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J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN [email protected]: +49 (0)3677 693412

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Ätzverfahren: KlassifikationÄtzverfahren: Klassifikation

ÄtzenÄtzen –– ist eine Verfahrensgruppe zur ist eine Verfahrensgruppe zur subtraktivensubtraktiven Strukturerzeugung in dem, von Strukturerzeugung in dem, von einem geschlossen vorhandenen oder abgeschiedenen Funktionsmatereinem geschlossen vorhandenen oder abgeschiedenen Funktionsmaterial, lokal ein ial, lokal ein Teil entfernt wird.Teil entfernt wird.

ÄtzverfahrenÄtzverfahren

NaßätzenNaßätzen TrockenätzenTrockenätzen

AuflösenAuflösen Chemisches Chemisches ÄtzenÄtzen

ElektrochemiElektrochemi--sches Ätzensches Ätzen

PhysikaliPhysikali--sches sches TrokTrok--kenätzenkenätzen

Chemische Chemische TrockenTrocken--ätzenätzen

ChemischChemisch--PhysikaliPhysikali--sches sches TrokTrok--kenätzenkenätzen


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Ätzverfahren: KlassifikationÄtzverfahren: Klassifikation

ÄtzenÄtzen

NaßätzenNaßätzen TrockenätzenTrockenätzen

Stromloses Stromloses elektrocheelektrochemisches misches ÄtzenÄtzen

ElektroElektro--chemisches chemisches ÄtzenÄtzen

FotoelektroFotoelektrochemisches chemisches ÄtzenÄtzen

SputternSputtern

Chemisch unterstütztes IonenstrahlätzenChemisch unterstütztes Ionenstrahlätzen Reaktives IonenstrahlätzenReaktives Ionenstrahlätzen

GasphasenGasphasen--ätzenätzen

IonenätzenIonenätzen

ElektronenElektronen--strahlätzenstrahlätzen

PlasmaPlasma--ätzenätzen

LaserätzenLaserätzen

Reaktives Reaktives IonenätzenIonenätzen IonenstrahlätzenIonenstrahlätzen


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Ätzverfahren: KenngrößenÄtzverfahren: Kenngrößen

(2) (2) AnisotropieAnisotropie

(3) Selektivität(3) Selektivität

(1) Ätzrate(1) Ätzrate

tz

ÄtzzeitÄtztiefe

rΔΔ

==

v

hv

rrr

ÄtzratevertikaleÄtzrateehorizontalÄtzratevertikale

r−

=−

=

2

112 2

1rr

MaterialsdesÄtzrateMaterialsdesÄtzrate

S ==


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Ätzverfahren: Ätzverfahren: IsotropesIsotropes und und AnisotropesAnisotropes ÄtzenÄtzen

IsotropesIsotropes ÄtzenÄtzen

KristallografischeKristallografische anisotropesanisotropes ÄtzenÄtzen

IsotropesIsotropes Ätzen mit chemischer SelektivitätÄtzen mit chemischer Selektivität

ProzeßinduziertesProzeßinduziertes anisotropesanisotropes ÄtzenÄtzen


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Ätzverfahren: Ätzverfahren: NaßchemischesNaßchemisches ÄtzenÄtzen

Ätzmechanismus im gesamtstromlosen ÄtzenÄtzmechanismus im gesamtstromlosen Ätzen

Oxidation (Oxidation (AnodischerAnodischer PartialprozeßPartialprozeß):): MMoo + x h+ x h++ ↔↔ MMxx++

(M(Moo ↔↔ MMxx++ + x e+ x e--))

Reduktion (Reduktion (KathodischerKathodischer PartialprozeßPartialprozeß):): RRoo ↔↔ RRxx-- + x h+ x h++

((RRoo + x e+ x e-- ↔↔ RRxx--))

Summe:Summe: MMoo + + RRoo ↔↔ MMxx+ + ++ RRxx--

Komplexbildung mit ungeladenen Komplexbildung mit ungeladenen LigandenLiganden:: M + m Y M + m Y ↔↔ [[MYMYmm]]++ + m e+ m e--

MM++ + m Y + m Y ↔↔ [[MYMYmm]]++

Komplexbildung mit Komplexbildung mit anionischenanionischen LigandenLiganden:: M + n XM + n X-- ↔↔ [[MXMXnn]]-- + (n+ (n--1) e1) e--

Passivierung:Passivierung: MM++ + X+ X-- ↔↔ DD↓↓

NaßätzenNaßätzen

TauchätzenTauchätzen SprühätzenSprühätzen


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Schematische Darstellung von Schematische Darstellung von naßchemischennaßchemischen ÄtzbänkenÄtzbänken


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Siliziumätzrate in Mikrometer pro Minute und OberflächenmorpholoSiliziumätzrate in Mikrometer pro Minute und Oberflächenmorphologie als Funktion gie als Funktion der Zusammensetzung für HFder Zusammensetzung für HF--HNOHNO33--HH22O GemischeO Gemische

IsotropesIsotropes ÄtzenÄtzen


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Schichtabscheidung: AufdampfenSchichtabscheidung: Aufdampfen

IsotropesIsotropes Ätzen: HFÄtzen: HF--HNOHNO33--HH22OO

PrimäroxidantbildungPrimäroxidantbildung:: HH22O O ↔↔ OHOH-- + H+ H++

Lochgeneration:Lochgeneration: HNOHNO22 + HNO+ HNO33 ↔↔ NN22OO44 + H+ H22OONN22OO44 ↔↔ 2 NO2 NO22

22 NN22O O ↔↔ 2 N2 N22OO-- + 2 h+ 2 h++

2 N2 N22OO-- + 2 H+ 2 H++ ↔↔ 2 HNO2 HNO22

Siliziumoxidation:Siliziumoxidation: Si + 2hSi + 2h++ ↔↔ SiSi++

SiSi++ + 2 OH+ 2 OH-- ↔↔ Si(OH)Si(OH)22

Si(OH)Si(OH)22 ↔↔ SiOSiO22 + H+ H22↑↑

Komplexbildung:Komplexbildung: SiOSiO22 + 6 HF + 6 HF ↔↔ HH22SiFSiF66 + 2 H+ 2 H22OO

Summenreaktion:Summenreaktion: Si + HNOSi + HNO33 + 6 HF + 6 HF ↔↔ HH22SiFSiF66 + HNO+ HNO22 + H+ H22O + H2O + H2↑↑


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Ätzverfahren: Ätzverfahren: NaßätzenNaßätzen

Abhängigkeit der Ätzrate von der Abhängigkeit der Ätzrate von der Temperatur der Lösung 20%HFTemperatur der Lösung 20%HF--45%HNO45%HNO33--35%CH35%CH33COOHCOOH

Siliziumätzrate als Funktion der Siliziumätzrate als Funktion der KonzentraKonzentra--tiontion von 70% HNOvon 70% HNO33 mit unterschiedlichen mit unterschiedlichen Wasserbeimengungen als ParameterWasserbeimengungen als Parameter

IsotropesIsotropes Ätzen: HFÄtzen: HF--HNOHNO33--HH22O/CHO/CH33COOHCOOH


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AnisotropesAnisotropes Ätzen: Ätzen: Ethyldiamin Ethyldiamin –– BrenzkatechinBrenzkatechin –– Wasser Wasser NHNH22(CH(CH22))22NHNH22 –– CC66HH44(OH)(OH)22 –– HH22OO

PrimäroxidantbildungPrimäroxidantbildung: NH: NH22(CH(CH22))22NHNH22 + H+ H22OO ↔↔ NHNH22(CH(CH22))22NHNH33++ + OH+ OH--

Siliziumoxidation:Siliziumoxidation: Si + 2 OHSi + 2 OH-- + 4 H+ 4 H22O O ↔↔ Si(OH)Si(OH)6622-- + 2 H+ 2 H22

Komplexbildung:Komplexbildung: Si(OH)Si(OH)6622-- + 3 C6HH44(OH)(OH)22 ↔↔ (Si(O(Si(O22CC66HH44))33))22-- + 6 H+ 6 H22OO

Summenreaktion:Summenreaktion: 2 2 NHNH22(CH(CH22))22NHNH22 + Si + + Si + 3 C6HH44(OH)(OH)22 ↔↔ 22 NHNH22(CH(CH22))22NHNH33++ + +

+ (Si(O+ (Si(O22CC66HH44))33))22-- + 2 H+ 2 H22↑↑


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Maximale Löslichkeit von Si in Maximale Löslichkeit von Si in EDPEDP--Lösung Typ B und F bezogen Lösung Typ B und F bezogen auf 1 l Ätzflüssigkeit auf 1 l Ätzflüssigkeit

AnisotropesAnisotropes Ätzen: Ätzen: Ethyldiamin Ethyldiamin –– BrenzkatechinBrenzkatechin –– WasserWasser

Vertikale Ätzrate als Funktion der Vertikale Ätzrate als Funktion der TempeTempe--raturratur für die Hauptkristallebenen (100), für die Hauptkristallebenen (100), (110) und (111) in einer EDP(110) und (111) in einer EDP--Lösung Typ S Lösung Typ S


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Laterales Unterätzen auf (100) (a) und (110) orientierten SiliziLaterales Unterätzen auf (100) (a) und (110) orientierten Siliziumscheiben als umscheiben als Funktion des Winkels auf der Scheibe (EDP Lösung A bei 95°C)Funktion des Winkels auf der Scheibe (EDP Lösung A bei 95°C)



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Siliziumätzrate auf (100) und (110) Siliziumätzrate auf (100) und (110) Scheiben als Funktion der Scheiben als Funktion der BordotierungBordotierung(EDP Typ S bei 49°C) (EDP Typ S bei 49°C)


p < 1019 cm-3

p > 1019 cm-3


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Ätzmorphologien: SiÄtzmorphologien: Si

Strukturelemente und Maskenpositionierung beim anisotropen Ätzen auf (100) und (110) Si-Substraten


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Ätzmorphologien: GaAsÄtzmorphologien: 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)


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Ätzverfahren: TrockenätzenÄtzverfahren: Trockenätzen

(1)(1) AnregungAnregung

AA22 + e+ e-- →→ AA22* * + e+ e--

(2)(2) DissozziationDissozziation

AA22 + e+ e-- →→ 2 A + e2 A + e--

(3) Elektronenaufnahme(3) Elektronenaufnahme

AA22 + e+ e-- →→ AA22--

(4) (4) DissoziativeDissoziative Elektronen Elektronen AufnahmeAufnahme

AA22 + e+ e-- →→ A + AA + A--

(5) Ionisation(5) Ionisation

AA22 + e+ e-- →→ AA22++ + 2e+ 2e--

(6) Photoemission(6) Photoemission

AA22** →→ A2 + hν

(7) Abstraktion

A +B2 →→ AB + BAB + B

Elementare Prozesse in Elementare Prozesse in TrockenätzreaktorenTrockenätzreaktoren


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BarrelreaktorBarrelreaktor

Reaktoren


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ParallelplattenreaktorParallelplattenreaktor

Reaktoren


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Hochdichte Hochdichte PlamareaktorenPlamareaktoren

Reaktoren

Reaktoren mit separierter Reaktoren mit separierter PlasmakammerPlasmakammer


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Ätzrate als Funktion des GasdurchsatzesÄtzrate als Funktion des Gasdurchsatzes

Ätzratenabhängigkeit

Ätzrate als Funktion des ReaktordruckesÄtzrate als Funktion des Reaktordruckes


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Schematische Darstellung der Schematische Darstellung der MaskenerrosionMaskenerrosion und anschließender und anschließender FacetierungFacetierungdes ursprünglich durch die Maske geschützten Materialsdes ursprünglich durch die Maske geschützten Materials

Maskeneffekt


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Verhinderung von Redepositionseffekten durch MaskengestaltungVerhinderung von Redepositionseffekten durch Maskengestaltung

Maskeneffekt


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AufladungsladungsAufladungsladungs-- und Transporteffekte beim trockenchemischen Ätzenund Transporteffekte beim trockenchemischen Ätzen

Plasma Plasma –– Morphologie Morphologie -- EffekteEffekte


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Mikrograbenbildung (Mikrograbenbildung (TrenchingTrenching) in Trockenätzprozessen) in Trockenätzprozessen



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Herausbildung von Füßen durch AbschattungseffekteHerausbildung von Füßen durch Abschattungseffekte



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Geometrietransformation durch Facettenbildung als Folge der winkGeometrietransformation durch Facettenbildung als Folge der winkelabhängigen elabhängigen ZerstäubungsrateZerstäubungsrate



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Morphologiesteuerung (Mikrograbenausbildungsverhinderung) durch Morphologiesteuerung (Mikrograbenausbildungsverhinderung) durch Ausnutzen Ausnutzen der winkelabhängigen Zerstäubungsrateder winkelabhängigen Zerstäubungsrate



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LiteraturLiteratur

[1] M. Köhler, Ätzverfahren für die Mikrotechnik, Wiley[1] M. Köhler, Ätzverfahren für die Mikrotechnik, Wiley--VCH, Weinheim, 1998 VCH, Weinheim, 1998 (69 ELT ZN 4150 K77).(69 ELT ZN 4150 K77).

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