Ätztechniken für die Mikrostrukturierung

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1 Ätztechniken für die Mikrostrukturierung Scheinseminar des Inst. Techn. Physik II & des Instituts für Optik im SS Roland Schurr

2 Übersicht I. Motivation - Historische Entwicklung - Vorteile des Ätzens gegenüber mech. Verfahren II. Allgemeine Grundlagen - Grundprinzip - Grundbegriffe des Ätzens - Auswahl des Ätzverfahrens III. IV. Ätzverfahren - Nassätzen - Trockenätzen & Trockenätzverfahren Zusammenfassung

3 Historische Entwicklung Frühgeschichte : aggressive Flüssigkeiten aus der Natur (Milch- u. Zitronensäure, Essig) Mittelalter : Alchemisten entwickeln hochaggressive Mineralsäuren (Salz-,Schwefel- u. Salpetersäure) Systematische Bearbeitung von Oberflächen durch Ätzprozesse (Kunst u. Kunsthandwerk, Waffen- u. Rüstungsverzierung) bis heute wesentliche Komponenten der mikrolithografischen Ätztechniken

4 Vorteile des Ätzens gegenüber mech. Verfahren keine Randwulste, Spanreste o.ä. präzise Formgebung unterschiedlichster Materialien - Nichtmetalle ätzbar durch Flußsäure Abtragung Molekül für Molekül - extrem hochauflösend (Tiefe, lateral) - Grenze erst bei Annäherung an atomare Dimensionen

5 II. Allgemeine Grundlagen Grundprinzip Grundbegriffe des Ätzens Auswahl des Ätzverfahrens

6 Grundprinzip t = 0 Funktionsschicht Substrat Maske Relieferzeugung unter Verwendung einer ätzmittelresistenten Maske t = t 1 Abtragungsprozess durch Phasenübergang v. Atomen aus fester in bewegl. Phase Strukturabmessungen bis zu 10 nm möglich t = t 2

7 Grundbegriffe des Ätzens Transportprozesse Ätzrate Selektivität Isotropes & Anisotropes Ätzen Zustand der Oberfläche Prozessgeschwindigkeit Zeitbedarf

8 Transportprozesse 1) Antransport der ätzenden Teilchen zur Oberfläche aus bewegl. Phase (1) (2) (3) 2) WW-Prozess an der Festkörperoberfläche - Stossprozess - chem. Reaktion Festkörper 3) Abtransport der gelösten Teilchen in bewegl. Phase - Impulsübertragung (Vakuum) -Diffusion geätzte Struktur

9 Ätzrate Ätzrate r r=h ätz / t ätz h ätz... abgetragene Materialdicke t ätz... Einwirkungsdauer des Ätzprozesses mehrere Materialien im Bearbeitungsobjekt - Ätzratenverhältnis Ätzrate abhängig von Geometrie der Struktur und Morphologie des Materials

10 Selektivität ideal : nur eine Komponente wird angegriffen Ätzmedium wirkt meist nicht spezifisch auf ein Material, sondern besitzt Selektivität Ätzselektivität S ätz = r/ r res r... Ätzrate des zu strukturierenden Materials r res... Ätzrate des nicht abzutragenden Materials für bestimmte Prozesse erwünscht (kont. Strukturen)

11 Bsp. für kontinuierliche Struktur (Quelle : Institut für Optik, FAU Erlangen)

12 Isotropes & Anisotropes Ätzen Isotropes Ätzen Maske Maske Funktionsschicht t=0 Anisotropes Ätzen Maske Maske Funktionsschicht Unterätzen Aspektverhältnis max. 0,5 t=t 1 Aspektverhältnis >1 mögl.

13 Zustand der Oberfläche Oberflächenverunreinigungen, Partikel oder sonstige Störungen : - günstiger Fall: höhere o. ebenso hohe Ätzrate - ungünstiger Fall: deutlich niedrigere Ätzrate - fatal : Störungen lassen sich durch Ätzverfahren gar nicht abtragen

14 Beispiele für Störungen (Quelle : Institut für Optik, FAU Erlangen)

15 Prozessgeschwindigkeit Geschwindigkeit des Ätzprozesses bestimmt durch langsamsten der 3 Transportprozesse transportkontollierte Ätzprozesse - Antransport d. Reaktionspartner zur Festkörperoberfl. - Abtransport d. Reaktionspartner von Festkörperoberfl. grenzflächenkontrollierte Ätzprozesse - abh. vom Grenzflächenprozess (z.b. Komplexbildung)

16 Zeitbedarf Abstimmung auf Nachbarprozesse bei geeignetem nasschem. Ätzverfahren und einer Schichtdicke von ~1µm Zeiten zw. 10s u. 1min mögl. phys.-chem. Grenzen bei größeren Schichtdicken und Trockenätzprozessen Materialdicke, Tiefenätzen, Strukturierung Start- und Schlussphase (Einstellung des Gleichgew.)

17 Auswahl des Ätzverfahrens chemische Eigenschaften des abzutragenden Materials chemische Eigenschaften der freiliegenden und nicht abzutragenden Materialien wesentliche Auswahlkriterien : - Rate und Selektivität des Abtrags - sich ergebende Geometrien

18 III. Ätzverfahren Nassätzen Trockenätzen Trockenätzverfahren

19 Grundprinzip des nasschemischen Ätzens Abtrag an der Phasengrenze fest-flüssig i.allg. höhere Selektivität als Trockenätzverfahren - spez. WW zwischen Bestandteilen der Flüssigkeit und dem Festkörper bestimmen Auflösungsrate Reaktionspartner in hoher Konzentration Abtragungsrate über weite Bereiche einstellbar Anwendung in der Dünnschichttechnik und der 3D- Bearbeitung flacher Objekte

20 Probleme Ätzprodukte werden in der Ätzflüssigkeit angereichert - Gehalt von Reaktionspartnern sinkt - Verringerung der Ätzraten Bildung von störenden Deckschichten (Passivierung) nur isotrope Ätzverfahren

21 Übersicht naßchem. Ätzverfahren Ätzbad mit komplexierenden/ solvatisierenden Spezies Gegenelektrode Stromversorgungsgerät Oxidationsmittel im Ätzbad Bestrahlung des Substrates Substrat als Anode geschaltet I - U + Elektrolyt Außenstromloses Ätzen Photochemisches Ätzen Photoelektrochemisches Ätzen Elektrochemisches Ätzen Referenzelektrode zu ätzendes Substrat (als Arbeitselektrode) Elektrochemisches Ätzen unter Potentialkontrolle

22 Trockenätzen alle Ätzverfahren mit Materialabtrag an Phasengrenze fest-gasförmig Phys. Prozess o. chem. Umwandlung in Moleküle - Desorption von Oberfläche in bewegliche Phase Konzentration reaktiver chem. Komponenten in Gasphase viel geringer

23 Abtragungsmechanismen Gasraum Festkörper ( phys. Ätzen ) Gasraum Festkörper 1. Übertragung in Gasraum durch mech. Impuls 2. Umwandlung in flüchtige Spezies (chem. Reaktion) abpumpen der Reaktionspartner reaktive Gaskomponenten nachliefern ( chem. Ätzen )

24 Vorteile in Gasphase effiziente Transportmechanismen mögl. ätzende Teilchen können durch gerichtete Bewegung auf Oberfläche gebracht werden (anisotropes Ätzen) im Gasraum sehr starke Beschleunigung möglich Bildung von Plasmen mit hohem Anteil sehr reaktiver Spezies mögl. - hohe Reaktionsgeschw. & akzeptable Ätzraten

25 Anforderungen an Prozess abzutragendes Material muss mit Ätzgas desorbierbare Spezies bilden können keine schwer desorbierbaren Nebenprodukte dürfen entstehen (lokale Maskierung) möglichst hohe Selektivität des Ätzprozesses bei vielen Prozessen zusätzlich Richtungsselektivität Reaktion innerhalb technisch vernünftiger Zeiten

26 Trockenätzverfahren Ätzen in reaktiven Gasen - Laserscanning-Ätzen - Elektronenstrahlgestütztes Ätzen Plasmaätzen Ionenätzen - Sputterätzen und reaktives Ionenätzen - Ionenstrahlätzen (chem. unterstütztes reaktives)

27 Ätzen in reaktiven Gasen Prozess ohne Plasma Gas-Versorgung Heizbarer Substrattisch Gasabführung für Prozesskontrolle Sonde für Ätzprodukte Vakuum-System hohe Reaktionswahrsch.keit rasch desorbierbare Produkte Isotroper Prozess Verwendung zur Strukturierung in der Mikrotechnik und zur Entfernung von Oberflächenfilmen

28 Laserscanning-Ätzen Anlage zum direktschreibenden lasergestützten Ätzen (chem. Reaktion) Strahlaufweiter Laser Modulator Aktivierung des Ätzprozesses (hohe Lichtintensität auf sehr kleiner Fläche) unmittelbare Erzeugung von Mikrostrukturen ( bis zu 0,2 µm) Objektiv Substrat xy-tisch Vakuumsystem Kontrolleinrichtung Leistungsmesser Gasversorgung

29 Elektronenstrahlgestütztes Ätzen Oberfläche durch e - mit kin. Energie (10eV-30 kev) weit oberhalb der chem. Bindungsenergie aktiviert reaktionsauslösend außer ionisierender Wirkung ist Eintrag von hoher mechanischer Energie in Festkörper (Sekundärelektronen, Relaxation der Elektronenhüllen) Direktbeschreibung und hohe Auflösung möglich keine Massenfertigung (sehr langsamer Prozess und Vakuum 10-6 torr nötig) meist für sehr kleine Strukturen und dünne Schichten

30 Plasmaerzeugung kalte Plasmen, hohe Konzentration reaktiver Komp. Plasmaerzeugung im Vakuum ( Pa) - große freie Weglänge der Teilchen - Beschleunigung durch E-Feld (-> kin. Energie > Ionisierungsenergie) Aufrechterhaltung des Plasma durch Energieeinkopplung - meist Hochfrequenzgenerator - eingekoppelte Leistung, Frequenz u. Gaszusammensetzung bestimmen Plasmazusammensetzung und damit die Ätzrate

31 Plasmaätzen Gasversorgung leuchtendes Plasma Elektroden Faraday - Käfig verhindert thermische Belastung des Substrats isotroper Ätzprozess Faraday- Käfig Rohrreaktor zum Plasmaätzen Dunkelraum mit Radikalen Substratauflage Anwendung wenn Trockenätzverfahren vorteilhaft und kein anisotroper Abtrag erforderlich ist (Nassätzen nur mit niedriger Ätzrate o. aggressive/giftige Ätzbäder nötig) Vakuum-System

32 Beispiel zum Plasmaätzen freistehende Strukturen von Aluminium Folgen der Isotropie: schmale Strukturen werden vollständig unterätzt großflächige Strukturen nur teilweise unterätzt & dienen als Verankerung (Quelle : C. Lindner et al., Transducers 1991, p. 524)

33 Sputterätzen Phasenübergang von Atomen o. Clustern durch mech. Impuls (rein phys. Prozess) Impulsauslösung durch schnelle Ionen o. Neutralteilchen (kin. Energie 0,1-1 kev) höchste Sputterausbeute bei Winkeln zw. 50 u. 90 Problem mit lokal sehr hoher Temperatur an Einschlagstelle (u.u. globale Erwärmung)

34 Planarreaktor für Sputterätzen & reaktives Ionenätzen Gasversorgung Gegenelektrode geerdet Plasma Arbeitselektrode HF-Generator geerdet Vakuumsystem Betriebsart Sputterätzen reakt.ionenätzen Substrat-Elektrode HF-Elektrode HF-Elektrode Gegenelektrode Masse Masse Ätzgas Inertgas(Ar) Reaktivgas Druckbereich 0,1-5 Pa 0,2-10 Pa

35 Vergleich Sputterätzen Edelgas als Atmosphäre nur Teilchen hoher kin. Energie (Sputterplasma) anisotroper Abtrag nicht selektiv Anwendung bei chem. sehr inerten Materialien reaktives Ionenätzen reaktives Gas als Atmosphäre Eigenschaften des Sputterätzens und des Plasmaätzens anisotroper Abtrag hohe Selektivität

36 Bsp. zum reaktiven Ionenätzen Strukturierung von Si 4 3 Ätzmaske SiO 2 Ätzgas HCl/O 2 /BCl 3 (1) gasförmiges SiCl x H y 2 (2) Adsorption SiCl x H y 1 (3) Oxidation zu SiO 2 (4) Verflüchtigung HCl, Cl 2 (Quelle : izfm, Universität Stuttgart)

37 Ionenstrahlätzen Gaseinlass reakt. Gas Plasma reakt. Gas Kathode (Elektronenquelle) Anode Abschirmgitter Beschl. gitter Neutralisationselektrode Substrattisch reaktives bzw. chemisch unterstütztes I.-Strahlätzen Abtrag durch Sputterprozess Ionenerzeugung & Sputtertarget separat (entkoppelt) Beschleunigungselektrode Neutralisationselektrode u.u. separate Gasversorgung Vakuumsystem

38 Unterschiede Reaktives Ionenstrahlätzen reaktives Gas als Quelle für Ionenstrahl neben Gasversorgung mit inertem Trägergas auch Gasversorgung für reaktives Ätzgas u.u. hohe Bauteilbelastung chem. unterst. Ionenstrahlätzen reaktive Gaskomponenten direkt in Ätzreaktor geführt Ionenstrahlerzeugung von Zufuhr reaktiver Teilchen entkoppelt geringe Belastung der Quelle und der Einbauten

39 Übersicht der Trockenätzverfahren mittels Plasma Ätzprozess Druckbereich Mechanismus ätzende Teilchen Ätzprofil Selektivität Plasmaätzen chem. reaktive Radikale Pa isotrop hoch reaktives Ionenätzen phys/chem Radikale & reak.ionen 0,2-10 Pa anisotrop ausreichend reaktives Ionenstrahl -ätzen phys/chem reaktive Ionen <0,01 Pa anisotrop ausreichend Sputterätzen phys. inerte Ionen 0,1-5 Pa anisotrop gering Ionenstrahl -ätzen phys. inerte Ionen <0,01 Pa anisotrop gering

40 Zusammenfassung Mikrostrukturierung durch Ätzverfahren : Grundprinzip (wirken von Ätz- & Resisttechnik) wichtige Grundbegriffe Auswahl des Verfahrens Nassätzen Trockenätzen chem. & phys. Trockenätzverfahren