Komplexpraktikum Ätztechniken

Transkript

1 Komplexpraktikum Ätztechniken 1. Versuchsziel Kennen lernen und durchführen verschiedener Ätztechniken in der Mikrotechnik (nasschemisches und trockenchemisches Ätzen). Kennen lernen der physikalischen und chemischen Vorgänge. Kennen lernen der verschiedenen Ätzanlagen und ihrer Prozessparameter. Untersuchen der geätzten Strukturen mittels REM und Mikroskop. 2. Grundlagen des nasschemischen anisotropen Ätzens Aufbauend auf das Komplexpraktikum Maskentechnik / Lithografie ist das Ziel dieses Versuchs die Durchführung verschiedener Ätzprozesse und das Ausmessen und die Diskussion der erhaltenen Ergebnisse. Das nasschemische Ätzen ist ein wesentlicher Prozessschritt in der Mikromechanik. Es existieren eine Reihe von Parametern, die den Prozess entscheidend beeinflussen. 2.1 Einfluss der Orientierung des Substratmaterials Über die Miller`schen Indizes erfolgt die Angabe der Oberflächenorientierung des Substrates. In der Mikroelektronik werden zumeist <100>-bzw. <111>-Oberflächenorientierungen verwendet. In der Mikromechanik findet auch die <110>-orientierte Anwendung statt. Üblicherweise wird eine (110)-Ebene genutzt, um die Wafer in ihrer Orientierung (Flat) zu charakterisieren. Kleinere Abweichungen von den Standardwerten sind normal. Bei der Oberflächenorientierung wird im allgemeinen mit der Abweichung von der Ebene von etwa +/- 0.5 gerechnet. Bei der Flatorientierung treten Toleranzen im Bereich von +/- 2 auf. Bei der Herstellung mikromechanischer Strukturen sind diese Toleranzen zu berücksichtigen. Neben diesen technologisch bedingten Orientierungstoleranzen können Orientierungsfehler durch die Maskierung der Substrate auftreten. Derartige Fehlorientierungen verursachen Unterätzungen, die bis zum Funktionsausfall der herzustellenden Elemente führen können. 2.2 Einfluss der Konzentration der Ätzlösungen Ätzlösungen, die im Silizium anisotrop wirken, besitzen grundsätzlich basischen Charakter. Der Ätzmechanismus verlangt die Anwesenheit von OH- Gruppen. Die Anisotropie des Prozesses wird durch die Einbindung der OH-Gruppen in die Substratoberflächenschichten definiert. Da in den verschiedenen Ebenen diese Einbindung unterschiedlich verläuft, werden einige Kristallebenen bevorzugt gegenüber anderen durch die Ätzlösung angegriffen. Der Ätzmechanismus kann dabei grundsätzlich von zwei Mechanismen begrenzt werden. Reaktionsbegrenztes Verhalten: die Reduktion des Si durch die OH-Gruppen der Base ist nur bis zu einem bestimmten Grenzwert möglich. Diffusionsbegrenztes Verhalten: charakterisiert die Wirkung des Abtransportes der entstandenen Reaktionsprodukte. Der Einfluss der Diffusionsbegrenzung wird besonders beim Ätzen tiefer und schmaler Strukturen deutlich. 1

2 Die Reaktion des Si mit den OH-Gruppen hängt vor allem von der Konzentration dieser ab. Um reproduzierbare Ätzraten zu realisieren ist es notwendig die Konzentration der OH- Gruppen während der gesamten Prozessdauer möglichst konstant zu halten. Si + 2OH - + 2H 2 O SiO 2 (OH) H 2 Die chemische Gleichung bestätigt, dass lediglich Wasser verbraucht wird. Durch nahezu geschlossene Ätzapparaturen wird die Konzentration der Lösung, vor allem bei höherem Temperaturen gewährleistet. Eine typische Ätzanordnung für nasschemisches anisotropes Ätzen: Einfluss der Konzentration auf: Ätzrate, Rauhigkeit der Oberfläche und Unterätzrate. 2.3 Einfluss der Temperatur Um eine Reaktion von Si mit den Molekülen der Ätzlösung zu erreichen, müssen die Bindungen der einzelnen Si-Atome zum Kristallgitter aufgebrochen werden. Die Reaktion muss aktiviert werden. Die Energiezufuhr mittels steigender Temperatur verstärkt den Reaktionsprozess deutlich. Die Temperaturerhöhung bewirkt ein Ansteigen der Ätzrate. Da dieser Vorgang von den Bindungsenergien im Si, das heißt den Bindungsenergien der Oberflächenatome abhängt, ist es möglich, die Aktivierungsenergie E A der Ätzprozesse zu ermitteln. Dazu wird die Ätzrate in Abhängigkeit von der reziproken Temperatur in einem halblogarithmischen Diagramm aufgetragen. Arrhenius-Gleichung: ln R ä = (-E A /RT) + lna tanα = -(E A /R ä ) Aus der zweiten Gleichung kann man die Aktivierungsenergie berechnen. 2

3 3. Grundlagen der Trockenätztechnik Innerhalb der Trockenätztechniken nehmen die plasmaunterstützten Trockenätzverfahren eine besondere Stellung ein. Grundsätzlich unterscheidet man vier verschiedene Arten: Reaktives Ionenätzen (RIE), Plasmachemisches Ätzen, Ionenstrahlätzen (IBE) und Reaktives Ionenstrahlätzen (Reaktives IBE). In diesem Versuch werden Ihnen diese Verfahren vorgestellt und eines an einem konkreten Beispiel durchgeführt. 3.1 Aufbau und Wirkungsweise der Verfahren RIE Im Praktikum soll das Ätzen einer Si 3 N 4 Schicht als Maskierungsschicht durchgeführt werden. Die STS 320 PC ist gekennzeichnet durch einen Rezipienten aus Aluminium in Glockenform. Dieser enthält den Substratteller bzw. das Gaseinlasssystem. Die Rezipientenglocke (Lid) wird bei der STS 320 pneumatisch geöffnet und geschlossen (Lid Lift). Die Einkopplung der HF (13.56 MHz), welche die Niederdruckgasentladung (Plasma) initiiert erfolgt hierbei über den Substratteller. Das Lid ist gegenüber dem Substratteller elektrisch isoliert und besitzt Erdpotential (Ground). Die beschriebene Anordnung bezeichnet man als Parallelplattenreaktor oder Planarreaktor. Weitere Komponenten einer RIE Anlage sind das Pumpsystem (bei der STS 320 Pumpkombination Rootspumpe Drehschieberpumpe), die Gassteuerung (meist über Massflowcontroller), der RF Generator (13,56 MHz, max. 650 W), die Thermostateinheit des Substrattellers (Heater Chiller Unit) und das Tuningsystem. Letzteres dient der genauen Anpassung der HF Quelle an die Last (Rezipient, Substrat, Prozess). Dadurch wird die angegebene Leistung des Generators voll im Plasma umgesetzt und nicht reflektiert (Forward- bzw. reflected Power). Zur Prozessüberwachung und kontrolle dient bei der RIE Anlage STS 320 ein PC IBM AT mit entsprechend installierte Software. Über den PC erfolgen auch die Generierung der Prozesse und die Abfrage der vorhandenen Sicherheitssysteme (Interlocks). Diese Anlage wurde konzipiert für das reaktive Ionenätzen von SiO 2, Si 3 N 4, Si und Polysilizium. Daraus ergaben sich folgende Prozessgase: N 2 CHF 3 (+O 2 dienen als Ätzgase) CF 4 (+O 2 dienen als Ätzgase) O 2 Ar, He 3

4 Ätzmechanismus des reaktiven Ionenätzens {Bild Potentialverlauf in einem Parallelplattenreaktor} Bei der 3 D Strukturierung mittels RIE in der Mikrotechnik werden Anforderungen an: Maßhaltigkeit, Anisotropie, Auflösung der Strukturübertragung. Eingesetzt wird RIE beispielsweise zur Strukturierung von Maskierungsschichten aus Si 3 N 4 und Siliziumoxid. Man unterteilt den Prozess des RIE in drei wesentliche Schritte: Erzeugung reaktiver Teilchen in einer Glimmentladung und Transport dieser auf die Substratoberfläche, Adsorption der reaktiven Teilchen an der zu ätzenden Oberfläche und chemisch/physikalische Wechselwirkungen derselben mit den Substratatomen, Desorption und Abtransport der Reaktionsprodukte von der Substratoberfläche. Dabei kann einer dieser Reaktionsschritte geschwindigkeitsbestimmend für den gesamten Umsetzungsprozess wirken. Das heißt, dass alle drei Prozesse optimal abgestimmt werden müssen. Die erforderlichen Energien für die einzelnen ablaufenden Prozesse werden dabei durch entsprechend hochfrequente Wechselfelder geliefert. Unter den Bedingungen maximaler Reaktionsgeschwindigkeit jedes Teilprozesses bei minimaler hierfür erforderlicher Energie ist der Ätzprozess optimal. Die durch das hochfrequente Wechselfeld angeregte Glimmentladung bewirkt eine Aufheizung des Elektronengases. Das Elektronengas stößt mit den schweren Gasmolekülen zusammen und erzeugt somit freie Ladungsträger. Bei diesen elastischen Stößen sind die Stoßquerschnitte relativ hoch und die Energieverluste gering. Die inelastischen Stöße führen zur Rotation, Vibration, Dissoziation und Ionisation des schweren Stoßpartners. Die Stoßquerschnitte für diese Stoßprozesse liegen dabei im Allgemeinen unter cm -2. Das Ergebnis dieser Stoßprozesse sind energiereiche Ionen, die wiederum als Stoßpartner zur Verfügung stehen. Beim Auftreffen der reaktiven Teilchen auf die plasmabegrenzenden Flächen werden Elektronen (Sekundärelektronen) ausgelöst. Diese werden durch das entstandene Potentialgefälle (Dunkelraumspannung U DR ) an den Grenzflächen in Richtung positives Plasma beschleunigt. Diese Sekundärelektronen bilden den Hauptanteil der energiereichen Elektronen, welche als potentielle Stoßpartner für dissoziative bzw. ionisierende Elektronen- Molekülstöße innerhalb des Plasmas fungieren. Die vom Plasma selbst erzeugten Elektronen sind dafür zu langsam. Wie bei den meisten chemischen Prozessen wird auch hierbei eine nicht geringe Menge an Wärme produziert, die ein Kühlsystem verlangt. Prozesse des RIE: - physikalischer Teilprozess: die Potentialdifferenz (zwischen Plasma und Substratoberfläche) beschleunigt die positiven Ionen (im Falle des Ätzens von SiO 2 oder Si 3 N 4 wird meist CF 4 als Ätzgas verwandt, damit bilden sich CF x und Fluoratome) Sputterätzen - chemischer Teilprozess: baut als Reaktionsprodukte flüchtige Verbindungen auf. Beim Ätzen von Si 3 N 4 setzt man fluorierte Kohlenwasserstoffe als Ätzgase ein. Das zu ätzende Material wird in 4

5 Plasmachemisches Ätzen typische flüchtige Reaktionsprodukte (SiF 4, Si 2 OF 6, SiOF 2, N 2, O 2, F 2, CO 2, H 2 O ) zerlegt, die über das Vakuumpumpsystem abgesaugt werden. Plasmachemische Ätzverfahren stellen eine echte Alternative gegenüber nasschemischen Ätztechniken dar, besonders wenn man eine noch genauere Strukturübertragung von Maske auf Substrat bekommen möchte bei immer geringer werdenden Strukturbreiten. Plasmachemisches Ätzen ist charakterisiert durch größere Aspektverhältnisse bedingt durch die vorherrschende Anisotropie. In der Mikrosystemtechnik spielen auch die geringeren Beanspruchungen (Temperatur, Feuchtigkeit von Nassätzprozessen) der Proben eine große Rolle. Abb. 2 zeigt eine Anordnung zum plasmachemischen Ätzen ausgeführt als Planarreaktor. Der Prozess unterteilt sich im wesentlichen in zwei Komponenten, eine physikalische und eine chemische. Der physikalische Prozess, auch allgemeiner Mechanismus des Plasmaätzens genannt, wird dabei einer chemischen Reaktion überlagert. Diese führt dazu, dass im Aufschlagbereich der durch das Plasma erzeugten Ionen die Reaktion beschleunigt und durch die senkrecht zur Oberfläche gerichtete Bewegung der Teilchen die Anisotropie des Ätzvorganges erhöht wird. Die Erhöhung der Anisotropie, das heißt die Steigerung der Tiefenätzrate gegenüber der lateralen Ätzrate, ist der entscheidende Aspekt für die weitere Vervollkommnung dieses Verfahrens. Für die oben angesprochene Beschleunigung der Reaktion gibt es drei Ursachen: es werden an der Oberfläche absorbierte reaktive Teilchen gebildet durch hervorgerufene Gitterstörungen wird die Aktivierungsenergie der Reaktion erniedrigt die Oberflächenreaktion hemmende Schichten werden entfernt (die Reaktionsprodukte beeinflussen die Ätzgeschwindigkeit negativ) Diese Reaktionsprodukte sind sogenannte Glimmpolymere, also hochmolekulare Reaktionsprodukte, die durch die Zersetzung von C bzw. Si Verbindungen an der Substratoberfläche gebildet werden. In Richtung des Ionenbeschusses werden diese Produkte durch Zerstäuben, das heißt sputtern, entfernt und in gasförmigen Aggregatzustand überführt. Damit können sie über das Vakuumpumpsystem abgesaugt werden. Das RIE vereint IBE und Plasmachemisches Ätzen. Ein physikalisch chemischer Ätzprozess, der RIE als auch Plasmapolymerisation vereint heißt ASE (Advanced Silicon Etching) mittels ICP (Inductive coupled Plasma). Ionenstrahlätzen ( IBE ) 5

6 Eine weitere Art des Trockenätzens ist das Ionenstrahlätzen, kurz IBE. Die obere Abb. zeigt eine typische Anordnung für derartiges Ätzen. Man erkennt, dass eine Breitstrahlionenquelle durch Vakuum vom Substrat getrennt in einem Rezipienten angeordnet ist. Im Unterschied zum RIE bzw. plasmachemischen Ätzen ist das IBE ein rein physikalisch wirkender Prozess. Energiereiche inerte Ionen ( Ar + i.a eV) werden aus einer Quelle als gerichteter breiter Ionenstrahl extrahiert und auf die sich im Rezipienten unter Vakuum (0,01..0,1 Pa) befindlichen Substrate gerichtet. Infolge des rein physikalischen Abtrags werden keine flüchtigen Reaktionsprodukte gebildet. Das herausgeschlagene Substratmaterial lagert sich also an den Rändern des Resist bzw. im Innern der erzeugten Strukturen ab. Die führt unweigerlich zu einer Ätzratenreduzierung. Technisch behebt man diesen Mangel durch ständiges Drehen oder Verkippen des Substrattellers. Nachteile des Verfahrens: geringe Selektivität Entstehung von Fasen an den Resisträndern die zu realisierende geringe Ätzrate lange Prozesszeiten übermäßige Beanspruchung des Resist Vorteile des Verfahrens: hohe Auflösung (Strukturbreiten von 100nm) Reproduzierbarkeit gute Homogenität hohe Anisotropie gute Steuermöglichkeit des Prozesses reaktives IBE Das vierte und letzte Verfahren, das hier vorgestellt wird, ist das reaktive Ionenstrahlätzen. Im Unterschied zum IBE entstehen, unterstützt durch chemische Vorgänge, flüchtige und nichtflüchtige Reaktionsprodukte. Der chemische Prozess ist gekennzeichnet durch Einleitung von reaktivem Prozessgas (Cl 2, O 2, CCl 4 o.ä.) in den Rezipienten dicht über der Substratoberfläche. Die chemische Zusammensetzung des Prozessgases wird dabei durch das 6

7 zu ätzende Material bzw. durch die verwendete Maske bestimmt. Dabei ist zu beachten, dass sich eine bestimmte Selektivität einstellt. Der extrahierte Ionenstrahl (die Extraktion erfolgt durch ein vor der Quelle angeordnetes unabhängiges steuerbares Gitter, Potential ca V) bewirkt die Bildung von reaktiven Ionen bzw. aktiven Neutralen aus dem verwendeten Prozessgas. Daraus folgt eine chemische Umwandlung der durch Ionenbombardement herausgeschlagenen Teilchen des Substratmaterials in die bereits erwähnten reaktiven Reaktionsprodukte. Vorteile des Verfahrens: sehr gute Steuerbarkeit des Prozesses hinsichtlich Selektivität und Ätzrate separate Beeinflussung der einzelnen Komponenten 4. Versuchsvorbereitung a) Informieren Sie sich über die einzelnen Ätzverfahren! b) Welche generellen Unterscheidungen werden getroffen? Wo sehen Sie Vorteile bzw. Nachteile der Verfahren? c) Berechnen Sie die erforderliche Ätzzeit bei angegebener Ätzrate. d) Welche Fehler können bei Ätzprozessen entstehen und wie können diese vermieden bzw. kompensiert werden? e) Bei den von Ihnen durchgeführten Ätzungen sind Fehler in den Strukturen zu erwarten. Wo und welche sind das? 5. Versuchsdurchführung Die Wafer aus dem ersten Praktikum sollen nun weitere Prozesse durchlaufen. Überzeugen Sie sich, dass die Wafer gereinigt vorliegen. Berechnen Sie die Ätzzeit für die folgenden Prozesse, wenn Sie eine Ätztiefe von 200µm und eine Ätzrate von 1.8µ/min vorgegeben bekommen (anisotropes Ätzen). Ätzen Sie die vorhandenen Wafer 3 min. und bestimmen Sie die Ätzrate und die Selektivität zur Ätzmaske. Ätzen Sie den dritten Wafer 100µm tief bei einer Ätzrate von 4µ/min mittels ICP. Bewerten Sie Ihre Ergebnisse mittels Messmikroskop und REM. 6. Literaturliste Menz, Bley Mikrosystemtechnik für Ingenieure Fischer Mikrosystemtechnik Isermann Mikromechanik 7