a c k s i d e v i a w a s a l s o s t u d i e d . T h e e m p l o y e d e t c h i n g g a s w a s i o n i z e d b y e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e ( E C R ) a t a g a s p r e s s u r e o f a b o u t 0 . 6 m T o r r a n d t h e a p p l i e d m i c r o w a v e p o w e r w a s 3 0 0 W . T h e m a x i m u m e t c h r a t e f o r I n P w a s 2 . 0 µ m / m i m a t 2 0 0 ℃ [ 1 . 1 1 - 1 . 1 2 ] . T h e p r o f i l e s a n d s u r f a c e h a v e t o b e c o m p a t i b l e w i t h
d e v i c e f a b r i c a t i o n . E t c h r a t e s w e r e d e t e r m i n e d u s i n g s t e p h e i g h t s m e a s u r e m e n t f r o m p a t t e r n e d m a t e r i a l o f i n t e r e s t . I n t h i s s t u d y , w e c h o s e S T S I C P a s t h e d r y e t c h i n g t o o l . T h e I C P c h a m b e r w a s o p e r a t i n g a t 2 M H z a n d a n a d d i t i o n a l R F b i a s w a s a t 1 3 . 5 6 M H z f o r t h e s a m p l e c h u c k . B a c k s i d e f l o w i n g H e w a s u s e d w i t h a m e c h a n i c a l c l a m p i n g c o n f i g u r a t i o n . T h e p r o f i l e s w e r e m e a s u r e d w i t h a s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( S E M ) . S E M i s a v e r s a t i l e i n s t r u m e n t f o r c h a r a c t e r i z a t i o n o f e t c h i n g f e a t u r e s , a n d i t p r o v i d e s h i g h r e s o l u t i o n , a l l o w i n g s u b m i c r o n s t r u c t u r e s t o b e i n v e s t i g a t e d . A n e l e c t r o n g u n i s u s e d t o e m i t e l e c t r o n s w i t h r e l a t i v e l y h i g h e n e r g y ( 5 - 3 0 k e V ) , w h i c h a r e f o c u s e d o n a t a r g e t . T h e s e e l e c t r o n s a r e i n c i d e n t o n t h e t a r g e t s u r f a c e , a n d c a u s e t h e e l e c t r o n s t o b e e m i t t e d . T h e s e c o n d a r y e l e c t r o n i . e . l o o s e l y b o u n d e l e c t r o n s h a v e t h e h i g h e s t y i e l d a n d a r e t h e o n e s u s u a l l y m e a s u r e d . S i n c e t h e e l e c t r o n w a v e l e n g t h i s m u c h s m a l l e r t h a n t h e p h o t o n w a v e l e n g t h o f v i s i b l e l i g h t a m u c h l a r g e m a g n i f i c a t i o n i s p o s s i b l e t h a n f o r a n o p t i c a l m i c r o s c o p e . T h e o t h e r d r y e t c h i n g m e t h o d a t I n P H B T s i s E m i t t e r M e s a e t c h i n g . T y p i c a l t h e e p i s t r u c t u r e i s n+ I n G a A s a n d u n d o p e d I n P i s t h e b a r r i e r . T h e c u r r e n t r e c o m b i n a t i o n p r o b l e m c a n b e s o l v e d i f t h e s u r f a c e w a s p r o t e c t e d b y n i t r i d e o r s o m e s t u d i e s p r e s e n t s u r f a c e p r e t r e a t m e n t a n d a l s o h a v e p r e c i s i o n w e l l c o n t r o l l e d b y u s i n g d r y e t c h t o r e m a i n a b o u t h u n d r e d a n g s t r o m o f I n P a s a p a s s i v a t i o n l a y e r . T h e p r e c i s i o n e t c h i n g
c o n t r o l i s d i f f i c u l t i n r e c e n t t e c h n o l o g i e s . [ 1 . 1 3 - 1 . 1 4 ] 1 . 4 O b j e c t i v e o f t h i s s t u d y E s t a b l i s h a d r y e t c h g a s e s : C h l o r i n d e ( C l2) a s I n P b a c k s i d e v i a e t c h i n g g a s w i l l b e s t u d i e d . T h e e f f e c t o f g a s c o m p o s i t i o n s , p r e s s u r e , t e m p e r a t u r e a n d p o w e r t o t h e e t c h r a t e s e l e c t i v i t y w i l l b e s t u d i e d . E v a l u a t e a n d s e l e c t p r o p e r w a f e r b o n d i n g m a t e r i a l f o r e t c h i n g p r o c e s s : I n o r d e r t o a c c e l e r a t e e v a p o r a t i o n o f e t c h i n g p r o d u c t s s o t h e s u b s t r a t e n e e d s t o h e a t u p t o c e r t a i n t e m p e r a t u r e . H i g h e r m e l t i n g t e m p e r a t u r e b o n d i n g m a t e r i a l i s r e q u i r e d t o m e e t t h i s r e q u i r e m e n t . E s t a b l i s h a p r o p e r e t c h i n g m a s k : T h e t o p p r i o r i t y o f e s t a b l i s h a p r o p e r e t c h i n g m a s k i s h i g h e r s e l e c t i v i t y o f I n P v . s . m a s k a n d a l s o t h e p r o d u c t i v i t y . S e l e c t p r o p e r c a r r i e r : S u p p o r t i n g c a r r i e r r e q u i r e s t h e s a m e t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n c y a s I n P s u b s t r a t e i n o r d e r t o p r e v e n t t h e s t r e s s i n d u c e d d e l a m i n a t i n g p r o b l e m d u r i n g t h e r m a l p r o c e s s . H i g h a n t i - a c i d a n d a n t i - s o l v e n t s o l u b l e a r e a l s o i m p o r t a n t .
C h a p t e r 2
T h e o r e t i c a l o f D r y E t c h i n g P r o c e s s
T h e r e a r e t w o m a i n t y p e s o f e t c h i n g p r o c e s s h a v e b e e n u s e d i n s e m i c o n d u c t o r f a b r i c a t i o n : w e t e t c h i n g a n d d r y e t c h i n g . W e t e t c h i n g t e n d s t o b e h i g h l y s e l e c t i v e b u t i s o t r o p i c . I s o t r o p i c e t c h i n g i m p l i e s u n d e r c u t t i n g . S e l e c t i v i t y i s u s u a l l y e x c e l l e n t i n w e t e t c h i n g . M a s k e r o s i o n c a n b e a n i s s u e f o r b o t h i s o t r o p i c a n d a n i s o t r o p i c e t c h i n g p r o f i l e s . D r y e t c h i n g i s p r e f e r r e d w h e n p r e c i s e c o n t r o l o f e t c h e d f e a t u r e i s r e q u i r e d . 2 . 1 D r y E t c h i n g M e c h a n i s m T h e r e a r e t h r e e p r i n c i p a l m e c h a n i s m s i n d r y e t c h i n g p r o c e s s : c h e m i c a l e t c h i n g , p h y s i c a l e t c h i n g a n d i o n - e n h a n c e d e t c h i n g . C h e m i c a l e t c h i n g : t h e c h e m i c a l r e a c t i o n s a r e d o n e b y r e a c t i v e n e u t r a l s p e c i e s , s u c h a s f r e e r a d i c a l s . A d d i t i v e s c a n h e l p t o r e a c t w i t h e t c h a n t s t o f o r m m o r e f r e e r a d i c a l s t h a t e n h a n c e t h e e t c h i n g r a t e . T h e f r e e r a d i c a l e t c h i n g m e c h a n i s m i s s i m i l a r w i t h t h e w e t e t c h i n g a n d t h e r e f o r e t e n d s t o i s o t r o p i c a n d s e l e c t i v e . T h e s t i c k i n g c o e f f i c i e n t n u m b e r i s a l m o s t 0 , t h a t m e a n s , t h e f r e e r a d i c a l s d o n o t a d s o r b u p o n t h e s u r f a c e .P h y s i c a l e t c h i n g : i o n s t r a v e l t o w a r d t o w a f e r s u r f a c e w h e n a p p l y t h e e l e c t r o n f i e l d c r o s s t h e p l a s m a s h e a t h . I o n e t c h i n g i s m u c h m o r e d i r e c t i o n a l a n d i t s s t i c k i n g c o e f f i c i e n t i s a l m o s t 1 s o t h e i o n s d o a d s o r b u p o n s u r f a c e , i . e . i o n s d o n ' t b o u n c e a r o u n d i f t h e y d o n o t l o s e t h e i r e n e r g y . E t c h i n g s p e c i e s r e m o v e m a t e r i a l b y s p u t t e r i n g . T h e r e s u l t i s n o t v e r y s e l e c t i v e s i n c e a l l m a t e r i a l s s p u t t e r a t a b o u t t h e s a m e r a t e . P h y s i c a l s p u t t e r i n g c a n c a u s e d a m a g e t o s u r f a c e , w i t h e x t e n t a n d a m o u n t o f d a m a g e a d i r e c t f u n c t i o n o f i o n e n e r g y . I o n e n h a n c e d e t c h i n g : c h e m i c a l a n d p h y s i c a l c o m p o n e n t s o f d r y e t c h i n g d o n o t a l w a y s a c t i n d e p e n d e n t l y . T h e s e t w o c o m p o n e n t s i n t e r m s o f n e t e t c h r a t e a n d i n r e s u l t i n g e t c h p r o f i l e . E t c h p r o f i l e s c a n b e v e r y a n i s o t r o p i c , a n d s e l e c t i v i t y c a n b e g o o d . M a n y d i f f e r e n t m e c h a n i s m s p r o p o s e d f o r t h i s s y n e r g i s t i c e t c h i n g b e t w e e n p h y s i c a l a n d c h e m i c a l c o m p o n e n t s . I o n b o m b a r d m e n t c a n e n h a n c e e t c h p r o c e s s i n t h e f o l l o w i n g w a y s : d a m a g e t h e s u r f a c e t o i n c r e a s e r e a c t i o n , r e m o v e e t c h b y p r o d u c t s , o r r e m o v e i n h i b i t o r t h a t i s a n i n d i r e c t b y p r o d u c t o f e t c h p r o c e s s s u c h a s p o l y m e r f o r m a t i o n f r o m c a r b o n i n g a s o r f r o m p h o t o r e s i s t . M u l t i p l e m e c h a n i s m s m a y o c c u r a t s a m e t i m e .
F i g u r e 2 . 2 s h o w s a d i a g r a m o f e t c h i n g f o r m a t i o n m e c h a n i s m . T h e r e a r e m o l e c u l e s d i s s o c i a t i o n , i o n i z a t i o n , a b s o r p t i o n , p r o d u c t f o r m a t i o n , r e c o m b i n a t i o n a n d p r o d u c t a d s o r p t i o n . D i s s o c i a t i o n , i o n i z a t i o n a n d r e c o m b i n a t i o n : I n g e n e r a l , t h e p l a s m a s p e c i e s c a n b e b r o k e n i n t o t w o b r o a d c a t e g o r i e s : e l e c t r i c a l l y c h a r g e d ( i o n s a n d e l e c t r o n s ) a n d c h a r g e - n e u t r a l ( r a d i c a l s ) . A n i o n i s a n a t o m o r m o l e c u l e w h i c h h a s l o s t o r g a i n e d o n e o r m o r e e l e c t r o n s , m a k i n g i t p o s i t i v e l y o r n e g a t i v e l y c h a r g e d . A n e g a t i v e l y c h a r g e d i o n , w h i c h h a s m o r e e l e c t r o n s i n i t s e l e c t r o n s h e l l s t h a n i t h a s p r o t o n s i n i t s n u c l e i , i s k n o w n a s a n a n i o n d u e t o i t s a t t r a c t i o n t o a n o d e s . C o n v e r s e l y , a p o s i t i v e l y - c h a r g e d i o n , w h i c h h a s f e w e r e l e c t r o n s t h a n p r o t o n s , i s k n o w n a s a c a u t i o n d u e t o i t s a t t r a c t i o n t o c a t h o d e s . I o n s a r e d e n o t e d i n t h e s a m e w a y a s e l e c t r i c a l l y n e u t r a l a t o m s a n d m o l e c u l e s e x c e p t f o r t h e p r e s e n c e o f a s u p e r s c r i p t i n d i c a t i n g t h e s i g n o f t h e n e t e l e c t r i c c h a r g e a n d t h e n u m b e r o f e l e c t r o n s l o s t o r g a i n e d , i f m o r e t h a n o n e . R a d i c a l s ( o f t e n r e f e r r e d t o a s f r e e r a d i c a l s ) a r e a t o m i c o r m o l e c u l a r s p e c i e s w i t h u n p a i r e d e l e c t r o n s o n a n o t h e r w i s e o p e n s h e l l
c o n f i g u r a t i o n . T h e s e u n p a i r e d e l e c t r o n s a r e u s u a l l y h i g h l y r e a c t i v e , s o r a d i c a l s a r e l i k e l y t o t a k e p a r t i n c h e m i c a l r e a c t i o n s . F o r e x a m p l e , C l2 i n t o 2 C l · h a s a ∆ H° o f + 2 4 3 k J / m o l . T h e s y m p t o m o f r e c o m b i n a t i o n i s , t h e r e a c t i o n c a n b e o p p o s i t e w h e n t h e b r o k e n m o l e c u l e s j o i n t o g e t h e r t o f o r m t h e o r i g i n a l s t a t e . A n e x a m p l e o f B C l3 a n d C l2 p l a s m a i s a s b e l o w . e * + 2 C l2 + 2 B C l3 < = > C lx+ + B C lx+ + C lx + B C lx + e A b s o r p t i o n a n d p r o d u c t f o r m a t i o n : T h e B o r o n t r i c h l o r i d e a n d C h l o r i n e ( B C l3/ C l2) g a s e s w i l l f o r m i o n s a f t e r p l a s m a s t r i k i n g . T h o s e i o n s c a n r e a c t w i t h I n P t o f o r m v o l a t i l e p r o d u c t s . A f t e r t h e e t c h a n t s f o r m a t i o n , t h o s e e t c h a n t s w i l l a d s o r b o n t o t h e w a f e r s u r f a c e d u e t o t h e p l a s m a p o t e n t i a l d i f f e r e n c e . T h e d i s c h a r g e c r e a t e s u n c h a r g e d e t c h a n t r a d i c a l s w h i c h r e a c t w i t h a s u r f a c e m a t e r i a l t h r o u g h c o n v e n t i o n a l c h e m i c a l r e a c t i o n s . I o n s i n d u c e g e n e r a l s u r f a c e h e a t i n g , o r s p u t t e r c l e a n i n g f r o m t h e s u r f a c e . T h e r e a r e d o z e n o f p r o d u c t s a r e f o r m e d o n c e t h e e t c h i n g p r o c e s s o c c u r r e d .
4 C lx+ + 4 B C lx+ + 4 I n P - > 2 I n B C lx + 2 I n C lx + P B C lx + P C lx + B C lx + P B + C l + Px 2 . 2 C h o o s i n g e t c h e r a n d g a s e s f o r I n P b a c k s i d e v i a e t c h i n g I C P w a s c h o s e n a s t h e e t c h s y s t e m i n t h e s t u d y b e c a u s e i t h a s t h e f o l l o w i n g a d v a n t a g e s : 1 . I t h a s o v e r t w o o r d e r s o f m a g n i t u d e h i g h e r p l a s m a d e n s i t y t h a n c o n v e n t i o n a l R I E s y s t e m s t o e n h a n c e t h e c h e m i c a l r e a c t i o n s . [ 2 . 1 ] 2 . A I C P e t c h e r i s r e l a t i v e l y f r e e o f c o n t a m i n a t i o n b e c a u s e t h e p l a s m a g e n e r a t i n g e l e c t r o d e s a r e c o m p l e t e l y o u t s i d e t h e r e a c t i o n c h a m b e r . A l s o , t h e I C P o f f e r s e f f e c t i v e d e c o u p l i n g b e t w e e n t h e i o n d e n s i t y a n d t h e i o n e n e r g y t o i m p r o v e t h e d r y e t c h c o n t r o l c a p a b i l i t i e s . I n a I C P e t c h e r , t h e g a s m o l e c u l a r i s s t a r t i n g d i s s o c i a t e d a n d i o n i z e d o n c e t h e I C P R F p o w e r i s d e l i v e r e d . P a r t o f i o n s w i l l r e c o m b i n e i n t h e p l a s m a . B o r i d e a n d c h l o r i n e i o n f l u x i s p e r p e n d i c u l a r t o s u b s t r a t e a n d a d s o r b o n s u r f a c e o n c e t h e p l a t e n R F p o w e r i s d e l i v e r e d . C h e m i c a l e t c h i n g a n d s p u t t e r i n g e t c h i n g w i l l o c c u r . C h l o r i d e p r o d u c t s a r e f o r m e d w h e n t h e i o n s o r n e u t r a l r a d i c a l s a r e r e a c t i n g w i t h s u b s t r a t e . I n h i b i t o r f i l m s c a n b e f o r m e d a n d d e p o s i t s o n f e a t u r e s i d e w a l l s . E t c h r a t e i s l i m i t e d b y t h e i o n f l u x , h o w v o l a t i l e o f p r o d u c t s a n d s p u t t e r y i e l d s . I C P d i s c h a r g e s a r e o f r e l a t i v e l y
h i g h e l e c t r o n d e n s i t y , o f t h e o r d e r o f 1 01 5c m- 3. A s a r e s u l t , I C P d i s c h a r g e s h a v e w i d e a p p l i c a t i o n s w h e n a h i g h d e n s i t y p l a s m a i s n e c e s s a r y . A n o t h e r b e n e f i t o f I C P d i s c h a r g e s i s t h a t . C l2 a n d B C l3 a r e c h o s e a s t h e e t c h i n g g a s f o r t h e f o l l o w i n g r e a s o n s : C h l o r i n e i s t h e m a i n g a s w h i c h i o n i z e d i n t h e p l a s m a a n d r e a c t w i t h I n P t o p e r f o r m e t c h i n g . B o r o n t r i c h l o r i d e i s a p a r t i c u l a r l y a t t r a c t i v e d i s c h a r g e , b e c a u s e i t g e t t e r s w a t e r v a p o r a n d s o i s q u i t e f o r g i v i n g o f i t s r e s i d u a l a m o u n t s i n t h e v a c u u m c h a m b e r . I t a l s o r e a d i l y a t t a c k s t h e n a t i v e o x i d e , a n d p r o v i d e s s m o o t h , c o n t r o l l e d e t c h i n g . P u r e c h l o r i n e t e n d s t o h a v e e x t r e m e l y f a s t e t c h i n g r a t e s a n d n o n u n i f o r m e t c h i n g d u e t o t h e i n h i b i t i n g n a t i v e o x i d e o n t h e s e m i c o n d u c t o r s u r f a c e .
2 . 3 T h e p r i n c i p a l o f I C P e t c h e r F i g u r e 2 . 1 s h o w s t h e s c h e ma t i c o f I C P c h a mb e r w i t h c y l i n d e r g e o m e t r y . I n c y l i n d r i c a l g e o m e t r y , i t i s l i k e a h e l i c a l s p r i n g . I n d u c t i v e l y c o u p l e d s o u r c e d o e s n o t h a v e a n e l e c t r o d e i n t h e p l a s m a . T h i s t y p e o f c o u p l i n g i s a m u c h m o r e e f f i c i e n t m e t h o d o f t r a n s f e r r i n g p o w e r t o t h e e l e c t r o n s a n d , c o n s e q u e n t l y o f i n c r e a s i n g t h e p l a s m a d e n s i t y . W h e n a n e l e c t r i c c u r r e n t i s p a s s e d t h r o u g h t h e i n d u c t o r o f c o p p e r c o i l , i t c r e a t e s a t i m e v a r y i n g m a g n e t i c f i e l d w i t h i n t h e c h a m b e r . T h e e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d i s t y p i c a l l y s e t t o a f r e q u e n c y o f 1 3 . 5 6 m e g a h e r t z , a p p l i e d a t a f e w h u n d r e d w a t t s . T h e e l e c t r o n s o s c i l l a t e w i t h t h i s e l e c t r i c f i e l d a n d c o l l i d e w i t h n e u t r a l a t o m s t o f o r m t h e e x c i t e d s p e c i e s a n d i o n s . E l e c t r o n f i e l d i s f o r m e d ; t h e d e n s i t y i s ~ 1 01 5c m- 3. E l e c t r o n t e m p e r a t u r e i s ~ 1 1 , 6 0 0 K a n d i t s v e l o c i t y i s 9 . 5 x 1 07 c m / s e c . I o n t e m p e r a t u r e i s ~ 5 0 0 K a n d i t s v e l o c i t y i s 5 . 2 x 1 04 c m / s e c . N e u t r a l t e m p e r a t u r e i s ~ 2 9 3 K a n d i t s v e l o c i t y i s 4 . 0 x 1 04 c m / s e c . I C P d i s c h a r g e s h a v e w i d e a p p l i c a t i o n s w h e n a h i g h d e n s i t y p l a s m a i s n e c e s s a r y . A n o t h e r b e n e f i t o f I C P d i s c h a r g e s i s t h a t t h e y a r e r e l a t i v e l y f r e e o f c o n t a m i n a t i o n b e c a u s e t h e e l e c t r o d e s a r e c o m p l e t e l y o u t s i d e t h e r e a c t i o n c h a m b e r . T h e I C P o f f e r s e f f e c t i v e d e c o u p l i n g b e t w e e n t h e i o n
d e n s i t y a n d t h e i o n e n e r g y t o i m p r o v e t h e d r y e t c h c o n t r o l c a p a b i l i t i e s . A R F ( r a d i o f r e q u e n c y ) p o w e r t h r o u g h a c o u p l i n g c a p a c i t o r i s a p p l i e d t h e s u b s t r a t e c h u c k . I n e a c h c y c l e o f t h e f i e l d , t h e e l e c t r o n s a r e e l e c t r i c a l l y a c c e l e r a t e d u p a n d d o w n i n t h e c h a m b e r . A t t h e s a m e t i m e , t h e m u c h m o r e m a s s i v e i o n s m o v e r e l a t i v e l y l i t t l e i n r e s p o n s e t o t h e R F e l e c t r i c f i e l d . W h e n e l e c t r o n s a r e a b s o r b e d i n t o t h e c h a m b e r w a l l s t h e y a r e s i m p l y f e d o u t t o g r o u n d a n d d o n o t a l t e r t h e e l e c t r o n i c s t a t e o f t h e s y s t e m . H o w e v e r , e l e c t r o n s a b s o r b e d i n t o t h e w a f e r p l a t t e r c a u s e t h e p l a t t e r t o b u i l d u p c h a r g e d u e t o i t s D C i s o l a t i o n . T h i s c h a r g e b u i l d u p d e v e l o p s a l a r g e n e g a t i v e v o l t a g e o n t h e p l a t t e r , t y p i c a l l y a r o u n d a f e w h u n d r e d v o l t s . T h e p l a s m a i t s e l f d e v e l o p s a s l i g h t l y p o s i t i v e c h a r g e d u e t o t h e h i g h e r c o n c e n t r a t i o n o f p o s i t i v e i o n s c o m p a r e d t o f r e e e l e c t r o n s . B e c a u s e o f t h e l a r g e v o l t a g e d i f f e r e n c e , p o s i t i v e i o n s t e n d t o d r i f t t o w a r d t h e w a f e r p l a t e n , w h e r e t h e y c o l l i d e w i t h t h e s a m p l e s t o b e e t c h e d . T h e i o n s r e a c t c h e m i c a l l y w i t h t h e m a t e r i a l s o n t h e s u r f a c e o f t h e s a m p l e s , b u t c a n a l s o k n o c k o f f ( s p u t t e r ) s o m e m a t e r i a l b y t r a n s f e r r i n g s o m e o f t h e i r k i n e t i c e n e r g y . D u e t o t h e m o s t l y v e r t i c a l d e l i v e r y o f r e a c t i v e i o n s , r e a c t i v e i o n e t c h i n g c a n p r o d u c e v e r y a n i s o t r o p i c e t c h p r o f i l e s , w h i c h c o n t r a s t w i t h t h e t y p i c a l l y i s o t r o p i c p r o f i l e s
o f w e t c h e m i c a l e t c h i n g . [ 2 . 3 ] . T h e s a m p l e p l a c e d o n t h i s p o w e r e d e l e c t r o d e i s s u b j e c t t o i n t e n s e i o n b o m b a r d m e n t . I C P h a s a n a d v a n t a g e o f s y n e r g i s m b e t w e e n p h y s i c a l a n d c h e m i c a l e t c h i n g m e c h a n i s m s a n d i s a b l e t o p r o v i d e f a s t a n i s o t r o p i c e t c h i n g . 2 . 4 S i d e e f f e c t s i n e t c h i n g p r o c e s s I f t h e r e a c t i o n s b e t w e e n e t c h a n t a n d p u r e s u b s t r a t e a r e t h e m a i n e v e n t i n e t c h i n g , t h e n o t h e r p h e n o m e n a t h a t a r e n o t a d i r e c t p a r t o f t h e s e r e a c t i o n s m i g h t b e t e r m e d " s i d e e f f e c t s . " T h e c o m p l e x i t y o f f e e d g a s e s a n d e t c h i n g s y s t e m s m a y b e u n d e r s t o o d i n t e r m s o f t h e s e s e c o n d a r y p h e n o m e n a . O f c o u r s e s o m e " s i d e e f f e c t s " a r e n e a r l y u n a v o i d a b l e i n a l l e t c h i n g p r o c e s s e s a n d t h e y c a n e i t h e r b e b e n e f i c i a l o r h a r m f u l . S u c h e f f e c t s a r i s e f r o m t h e c h e m i s t r y o f f e e d a d d i t i v e s , o t h e r s s t e m f r o m v a r i a b i l i t y i n s u b s t r a t e c o m p o s i t i o n , a n d s t i l l o t h e r t h i n g s a r e a t t r i b u t a b l e t o r e a c t o r c h a m b e r d e s i g n . A f e w e f f e c t s a r e l i s t e d i n T a b l e 2 . 3 , a l o n g w i t h a n e x a m p l e o f e a c h a n d t h e i r i n f l u e n c e o n e t c h r a t e s , s i d e w a l l p a s s i v a t i o n ( i n i n h i b i t o r a n i s o t r o p i c e t c h i n g ) , a n d p r o f i l e s . E t c h r a t e d e f i n i t i o n : T h e e t c h r a t e i s g i v e n b y t h e A r r h e n i u s e x p r e s s i o n
E t c h R a t e = A nFT1 / 2e- EA/ R T ( 5 ) W h e r e A i s P r e e x p o n e n t i a l f a c t o r s a n d nF i s t h e n u m b e r o f f e r m i o n s a n d EA i s a c t i v a t i o n e n e r g i e s a n d R i s t h e g a s c o n s t a n t a n d T i s t e m p e r a t u r e i n k e l v i n s . [ 2 . 4 ] D i s s o c i a t i o n s p e c i e s a n d m a s s n u m b e r s : T a b l e 2 . 2 i s s h o w n t h e d i s s o c i a t i o n s p e c i e s a n d m a s s n u m b e r s a t B C l3/ C l2 p l a s m a w h e n e t c h i n g I n P m a t e r i a l s . T h e b y - p r o d u c t s a n d e t c h a n t s f o r p l a s m a e t c h i n g o f I n P w e r e d e t e r m i n e d u s i n g a m a s s s p e c t r o m e t e r . [ 2 . 5 ]
C h a p t e r 3
I n P W a f e r b a c k s i d e f a b r i c a t i o n
3 . 1 I n P W a f e r B a c k s i d e P r o c e s s F l o w T h e f i n a l s t e p s i n f a b r i c a t i n g I n P H B T s a n d H E M T s a r e w a f e r b a c k s i d e p r o c e s s , w h i c h i n c l u d e s t h i n n i n g , v i a h o l e f o r m a t i o n , m e t a l l i z a t i o n , d e m o u n t i n g a n d s e p a r a t i n g . T h e p u r p o s e o f w a f e r t h i n n i n g f r o m t h e b a c k s i d e i s t o i m p r o v e t h e r m a l i m p e d a n c e a n d e a s y t o d o c h i p s i n g u l a t i o n . A 1 0 0 µ m f i n a l s u b s t r a t e t h i c k n e s s i s t y p i c a l l y u s e d . A 5 0 µ m s u b s t r a t e h a s b e e n a d o p t e d f o r p o w e r a p p l i c a t i o n d e v i c e s . U n i f o r m s u b s t r a t e t h i c k n e s s i s r e q u i r e d t o p r o d u c e a n u n i f o r m v i a h o l e e t c h i n g p r o c e s s . T h e b a c k s i d e v i a h o l e p r o v i d e s e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y , t h e r m a l d i s p e n s a t i o n a n d l o w i n d u c t a n c e f o r h i g h p e r f o r m a n c e h i g h f r e q u e n c y p o w e r d e v i c e s a n d l o w n o i s e d e v i c e s . V i a h o l e c a n b e f o r m e d b y w e t c h e m i c a l e t c h i n g o r d r y e t c h i n g . T h e d r y e t c h i n g p r o c e s s i s l e s s s e n s i t i v e t o t h e u n i f o r m i t y o f w a f e r t h i c k n e s s a n d a l s o p r o v i d e s s m a l l v i a s w i t h c o n t r o l l e d e t c h i n g p r o f i l e s . T h e n e x t s t e p a f t e r v i a h o l e e t c h i n g i s m e t a l l i z a t i o n , m e t a l p l a t i n g t e c h n o l o g y i s t y p i c a l l y u s e d . S e e d - l a y e r i s r e q u i r e d b e f o r e m e t a l p l a t i n g . E - b e a m e v a p o r a t o r a n d s p u t t e r a r e t y p i c a l l y u s e d t o p r o v i d e e v e r y g o o d c o n t a c t o f m e t a l t o s u b s t r a t e . T h e w a f e r h a s t o b em o u n t e d o n t a p e s b e f o r e s e p a r a t i n g . S a w i n g o r s c r i b e a n d b r e a k t e c h n i q u e i s t y p i c a l l y u s e d . F i g u r e 3 . 1 s h o w s t h e b a c k s i d e p r o c e s s f l o w . T h e c h a l l e n g e s t e p o f I n P b a c k s i d e p r o c e s s i s v i a h o l e e t c h i n g . I n P m a t e r i a l s h a v e a n i n t r i n s i c p r o p e r t y o f h a r d t o c o r r o s i v e e v e n b y h a l o g e n g a s e s . T h e e t c h n o r m a l l y t a k e p l a c e a t h i g h t e m p e r a t u r e a n d h i g h p l a s m a d e n s i t y . P r o p e r m o u n t i n g a n d m a s k a r e r e q u i r e d t o m a k e t h e p r o c e s s s u c c e s s f u l . T a b l e 3 . 1 h a s a l i s t o f t h e i m p o r t a n c e o f p r o c e s s m a t e r i a l s ; b o n d i n g m a t e r i a l s , b a c k s i d e v i a m a s k a n d w a f e r c a r r i e r . T h e b o n d i n g m a t e r i a l s r e q u i r e h i g h m e l t i n g t e m p e r a t u r e a n d h i g h r e s i s t a n c e t o a c i d c h e m i c a l s . T h e c a n d i d a t e f o r t h e b o n d i n g m a t e r i a l h a s h i g h m e l t i n g t e m p e r a t u r e r e s i n , h i g h m e l t i n g t e m p e r a t u r e w a s a n d h i g h t e m p e r a t u r e t h e r m a l r e l e a s e d o u b l e s i d e t a p e . F i g u r e 3 . 2 s h o w s t h e p r o c e s s t e m p e r a t u r e l i m i t a t i o n o f c u r r e n t c o m m e r c i a l b o n d i n g m a t e r i a l s i n s e m i c o n d u c t o r i n d u s t r y . T h e C , H , O a r e t h e k e y e l e m e n t s t o f o r m t h e r e s i n w h i c h w i l l b e e a s i e r t o d i s s o l v e i n s o l v e n t a n d / o r s t r i p b y o x y g e n p l a s m a . T h e b a c k s i d e v i a m a s k h a s t o b e e a s i e r t o p r o d u c e a n d h i g h e r s e l e c t i v i t y t o I n P d u r i n g d r y e t c h a n d t h e b i - p r o d u c t n u s t t o b e e a s i e r t o r e m o v e . T h e c a n d i d a t e f o r t h e m a s k h a s p h o t o r e s i s t , d r y f i l m r e s i s t e r , l o w t e m p e r a t u r e n i t r i d e a n d N i m e t a l m a s k s . F i g u r e 3 . 3 ( a ) s h o w s p h o t o r e i s i s t m a s k t h i c k n e s s i s 1 7 µ m , w h i c h w a s d o n e b y u s i n g s i n g l e c o a t i n g a n d p h o t o l i t h o g r a p h y p r o c e s s e s . F i g u r e 3 . 3 ( b ) s h o w s
N i m a s k , t h e p a t t e r n w a s d e f i n e d b y w e t e t c h i n g p r o c e s s o n t h i n n e d I n P s u b s t r a t e . T h e w a f e r c a r r i e r m u s t t o h a v e t h e s a m e t h e r m a l c o e f f i c i e n c y a s I n P , h i g h e r m e c h a n i c a l s t r e s s a n d c a n r e s i s t s o l v e n t , a c i d a n d i o n b o m b a r d s . T h e c a n d i d a t e h a s s a p p h i r e , g l a s s e s a n d S i C . T a b l e 3 . 2 l i s t s t h e t h e r m a l p r o p e r t i e s o f I n P , S i C , g l a s s e s a n d S a p p h i r e m a t e r i a l s . S a p p h i r e h a s a n a d v a n t a g e t h a t i t h a s a l m o s t t h e s a m e l i n e a r t h e r m a l e x p a n s i o n w i t h I n P . B u t S a p p h i r e h a s a d i s a d v a n t a g e o f p o o r t h e r m a l c o n d u c t i v i t y , s u b s t r a t e t h i c k n e s s i s l i m i t e d t o a v o i d t h e r m a l e f f e c t d u r i n g p r o c e s s i n g .
In this study samples were fabricated according to the process flow shown in Fig.3.1 to back side via mask. The wafers were then cut into 10 mm x 10 mm for etching experiment. Next step is to re-bond each sample on sapphire for dry etching experiment. The purpose is to conserve the InP wafers. Figure 3.4 shows the specimen process flow.
3 . 1 . 1 W a f e r B o n d i n g B e f o r e t h e w a f e r i s m o u n t e d f o r w a f e r t h i n n i n g , t h e w a f e r f r o n t s i d e m u s t b e p r o t e c t e d f i r s t . A f r o n t s i d e p r o c e s s e d 4 - i n c h d i a m e t e r I n P w a f e r w a s c o a t e d w i t h n o n - p h o t o s e n s i t i v e P o l y m e t h y l m e t h a c r y l a t e (P M M A ) , w h i c h c a n p r o t e c t t h e f r o n t s i d e c i r c u i t s w i t h o u t a n y c o n t a m i n a t i o n d u r i n g e n t i r e b a c k s i d e p r o c e s s . T h e n e x t w a s c o a t e d w i t h P e n t a l y n X r e s i n , w h i c h h a s h i g h e r s o f t e n i n g p o i n t o f 1 5 8 ℃ a n d h a s r e f l e c t i v e
i n d e x o f 1 . 5 4 . T h e n t h e w a f e r w a s b o n d e d a t 1 9 0 ℃ h o t p l a t e b y u s i n g d y n a t e x w a f e r b o n d e r . T h e d i a m e t e r 4 . 2 5 i n c h e s s a p p h i r e w a f e r w a s a s a c a r r i e r t o s u p p o r t 4 i n c h e s I n P w a f e r . T h e s a p p h i r e c a r r i e r w a s d e s i g n e d w i t h h o l e s t h a t c a n d e m o u n t t h e w a f e r s u f f i c i e n t l y . A l t h o u g h t h i c k e r s a p p h i r e c a n r e s i s t m e c h a n i c a l s t r a i n b u t i t w i l l e f f e c t t h e t h e r m a l c o n d u c t i o n . 1 m m o r l e s s i s m o r e p o p u l a r s p e c u s i n g i n c u r r e n t c o m p o u n d s e m i c o n d u c t o r F a b s . 3 . 1 . 2 W a f e r T h i n n i n g W a f e r g r i n d i n g p r o c e s s : A f t e r I n P w a f e r w a s b o n d e d o n t h e s a p p h i r e c a r r i e r , t h e n e x t s t e p i s t o t h i n d o w n t o 1 2 0 µ m b y u s e g r i n d e r . T h e g r i n d g r i t s i z e a n d f e e d i n g r a t e b o t h a r e v e r y i m p o r t a n t t o r e d u c e t h e s u r f a c e d a m a g e , r e s p e c t i v e l y . A t t h e l a s t 3 0 µ m , t h e f e e d i n g r a t e s h o u l d l o w e r t h a n 2 µ m / m i n . C h e m i c a l p o l i s h i n g p r o c e s s : W e t c h e m i c a l p o l i s h i n g i s n e c e s s a r y f o r r e l i e v i n g s t r e s s . I t n o t o n l y r e m o v e s t h e d a m a g e l a y e r b u t a l s o s m o o t h t h e s u r f a c e . T h e p o l i s h i n g b a t h i s o n e p a r t o f H C l a n d 1 p a r t o f H3P O4, w h i c h p o l i s h i n g r a t e i s ~ 2 . 5 µ m / m i n a t r o o m t e m p e r a t u r e . 3 . 1 . 3 B V M a s k
A f t e r t h e w a f e r w a s t h i n n e d d o w n t o 1 0 0 µ m , t h e n e x t s t e p i s t o d e p o s i t T i / N i o n t h e b a c k s i d e s u r f a c e . B e f o r e w a f e r l o a d i n g i n t o t h e e v a p o r a t o r , p r e - c l e a n i s n e c e s s a r y t o r e m o v e t h e o x i d a t i o n l a y e r [ 3 . 1 ] . T h e w a f e r w a s i m m e r s e d i n t o d i l u t e d H C l . W a f e r n e e d s t o b e l o a d e d i n t o t h e e v a p o r a t o r w i t h i n 2 0 m i n a f t e r p r e - c l e a n i n g . T h e c h a m b e r h a s t o b e p u m p e d d o w n t o 8 x 1 0- 7 t o r r b e f o r e m e t a l d e p o s i t i o n i n o r d e r t o e v a c u a t e m o i s t u r e a n d g a s r e s i d u e s . T h e e v a p o r a t e d N i m e t a l h a s v e r y h i g h f i l m s t r e s s s o t h e N i t h i c k n e s s a n d d e p o s i t i o n r a t e a r e i m p o r t a n t t o p r e v e n t t h i s i s s u e . I n m y s t u d y , t h e N i t h i n f i l m w i l l p e e l - o f f i f t h e N i t h i c k n e s s e x c e e d e d 5 , 0 0 0 Å a n d i f t h e d e p o s i t i o n r a t e i s h i g h e r t h a n 5 Å / s e c . T h e p o s i t i v e p h o t o r e s i s t a n d i - l i n e p r o x i m i t y c o n t a c t a l i g n e r w e r e u s e d t o d e f i n e v i a p a t t e r n s . N i w a s e t c h e d b y n i t r i c a c i d a t t h e e t c h i n g r a t e o f 2 , 0 0 0 Å / m i n a t r o o m t e m p e r a t u r e . A n d t h e u n d e r n e a t h T i w a s e t c h e d b y d i l u t e d B O E . 3 . 1 . 4 B a c k s i d e V i a d r y e t c h i n g G a s : H a l o g e n g a s e s , B C l3/ C l2 c o m p o s i t i o n , a r e t h e m a i n e t c h i n g g a s e s . T h e y h a v e b e e n u s e d i n G a A s w a f e r d r y e t c h i n g p r o c e s s f o r a t l e a s t t w e n t y y e a r s . T h e y d o n o t d a m a g e t h e g a s
d e l i v e r y s y s t e m s , c h a m b e r s a n d p u m p i n g s y s t e m s i f o p e r a t i n g p r o p e r l y . T h e d r y e t c h i n g t o o l c a n b e u s e d f o r b o t h G a A s a n d I n P w a f e r s u b s t r a t e s i n t h e s a m e c h a m b e r . T h e t o o l c a n n o t o n l y b e i m p r o v e d t h e c a p a b i l i t y b u t a l s o b e i m p r o v e d t h e f l e x i b i l i t y a s w e l l . T o o l : S T S I C P e t c h e r , w h i c h h a s 1 3 . 5 6 M H z I C P p o w e r , t h e m a x p o w e r i s 1 . 2 k W a n d h a s t h e s a m e f r e q u e n c y p l a t e n p o w e r , t h e m a x p o w e r i s 0 . 3 k W . T h e c h u c k c h i l l e r t e m p e r a t u r e c a n b e l o w e r d o w n t o - 4 0 º C a n d b e h i g h e r t o 1 6 0 º C . T h e B C l3 a n d C l2 g a s f l o w s w e r e v a r i e d f r o m 5 0 s c c m t o 2 0 0 s c c m , t h a t c a n b e o p t i m i z e d b o t h t h e e t c h i n g r a t e a n d e t c h i n g p r o f i l e . T h e e t c h i n g p r o f i l e o b t a i n s t o i s o t r o p i c i f t h e t o t a l g a s f l o w h a s C l2 r e a c h e d . T h e I C P p o w e r w a s v a r i e d f r o m 3 0 0 W t o 9 0 0 W t h a t h i g h e r I C P p o w e r i n d u c e s t h a t m o r e g a s m o l e c u l e s h a v e b e e n i o n i z e d a n d a l s o t h e p l a s m a t e m p e r a t u r e w i l l r i s e t o o b t a i n h i g h e r e t c h i n g r a t e . T h e p l a t e n p o w e r w a s v a r i e d f r o m 5 0 W t o 2 5 0 W t h a t h i g h e r p l a t e n p o w e r e n h a n c e s b o m b a r d o n f o r c e a n d r e s u l t s p h y s i c a l s p u t t e r i n g e f f e c t . T h e w o r k i n g p r e s s u r e w a s v a r i e d f r o m 1 0 m t o r r t o 3 0 m t o r r t h a t l o w e r c h a m b e r p r e s s u r e w i l l i n c r e a s e t h e m e a n f r e e p a t h o f e n e r g i z e d m o l e c u l e s a n d n a t u r a l s p e c i e s s o t h e s e l e c t i v i t y a n d e t c h i n g r a t e a l s o i n c r e a s e d . T h e c h u c k t e m p e r a t u r e w a s v a r i e d f r o m r o o m t e m p e r a t u r e t o 1 4 0 ℃ t h a t t h e h i g h e r c h u c k t e m p e r a t u r e h e l p s t h e e t c h i n g p r o d u c t s
v o l a t i l e a n d t h e n i n c r e a s e s t h e e t c h i n g r a t e . B e f o r e e a c h r u n , c h a m b e r w a s c l e a n e d b y o x y g e n p l a s m a a n d w a s c o n d i t i o n e d b y d u m m y r u n . T h e s p e c i m e n s w e r e s i t t i n g o n t h e c h u c k f o r 1 0 m i n b e f o r e d e l i v e r i n g R F p o w e r s . E t c h i n g t i m e s w e r e f i x e d a t 1 0 m i n . V i a p a t t e r n w a s 5 0 µ m . A l l s p e c i m e n s w e r e m e a s u r e d b y α - s t e p h e i g h t m e a s u r e m e n t t o o l a n d w e r e i n s p e c t e d u n d e r o p t i c a l m i c r o s c o p e a n d s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e a s w e l l . 3 . 1 . 5 B V C l e a n a n d S e e d - l a y e r S p u t t e r i n g T h e c l e a n p r o c e s s a f t e r B V e t c h i n g i s i m p o r t a n t t o r e m o v e a l l e t c h i n g p r o d u c t s . W a f e r s w e r e i m m e r s e d i n d i l u t e d h y d r o c h l o r i d e a c i d f o r 5 m i n t o r e m o v e r e s i d u e p r o d u c t s . A n d f o l l o w i n g i m m e r s e i n t o d i l u t e d n i t r i c a c i d a n d B O E t o r e m o v e t h e h a r d m a s k m e t a l s . B e f o r e s e e d l a y e r T i W / A u s p u t t e r i n g , a p r o p e r c l e a n i n g p r o c e s s i s n e c e s s a r y t o o b t a i n c l e a n o f b a c k s i d e s u r f a c e . D i l u t e d h y d r o c h l o r i d e a c i d c a n r e m o v e o x i d a t i o n l a y e r o n t h e s u b s t r a t e a n d f o l l o w b y Q D R t o w a s h r e s i d u e a c i d a w a y . A p p r o p r i a t e w a f e r d r y i n g p r o c e s s i s n e c e s s a r y t o a v o i d t h e w a t e r b e a d t r a p p i n g i n s i d e v i a h o l e s . H o t N2 s p i n d r y e r w a s u s e d f o r t h i s a p p r o a c h . 3 . 1 . 6 G o l d P l a t i n g • T h e n e x t s t e p i s g o l d p l a t i n g . T o i m p r o v e t h e
u n i f o r m i t y o f p l a t e d A u t h i c k n e s s i n t h e v i a s , w e o p t i m i z e d t h e p l a t i n g c u r r e n t a n d p l a t i n g l i q u i d f l o w c o n d i t i o n . F i g u r e 4 . 3 b s h o w s a c r o s s - s e c t i o n o f t h e I n P b a c k s i d e v i a a f t e r A u p l a t i n g . T h e d i a m e t e r a t t h e o p e n i n g o f t h e v i a w a s 5 0 µ m . V i a e t c h i n g w a s s t o p p e d a t t h e f r o n t s i d e A u s t a c k a n d t h e t h i c k n e s s o f p l a t e d A u w a s 5 µ m . T h e c u r r e n t d e n s i t y i s c o n t r o l l e d a t 0 . 1 A S D a n d t h e p l a t i n g l i q u i d i s c i r c u l a t i n g w i t h t h e f l o w o f 2 0 G P M . P u l s e c u r r e n t p l a t i n g a l s o c a n b e u s e d t o i n c r e a s e t h e A u t h i c k n e s s . T h e d u t y c y c l e i s t y p i c a l l y 1 0 : 9 0 . 3 . 1 . 7 B S P h o t o L i t h o g r a p h y , G o l d E t c h i n g a n d P R s t r i p i n g T h e 1 7 µ m t h i c k p h o t o r e s i s t w a s u s e d t o p r o t e c t t h e u n - e t c h e d m e t a l . G o l d m e t a l a r o u n d t h e v i a w i l l e x p o s e w i t h o u t p h o t o r e s i s t c o v e r e d i f t h e r e s i s t t h i c k n e s s i s l e s s t h a n 1 2 µ m . I - l i n e p r o x i m i t y c o n t a c t a l i g n e r w a s u s e d t o d e f i n e b a c k s i d e s t r e e t p a t t e r n s . G o l d e t c h i n g w a s d o n e b y u s i n g G E 8 1 4 8 g o l d e t c h a n t , t h e e t c h i n g r a t e o f t h e g o l d i s a b o u t 0 . 5 µ m p e r m i n . A g i t a t i o n i s r e q u i r e d f o r b e t t e r e t c h i n g u n i f o r m i t y . T h e u n d e r n e a t h T i W w a s r e m o v e d b y u s i n g p u r e H2O2 a t r o o m t e m p e r a t u r e . A C E c a n t h o r o u g h l y r e m o v e t h e p h o t o r e s i s t . O2 p l a s m a c l e a n w a s u s e d t o c l e a n a l l o r g a n i c
r e s i d u e s . 3 . 1 . 8 W a f e r D e m o u n t i n g T h e t r a d i t i o n a l w a f e r d e m o u n t p r o c e s s h a s l o w v i s u a l y i e l d p r o b l e m b e c a u s e o f b r e a k a g e , s c r a t c h e s a n d c o n t a m i n a t i o n i s s u e s . T h i n w a f e r h a n d l i n g p r o c e s s i s a n e s s e n t i a l s t e p f o r I n P w a f e r . P r o p e r f i x t u r e s u p p o r t i s n e c e s s a r y t o p r e v e n t l o w y i e l d p r o b l e m d u r i n g c l e a n i n g a n d h a n d l i n g s t e p s . T h e i d l e f o r t h e f i x t u r e d e s i g n i s t o r e d u c e t h e c o n t a c t a r e a a t b o t h f i x t u r e a n d w a f e r , a d e q u a t e c o n t a c t i s a l s o r e q u i r e d . T h e d e m o u n t f i x t u r e ( P a t e n t a p p l i c a t i o n n u m b e r 2 0 8 8 5 4 o f R O C w a s p u b l i c i n T a i w a n s i n c e A u g . 2 0 0 3 a n d a p p l i c a t i o n n u m b e r 5 8 2 4 0 6 i n C h i n a s i n c e O c t . 2 0 0 2 ) w a s i m p l e m e n t e d a t 4 i n c h e s a n d 6 i n c h e s w a f e r s s u c c e s s f u l l y . F i g u r e 4 . 1 1 s h o w s t h e s c h e m a t i c f i x t u r e d e s i g n . 3 . 2 S t u d y o f b a c k s i d e v i a i n d u c t a n c e m e a s u r e m e n t : T h e Z p a r a m e t e r s a r e d e r i v e d f r o m t h e S p a r a m e t e r s n o r m a l l y m e a s u r e d o n 2 p o r t n e t w o r k R F t e s t s y s t e m [ 2 . 6 ] . T h i s m e a s u r e m e n t f r o m 0 . 1 t o 1 9 . 9 G H z , a n d d o t y p i c a l l y s e e a s l i g h t d e c r e a s e i n L f o r h i g h e r f r e q u e n c i e s , d u e t o a s t r u c t u r e s t r a y i n d u c t a n c e . Z1 1= ( 1 + S1 1) / ( 1 - S1 1) ( 6 )
L = I m Z1 1/ j ω ( 7 )
I n t h e e q u a t i o n s , L i s v i a i n d u c t a n c e , ω = 2 π f , a n d f = m e a s u r e m e n t f r e q u e n c y .
Chapter4
R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n
T h e b e s t e t c h i n g c o n d i t i o n f o r 1 0 0 µ m I n P b a c k s i d e v i a h o l e e t c h i n g ; t h e g a s f l o w i s 1 6 0 s c c m B C l3 / 1 6 0 s c c m C l2 w i t h 2 0 m t o r r w o r k i n g p r e s s u r e a n d t h e w a f e r w a s s i t o n t h e 1 4 0 º C c h u c k a n d w i t h d e l i v e r i n g 9 0 0 w a t t s I C P p o w e r / 1 5 0 w a t t s p l a t e n p o w e r . T h e r e s u l t o f e a c h p r o c e s s s t e p o f t h e I n P w a f e r b a c k s i d e p r o c e s s a n d t h e e f f e c t o f d r y e t c h i n g c o n d i t i o n s a r e s h o w n i n t h i s c h a p t e r . T h e b a c k s i d e v i a R F i n d u c t a n c e r e s u l t i s a l s o a n d m e a s u r e d a n d d i s c u s s e d . 4 . 1 W a f e r B o n d i n g 3 µ m t h i c k n o n - p h o t o s e n s i t i v e P M M A w a s c o a t e d p r i m a r y o n t h e I n P w a f e r s u r f a c e . 1 5 µ m t h i c k r e s i n w a s c o a t e d o n t o t h e P M M A . T h e w a f e r a n d p e r f o r a t e d s a p p h i r e w e r e b o n d e d t o g e t h e r o n t h e 1 9 0 º C h o t p l a t e . T h e t o t a l t h i c k n e s s v a r i a t i o n i s l e s s t h a n 3 µ m . 4 . 2 W a f e r T h i n n i n g A f t e r I n P w a f e r w a s b o n d e d o n t h e s a p p h i r e c a r r i e r , t h e n e x t s t e p i s t o t h i n d o w n t o 1 2 0 µ m b y u s e g r i n d e r . T h e g r i n d g r i t s i z e i s # 6 0 0 a n d f e e d i n g r a t e s a r e 1 2 µ m p e r m i n f o r r o u g h g r i n d i n g a n d 2 µ m p e r m i n f o r f i n e g r i n d i n g ,r e s p e c t i v e l y . T h e p o s t g r i n d e d w a f e r w a s e t c h e d i n o n e p a r t o f H C l a n d o n e p a r t o f H3P O4, p o l i s h i n g s o l u t i o n , w h i c h p o l i s h i n g r a t e i s ~ 2 . 5 µ m / m i n a t r o o m t e m p e r a t u r e . F i g u r e 4 . 1 s h o w s t h e r e s u l t o f w a f e r s u b s t r a t e t h i c k n e s s a f t e r t h i n n i n g c a n b e c o n t r o l l e d w i t h i n + - 5 µ m a n d i t s C p k i s 1 . 3 3 . T h e a v e r a g e w a f e r t h i c k n e s s i s 1 0 0 µ m a n d t h e r a n g e o f w a f e r t h i c k n e s s i s l e s s t h a n 3 µ m . T h e s u r f a c e r o u g h n e s s a f t e r c h e m i c a l p o l i s h i n g i s 0 . 2 5 µ m , w h i c h w a s m e a s u r e d a t a l p h a s t e p h e i g h t m e a s u r e m e n t . 4 . 3 N i H a r d M a s k B e f o r e w a f e r l o a d i n g i n t o t h e e v a p o r a t o r , t h e w a f e r w a s i m m e r s e d i n t o d i l u t e d H C l f o r s u r f a c e c l e a n i n g . W h e n t h e c h a m b e r p r e s s u r e i s r e a c h e d t o 8 x 1 0- 7 t o r r , 5 0 0 Å t h i c k T i w a s f i r s t t o b e e v a p o r a t e d i n o r d e r t o i n c r e a s e t h e a d h e s i o n b e t w e e n I n P s u r f a c e a n d N i . 4 0 0 0 Å t h i c k N i w a s e v a p o r a t e d a t v e r y l o w d e p o s i t i o n r a t e i s a b o u t 2 Å / s e c . 9 x 1 09 d y n e s / c m2 t e n s i l e f i l m s t r e s s w a s m e a s u r e d a t f i l m s t r e s s m e a s u r e m e n t g a u g e . T h e N i e t c h i n g r a t e i s a b o u t 2 0 0 0 Å / m i n b y u s i n g 5 0 % d i l u t e d H N O3 a c i d . T h e T i e t c h i n g r a t e i s 7 5 0 Å / m i n b y u s i n g 2 % d i l u t e d H F a c i d . F i g u r e 4 . 2 s h o w s t h e N i u n d e r c u t i s 0 . 2 4 µ m a n d T i i s 0 . 7 2 µ m , r e s p e c t i v e l y .
4 . 4 B a c k s i d e V i a e t c h i n g T h e b e s t e t c h i n g c o n d i t i o n f o r 1 0 0 µ m I n P b a c k s i d e v i a h o l e e t c h i n g ; t h e g a s f l o w i s 1 6 0 s c c m B C l3 / 1 6 0 s c c m C l2 w i t h 2 0 m t o r r w o r k i n g p r e s s u r e a n d t h e w a f e r w a s s i t o n t h e 1 4 0 º C c h u c k a n d w i t h d e l i v e r i n g 9 0 0 w a t t s I C P p o w e r / 1 5 0 w a t t s p l a t e n p o w e r . A f t e r t h e w a f e r w a s e t c h e d f o r 1 0 0 m i n , t h e 1 0 0 µ m d e e p v i a w a s o b t a i n e d . T h e b o t t o m v i a d i a m e t e r i s a b o u t 5 0 µ m a n d t h e t o p d i a m e t e r i s a b o u t 9 0 µ m , r e s p e c t i v e l y . A n d i t s p r o f i l e w a s p e r f e c t e d r o u n d c y l i n d e r w i t h v e r t i c a l s h a p e , w h i c h i s t h e b e s t r e s u l t f o r t h e b a c k s i d e m e t a l p l a t i n g . F i g u r e 4 . 3 ( a ) s h o w s t h e t o p v i e w o f t h e e t c h e d v i a , w h i c h w a s e t c h e d 5 0 µ m d e p t h . T h e u n d e r c u t i s a b o u t 1 0 µ m . A s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 4 . 3 ( b ) , t h e v e r t i c a l a n d t a p e r e d v i a h o l e s w e r e r e a d i l y p r o d u c e d . T h e r e s u l t a l s o r e v e a l e d t h e p o s s i b i l i t y o f i n c r e a s i n g I n P b a c k s i d e v i a e t c h r a t e 1 . 2 µ m / m i n . 4 . 4 . 1 E f f e c t o f t h e c h l o r i n e p e r c e n t a g e F i g u r e 4 . 4 s h o w s t h e e t c h i n g r a t e o f I n P v . s . p e r c e n t a g e v o l u m e o f c h l o r i n e i n B C l3/ C l2 p l a s m a . T h e e t c h i n g r a t e i n c r e a s e s w h e n c h l o r i n e f l o w r a t e i n c r e a s e s . T h e l o w e r C l2 g a s f l o w r e p r e s e n t s 0 . 1 µ m / m i n l o w e r e t c h i n g r a t e b e c a u s e o f t h e i n h i b i t o r s s t a r t t o f r o m o n t h e s u b s t r a t e s u r f a c e , w h i c h l i m i t s t h e e t c h a n t a b s o r b o n t o t h e s u r f a c e . T h e o t h e r h a n d , t h e h i g h e r C l2 g a s f l o w r e p r e s e n t s 1 . 3 µ m / m i n h i g h e r e t c h i n g r a t e b u t t h e p r o f i l e i s m o r e i s o t r o p i c .
4 . 4 . 2 E f f e c t o f I C P p o w e r v a r i a t i o n F i g u r e 4 . 5 ( a ) s h o w s t h e e t c h i n g r a t e o f I n P v . s . I C P p o w e r . H i g h e r I C P p o w e r i n c r e a s e s i o n p l a s m a d e n s i t y s o t h e e t c h r a t e i n c r e a s i n g . T h e c o n t r i b u t i o n o f t h e h i g h e r e t c h i n g r a t e i s d u e t o t h e m o r e i o n p l a s m a d e n s i t y a n d m o r e p l a s m a t e m p e r a t u r e i n t r o d u c e d a t h i g h e r I C P p o w e r . W e c a n a c h i e v e 1 . 2 µ m / m i n e t c h i n g r a t e w h e n t h e I C P p o w e r s e t t i n g i s 9 0 0 W . F i g u r e 4 . 5 ( b ) s h o w s t h e w a f e r t e m p e r a t u r e a s a f u n c t i o n o f I C P p o w e r , t e m p e r a t u r e w a s r e c o r d e d b y u s i n g T L - E - 2 5 0 a n d T L - E - 3 3 0 t e m p e r a t u r e d o t i n d i c a t o r s t h a t w e r e t a p e d o n t h e w a f e r s u r f a c e . 4 . 4 . 3 E f f e c t o f c h u c k t e m p e r a t u r e a n d w o r k i n g p r e s s u r e F i g u r e 4 . 6 ( a ) s h o w s t h e e t c h i n g r a t e o f I n P v a r i e s c h u c k t e m p e r a t u r e . T e m p e r a t u r e i s t h e m o s t i m p o r t a n t v a r i a b l e f o r i m p r o v i n g e t c h r a t e a n d s e l e c t i v i t y . I n o r d e r t o r e m o v e t h e I n C l x p r o d u c t s , t h e s u r f a c e t e m p e r a t u r e h a s t o i n c r e a s e t o a b o v e 1 4 0 ℃ , w h i c h i n c r e a s e s t h e a c t i v a t i o n e n e r g y . A t 1 4 0 ° C i t i s p o s s i b l e t o o b t a i n a n e t c h r a t e u p t o 1 . 2 µ m / m i n . A t r o o m t e m p e r a t u r e , t h e I n P c a n ’ t b e e t c h e d e v e n a t l o w w o r k i n g p r e s s u r e . T h e r e a s o n i s t h e e t c h i n g p r o d u c t s s t i l l a b s o r b o n t h e s u r f a c e s i n c e t h e t e m p e r a t u r e c a n ’ t r e a c h v o l a t i l e p o i n t . W h e n t h e c h u c k t e m p e r a t u r e w a s s e t a t 1 4 0 º C w e c a n a c h i e v e 1 . 2 µ m / m i n e t c h i n g r a t e a t 2 0
m t o r r w o r k i n g p r e s s u r e a n d 2 . 0 µ m / m i n e t c h i n g r a t e a t 1 0 m t o r r w o r k i n g p r e s s u r e , r e s p e c t i v e l y . F i g u r e 4 . 6 ( b ) s h o w s t h e e t c h i n g r a t e a s a f u n c t i o n o f t h e w o r k i n g p r e s s u r e . B e c a u s e o f t h e m e a n f r e e p a t h o f m o l e c u l e a n d n a t u r e s p e c i e s i n c r e a s e t h e l i f t t i m e o f t h e e t c h a n t . F i g u r e 4 . 7 s h o w s t h e S E M m i c r o g r a p h o f v i a p r o f i l e s w h e n w e r e e t c h e d u n d e r d i f f e r e n t w o r k i n g p r e s s u r e s , 1 0 m t o r r , 2 0 m t o r r a n d 3 0 m t o r r . T h e u n d e r c u t w a s s i g n i f i c a n t w h e n i n c r e a s i n g t h e w o r k i n g p r e s s u r e . M a i n t a i n i n g t h e p l a s m a d e n s i t y a n d u n i f o r m i t y a t h i g h p r e s s u r e i s v e r y i m p o r t a n t f o r a c h i e v i n g a h i g h e t c h r a t e . A h i g h p r e s s u r e m e a n s t h a t t h e r e i s a n a b u n d a n c e o f t h e r e a c t i v e s p e c i e s a v a i l a b l e . E n e r g e t i c f r e e e l e c t r o n s w i t h i n t h e p l a s m a i m p a c t w i t h t h e h e a v i e r C l - c o n t a i n i n g m o l e c u l e s , b r e a k i n g t h e c h e m i c a l b o n d s a n d t h e r e b y r e l e a s i n g c h a r g e d C l r a d i c a l s f o r e t c h i n g . 4 . 4 . 4 E f f e c t o f p l a t e n p o w e r v a r i a t i o n U s i n g a p l a t e n p o w e r m e a n s t h a t t h e e t c h a n t r a d i c a l s a r e a c c e l e r a t e d v e r t i c a l l y d o w n o n t o t h e s u b s t r a t e , s o f e a t u r e s w i t h h i g h a s p e c t r a t i o s s u c h a s v i a h o l e s c a n b e e t c h e d . F i g u r e 4 . 8 s h o w s t h e e t c h i n g r a t e o f I n P v a r i e s p l a t e n p o w e r . T h e e t c h i n g r a t e i n c r e a s e s w h e n p l a t e n p o w e r i n c r e a s e s . T h e i o n f l u x i n d u c e s t h e s p u t t e r i n g y i e l d , w h i c h r e s u l t s m u c h m o r e b o m b a r d m e n t e t c h i n g . T h e e t c h i n g r a t e i s s l i g h t l y i n c r e a s e a t t h e h i g h e r w o r k i n g p r e s s u r e b e c a u s e o f t h e p r o d u c t s c a n ’ t d i f f u s e a w a y f r o m t h e s u r f a c e a n d s l o w t h e e t c h a n t s a b s o r b o n t o t h e s u r f a c e t o f o r m p r o d u c t . T h e m a x i m u m e t c h i n g r a t e a t 2 5 0 W h i g h e r p l a t e n p o w e r i s o n l y 1 µ m / m i n . T h e e t c h i n g
