Ätzverfahren: Klassifikation

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1 Ätzverfahren: Klassifikation Ätzen ist eine Verfahrensgruppe zur subtraktiven Strukturerzeugung in dem, von einem geschlossen vorhandenen oder abgeschiedenen Funktionsmaterial, ial, lokal ein Teil entfernt wird. Ätzverfahren Naßätzen Trockenätzen Auflösen Chemisches Ätzen Elektrochemi- sches Ätzen Physikali- sches Trok- kenätzen Chemische Trocken- ätzen Chemisch- Physikali- sches Trok- kenätzen 1

2 Ätzverfahren: Klassifikation Ätzen Naßätzen Trockenätzen Stromloses elektroche misches Ätzen Elektro- chemisches Ätzen Fotoelektro chemisches Ätzen Elektronen- strahlätzen Gasphasen- ätzen Plasma- ätzen Ionenätzen Laserätzen Reaktives Ionenätzen Ionenstrahlätzen Sputtern Chemisch unterstütztes Ionenstrahlätzen Reaktives Ionenstrahlätzen 2

3 Ätzverfahren: Kenngrößen (1) Ätzrate r = Ätztiefe Ätzzeit = Δz Δt (2) Anisotropie r vertikale Ätzrate horizontale Ätzrate = vertikale Ätzrate = r v r r v h (3) Selektivität Ätzrate des Materials1 S 12 = = Ätzrate des Materials2 r r 1 2 3

4 Ätzverfahren: Isotropes und Anisotropes Ätzen Isotropes Ätzen Isotropes Ätzen mit chemischer Selektivität Kristallografische anisotropes Ätzen Prozeßinduziertes anisotropes Ätzen 4

5 Ätzverfahren: Naßchemisches Ätzen Naßätzen Tauchätzen Sprühätzen Ätzmechanismus im gesamtstromlosen Ätzen Oxidation (Anodischer( Partialprozeß): M o + x h + M x+ (M o M x+ + x e - ) Reduktion (Kathodischer( Partialprozeß): R o R x- + x h + (R o + x e - R x- ) Summe: M o + R o M x+ + R x- Komplexbildung mit ungeladenen Liganden: Komplexbildung mit anionischen Liganden: Passivierung: M + m Y [MY m ] + + m e - M + + m Y [MY m ] + M + n X - [MX n ] - + (n-1) e - M + + X - D 5

6 Ätzverfahren: Naßchemisches Ätzen Schematische Darstellung von naßchemischen Ätzbänken 6

7 Ätzverfahren: Naßchemisches Ätzen Isotropes Ätzen Siliziumätzrate in Mikrometer pro Minute und Oberflächenmorphologie als Funktion der Zusammensetzung für HF-HNO HNO 3 -H 2 O Gemische 7

8 Schichtabscheidung: Aufdampfen Isotropes Ätzen: HF-HNO HNO 3 -H 2 O Primäroxidantbildung: Lochgeneration: Siliziumoxidation: H 2 O OH - + H + HNO 2 + HNO 3 N 2 O 4 + H 2 O N 2 O 4 2 NO 2 2 N 2 O 2 N 2 O h + 2 N 2 O H + 2 HNO 2 Si + 2h + Si + Si OH - Si(OH) 2 Si(OH) 2 SiO 2 + H 2 Komplexbildung: SiO HF H 2 SiF H 2 O Summenreaktion: Si + HNO HF H 2 SiF 6 + HNO 2 + H 2 O + H2 8

9 Ätzverfahren: Naßätzen Isotropes Ätzen: HF-HNO HNO 3 -H 2 O/CH 3 COOH Abhängigkeit der Ätzrate von der Temperatur der Lösung 20%HF- 45%HNO 3-35%CH 3 COOH Siliziumätzrate als Funktion der Konzentra- tion von 70% HNO 3 mit unterschiedlichen Wasserbeimengungen als Parameter 9

10 Ätzverfahren: Naßätzen Anisotropes Ätzen: Ethyldiamin Brenzkatechin Wasser NH 2 (CH 2 ) 2 NH 2 C 6 H 4 (OH) 2 H 2 O Primäroxidantbildung: : NH 2 (CH 2 ) 2 NH 2 + H 2 O NH 2 (CH 2 ) 2 NH OH - Siliziumoxidation: Si + 2 OH H 2 O Si(OH) H 2 Komplexbildung: Si(OH) C 6 H 4 (OH) 2 (Si(O 2 C 6 H 4 ) 3 ) H 2 O Summenreaktion: 2 NH 2 (CH 2 ) 2 NH 2 + Si + 3 C 6 H 4 (OH) 2 2 NH 2 (CH 2 ) 2 NH (Si(O 2 C 6 H 4 ) 3 ) H 2 10

11 Ätzverfahren: Naßätzen Anisotropes Ätzen: Ethyldiamin Brenzkatechin Wasser Maximale Löslichkeit von Si in EDP-Lösung Typ B und F bezogen auf 1 l Ätzflüssigkeit Vertikale Ätzrate als Funktion der Tempe- ratur für die Hauptkristallebenen (100), (110) und (111) in einer EDP-Lösung Typ S 11

12 Ätzverfahren: Naßätzen Anisotropes Ätzen: Ethyldiamin Brenzkatechin Wasser Laterales Unterätzen auf (100) (a) und (110) orientierten Siliziumscheiben als Funktion des Winkels auf der Scheibe (EDP Lösung A bei 95 C) 12

13 Ätzverfahren: Naßätzen Anisotropes Ätzen: Ethyldiamin Brenzkatechin Wasser p < cm -3 p > cm -3 Siliziumätzrate auf (100) und (110) Scheiben als Funktion der Bordotierung (EDP Typ S bei 49 C) 13

14 Ätzverfahren: Naßätzen Ätzmorphologien: Si 14 Strukturelemente und Maskenpositionierung beim anisotropen Ätzen auf (100) und (110) Si-Substraten

15 Ätzverfahren: Naßätzen Ätzmorphologien: GaAs Schematische Darstellung der Grabenprofile auf (001) Oberflächen bei Orientierung dr Maskenkanten in orthogonalen <110> Richtungen für A- Typ Anisotropie (durchgezogen) und B-Typ Anisotropie (gestrichelt) 15

16 Ätzverfahren: Trockenätzen Elementare Prozesse in Trockenätzreaktoren (1) Anregung A 2 + e - A * 2 + e - (2) Dissozziation A 2 + e-e 2 A + e - (3) Elektronenaufnahme A 2 + e - A - 2 (4) Dissoziative Elektronen Aufnahme A 2 + e - A + A - (5) Ionisation A 2 + e - A e - (6) Photoemission A 2* A 2 + hν (7) Abstraktion 16 A +B 2 AB + B

17 Ätzverfahren: Trockenätzen Reaktoren Barrelreaktor 17

18 Ätzverfahren: Trockenätzen Reaktoren Parallelplattenreaktor 18

19 Ätzverfahren: Trockenätzen Reaktoren Hochdichte Plamareaktoren Reaktoren mit separierter Plasmakammer 19

20 Ätzverfahren: Trockenätzen Ätzratenabhängigkeit Ätzrate als Funktion des Gasdurchsatzes Ätzrate als Funktion des Reaktordruckes 20

21 Ätzverfahren: Trockenätzen Maskeneffekt Schematische Darstellung der Maskenerrosion und anschließender Facetierung des ursprünglich durch die Maske geschützten Materials 21

22 Ätzverfahren: Trockenätzen Maskeneffekt Verhinderung von Redepositionseffekten durch Maskengestaltung 22

23 Ätzverfahren: Trockenätzen Plasma Morphologie - Effekte Aufladungsladungs- und Transporteffekte beim trockenchemischen Ätzen 23

24 Ätzverfahren: Trockenätzen Plasma Morphologie - Effekte Mikrograbenbildung (Trenching( Trenching) ) in Trockenätzprozessen 24

25 Ätzverfahren: Trockenätzen Plasma Morphologie - Effekte Herausbildung von Füßen durch Abschattungseffekte 25

26 Ätzverfahren: Trockenätzen Plasma Morphologie - Effekte Geometrietransformation durch Facettenbildung als Folge der winkelabhängigen Zerstäubungsrate 26

27 Ätzverfahren: Trockenätzen Plasma Morphologie - Effekte Morphologiesteuerung (Mikrograbenausbildungsverhinderung) durch Ausnutzen der winkelabhängigen Zerstäubungsrate 27

28 Literatur [1] M. Köhler, Ätzverfahren für die Mikrotechnik, Wiley-VCH, Weinheim, 1998 (69 ELT ZN 4150 K77). [2] S.A. Campbell, The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, Oxford Univ. Press., New York, 2001 (69 ELT ZN 4100 C19(2)). [3] D. Widman,, H. Mader, D. Friedrich, Technologie hochintegrierter Schaltungen, Springer-Verlag, Berlin, 1996 (69 ELT ZN 4100 W641(2)). [4] I. Ruge,, Halbleiter Technologie, Springer-Verlag, Berlin u.a., 1991 (69 ELT ZN 4100 R928(3)). [5] W. von Münch, Einführung in die Halbleitertechnologie, B.G. Teubner, Stuttgart, 1993 (79 ELT ZN 4100 M948+4). [6] K. Sangwal, Etching of Crystals: Theory, experiment and application,, North- Holland, 1987 (55 PHY UQ 2800 S226). [7] G. Franz, Niederdruckplasmen und Mikrostrukturtechnik, Springer Verlag, Berlin (69 ELT ZN 4136 F837(3)). 28