深層反応性イオンエッチング

深掘り反応性イオンエッチング（DRIE ）は、反応性イオンエッチング（RIE）の特殊なサブクラスです。このエッチングプロセスは、ウェーハや基板に、通常は高アスペクト比で、深い浸透と急勾配の穴や溝を作成するために使用される高度に異方性の エッチングプロセスを可能にします。このエッチングプロセスは、これらの機能を必要とするマイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）用に開発されましたが、 DRAM用の高密度コンデンサ用の溝を掘るためにも使用され、最近では高度な3Dウェーハレベルパッケージング技術で シリコン貫通ビア（TSV ）を作成するためにも使用されています。

DRIE では、基板をリアクター内に配置し、いくつかのガスを導入します。ガス混合物にプラズマを発生させ、ガス分子をイオンに分解します。イオンは加速されてエッチング対象の材料の表面と反応し、別のガス要素を形成します。これは、反応性イオン エッチングの化学的な部分として知られています。また、イオンに十分なエネルギーがあれば、化学反応を起こさずにエッチング対象の材料から原子を叩き出すことができる物理的な部分もあります。

高速度 DRIE には、極低温法とボッシュ法という 2 つの主な技術がありますが、ボッシュ法のみが唯一認められている製造技術です。ボッシュ法と極低温法はどちらも 90° (真に垂直) の壁を製造できますが、壁は 88° (「凹角」) や 92° (「逆行」) など、わずかに先細りになることがよくあります。

もう一つのメカニズムは側壁パッシベーションです。SiO _x F _y 官能基（六フッ化硫黄と酸素エッチングガスから生成）が側壁に凝縮し、側壁を横方向のエッチングから保護します。これらのプロセスを組み合わせることで、深い垂直構造を作成できます。

極低温 DRIE では、ウェハは -110 °C (163 K ) に冷却されます。低温により、等方性エッチングを生成する化学反応が遅くなります。ただし、イオンは上向きの表面に衝突し続け、エッチングされます。このプロセスにより、垂直な側壁を持つトレンチが生成されます。極低温 DRIE の主な問題は、基板上の標準マスクが極寒で割れることと、エッチング副産物が最も近い冷たい表面、つまり基板または電極に堆積する傾向があることです。

ボッシュプロセスは、特許を取得したドイツの会社ロバート・ボッシュGmbHにちなんで名付けられ、 ^{[1] [2] [3] [4] [5] [6]} パルスエッチングまたは時間多重エッチングとしても知られ、2つのモードを繰り返し切り替えてほぼ垂直な構造を実現します。

1. 標準的な、ほぼ等方性の プラズマエッチング。プラズマにはいくつかのイオンが含まれており、ほぼ垂直方向からウェハを攻撃します。シリコンには六フッ化硫黄[SF ₆ ] がよく使用されます。
2. 化学的に不活性な不活性化層の堆積。（例えば、オクタフルオロシクロブタン[C ₄ F _{8 ] 原料ガスは}テフロンに似た物質を生成します。）

各段階は数秒間続きます。パッシベーション層は基板全体をさらなる化学攻撃から保護し、エッチングがさらに進むのを防ぎます。ただし、エッチング段階では、基板に衝突する方向性イオンがトレンチの底部にあるパッシベーション層を攻撃します (側面には影響しません)。イオンはパッシベーション層に衝突してスパッタリングし、基板を化学エッチング剤にさらします。

これらのエッチング/堆積ステップは何度も繰り返され、その結果、エッチングされたピットの底部でのみ、多数の非常に小さな等方性エッチングステップが発生します。たとえば、0.5 mm のシリコン ウェハをエッチングするには、100 ～ 1000 回のエッチング/堆積ステップが必要です。この 2 段階のプロセスにより、側壁は約 100 ～ 500 nmの振幅で波打つようになります。サイクル時間は調整可能で、サイクルが短いほど壁は滑らかになり、サイクルが長いほどエッチング速度が速くなります。

エッチングの深さは通常、アプリケーションによって異なります。

• DRAMメモリ回路では、コンデンサのトレンチの深さは10～20μmになることがある。
• MEMS では、DRIE は数マイクロメートルから 0.5 mm までのあらゆるものに使用されます。
• 不規則なチップダイシングでは、DRIEを新しいハイブリッドソフト/ハードマスクと組み合わせて使用​​することで、サブミリメートルのエッチングを実現し、シリコンダイを不規則な形状のレゴのようなピースにダイシングします。^{[7] [8] [9]}
• フレキシブルエレクトロニクスでは、DRIEはシリコン基板の厚さを数～数十マイクロメートルに減らすことで、従来のモノリシックCMOSデバイスをフレキシブルにするために使用されています。^{[10] [11] [12] [13] [14] [15]}

DRIE はエッチングの深さによって RIE と区別されます。RIE ( IC製造で使用される) の実際のエッチング深さは、最大 1 μm/分の速度で約 10 μm に制限されますが、DRIE は、一部のアプリケーションでは最大 20 μm/分以上の速度で最大 600 μm 以上のフィーチャをエッチングできます。

ガラスの DRIE には高いプラズマ出力が必要なため、真に深いエッチングに適したマスク材料を見つけるのは困難です。10～50 μm のエッチング深さにはポリシリコンとニッケルが使用されます。ポリマーの DRIE では、SF ₆エッチングと C ₄ F ₈パッシベーションを交互に行うボッシュ プロセスが行われます。金属マスクを使用することもできますが、追加のフォト プロセスと堆積プロセスが常に必要になるため、高価になります。ただし、化学増幅ネガティブ レジストを使用する場合は、さまざまな基板 (Si [最大 800 μm]、InP [最大 40 μm]、またはガラス [最大 12 μm]) で金属マスクは必要ありません。

ガリウムイオン注入は、クライオDRIEのエッチングマスクとして使用できます。集束イオンビームとクライオDRIEを組み合わせたナノ加工プロセスは、N Chekurovらによる論文「局所ガリウム注入と極低温深部反応性イオンエッチングによるシリコンナノ構造の製造」で初めて報告されました。^[16]

DRIEにより、高級腕時計にシリコン製の機械部品を使用できるようになりました。カルティエのエンジニアによると、「DRIEでは幾何学的形状に制限はありません」。^[17] DRIEを使用すると、30以上のアスペクト比を実現できます。 ^[18]つまり、表面にその幅の30倍の深さの垂直壁の溝をエッチングできるということです。

これにより、ひげゼンマイなど、通常は鋼で作られる一部の部品をシリコン部品で置き換えることが可能になりました。シリコンは鋼よりも軽くて硬いため、利点はありますが、製造プロセスがより困難になります。

• マイクロエレクトロメカニカルシステム