Fachpraktikum

Mikro-und Nanotechnologiepraktikum

Versuch:

Nasschemisches Ätzen von Silizium

Versuch: Nasschemisches Ätzen von Silizium 

Maskierungsschicht

(100) - Siliziumwafer

anisotrop geätzter

V-Graben

anisotrop geätzter

Trog

isotrop geätzte

Wanne

1 Zielstellung 

  Kennenlernen der Grundlagen des nasschemischen Ätzens von Silizium als Basistechnolo‐

gie der Mikrosystemtechnik  Kennenlernen der chemischen und physikalischen Vorgänge des 

anisotropen und isotropen Ätzprozesses  Klärung des Einflusses verschiedener Prozessparameter, wie z.B. Ätzzeit oder Konzentrati‐

on der Ätzlösung auf die Strukturbildung  Praktische Durchführung eines anisotropen Ätzprozesses  

- Einführung in die Anlagen zum nasschemischen Ätzen - Bestimmung von Ätzrate und Aktivierungsenergien - Analyse der geätzten Strukturen mit dem Mikroskop 

 

2 Grundlagen des nasschemischen Ätzens von Silizium 

 Beim nasschemischen Ätzen von Silizium wird eine ätzresistente Maskierung, welche zuvor photoli‐thographisch erzeugt wurde, durch einen chemischen Abtragsprozess in das Siliziumsubstrat übertra‐gen. Die Richtungsabhängigkeit des chemischen Prozesses bestimmt die Art der Strukturabbildung. Es wird zwischen isotropem (richtungsunabhängigem) und anisotropem (richtungsabhängigem) Ätzen unterschieden. Als Maskierungsschicht kommen z.B. PECVD‐Schichten aus SiO2, SiOxNy, Si3N4  oder SiC zur Anwendung. Falls das Substrat und die evtl. darauf befindliche Schichten hohe Tempera‐turen erlauben, werden auch thermisches Oxid (1000°C) oder LPCVD‐Si3N4 (820°C) Schichten als Mas‐kierung verwendet /Völ00/. In den meisten Fällen werden sowohl Substrat wie auch die Maskierung von der Ätzlösung angegrif‐fen. Für die Charakterisierung  eines Ätzprozesses werden im Allgemeinen die in Bild 1 dargestellten Größen verwendet.  

  1 ... Maskierung 2 ... zu ätzende Schicht 3 ... Substrat 

  

1

'1

2

'2

...

...

...

...

... .

...

...

..

b Stegbreite an derUnterkante

b Stegbreite an der Oberkante

b Maskenstegbreitevor dem Ätzen

b Maskenstegbreite nach dem Ätzen

d Schichtdickebzw Ätztiefe

UÄ Unterätzung

AÄ Anätzung des Substrates

KV .

...

Kantenverschiebung

mittlerer Flankenwinkel

 

Bild 1: Definition der wichtigsten Ätzkenngrößen /Fis00/, /Ger97/ 

   

Aus Beziehungen der Größen zueinander ergeben sich:  Ätzrate:  

dt

ddR  (allg. Ätzrate; Abh. von Material, Ätzbad, Temperatur...)      (1) 

t

dRd  (durchschnittliche / mittlere Ätzrate)            (2) 

( ... ; ...d Dicke des Abtrags t Ätzzeit )  

)/exp(0 kTERRT   (Ätzrate in Abh. der Temperatur)        (3) 

 ( zrateAusgangsät eV, 0EfürÄtzrate...0 R ; gsenergieAktivierun...E ;  Konstant-Boltzmann...k ; 

Temperatur...T )   

 Ätzfaktor bzw. Anisotropie:  

vertikallateral RRA /1                    (4) 

( 0A  isotrop,  1A   vollständig anisotrop)  Selektivität:  

A

B

RS

R                                 (5) 

(Verhältnis der Ätzraten zweier Materialien A und B bzw. Kristallrichtungen) 

 Weiterhin dienen die Oberflächenrauigkeit und die Ätzratenhomogenität zur Bewertung des Ätzpro‐zesses.  

2.1 Isotropes nasschemisches Ätzen von Silizium 

 Läuft der Prozess unabhängig von der Raumrichtung im Substrat überall mit gleicher Geschwindigkeit ab, so spricht man von einem isotropen Ätzprozess, Bild 2. Mit den gestrichelten Linien ist die voran‐schreitende Ätzfront gekennzeichnet.  

dh

dv

Substrat

Maske

 

Bild 2: Prinzip des isotropen Ätzens 

 Beim isotropen Ätzen entstehen in der Tiefe verrundete Konturen. Das isotrope Ätzen ist nur für sehr flache Kavitäten geeignet. Die entstehende Strukturgeometrie kann quantitativ durch das Aspektver‐

hältnis  aspA charakterisiert werden. Es ergibt sich aus der vertikalen Strukturdimension  vd  und der 

horizontalen Strukturdimension  hd . 

           h

vasp d

dA           (6) 

(Aspektverhältnis  5,0aspA ). 

 Beim Ätzprozess des isotropen Ätzens von Silizium läuft die chemische Reaktion in 2 Stufen ab. Im ersten Schritt wird das Silizium durch eine oxidierende Komponente der Ätzlösung oxidiert und im zweiten Schritt das entstandene Siliziumoxid durch einen oxidablösenden Anteil in der Ätzlösung ge‐löst.   Typische Ätzlösungen für das isotrope Ätzen von Silizium enthalten Salpetersäure (HNO3) als oxidie‐rende und Flusssäure (HF) als oxidablösende Komponente. Weiterhin befinden sich dazu Wasser (H2O) und/oder Essigsäure (CH3COOH) als Verdünnungsmittel in der Ätzlösung (im engl. Sprachraum HNA‐Etchants, hydrofloric acid + nitrid acid + acetic acid). Die Ätzrate wird vom Verhältnis der Komponenten bestimmt. Das Dreistoffdiagramm in Bild 3 zeigt die Niveaulinien der Ätzgeschwindigkeit für die Lösungsmittel H2O bzw. CH3COOH  [Mad02]. Weiter‐hin entwickelt sich abhängig von den Konzentrationen der Hauptkomponenten die Oberfläche der geätzten Struktur, Bild 3. Ein hoher Anteil an Salpetersäure und ein geringer Anteil an Essigsäure be‐wirkt eine glattere Oberfläche und runde Ecken. Der Grund für die Isotropie des Ätzens in dieser Lö‐sung ist, dass der Prozess diffusionsbegrenzt ist /Men01/.   

 

Bild 3: Dreistoffdiagramm; Isotrope Ätzkurven für das Siliziumätzen in µm/min /Mad04/ 

       

Die chemischen Reaktionen laufen wie folgt ab:  1) Oxidation mittels Salpetersäure  

OH2NO(g)4SiO3HNO4Si3 223            (7) 

 2a) Bildung eines löslichen Komplexes mittels Flusssäure  

OH6SiFH3HF18SiO3 2622              (8) 

 2b) Lösung des Komplexes im Lösungsmittel  Bei der Auswahl der Maskierungsschicht und ihrer Dimensionierung ist die geringe Selektivität der genannten Ätzlösung gegenüber SiO2 zu beachten. Si3N4 oder Edelmetalle haben sich als resistenter erwiesen.  Die Anwendung des isotropen Ätzens zum Unter‐ bzw. Überätzen von Strukturen sei hier erwähnt und wird später noch verdeutlicht.   

2.2 Anisotropes nasschemisches Ätzen von Silizium 

 Eine der grundlegenden Technologien der Mikrosystemtechnik ist das anisotrope, also raumrich‐tungsabhängige nasschemische Ätzen von Silizium. Gerade für tiefe Kavitäten mit Aspektverhältnis‐

sen von  1aspA sind anisotrop wirkende Verfahren erforderlich. Beim Ätzen von Silizium werden 

dabei die unterschiedlichen Ätzgeschwindigkeiten in den Kristallebenen in monokristallinen Silizi‐umsubstraten in speziellen Ätzlösungen ausgenutzt. Diese ätzen die (100)‐Ebene schneller als die (110)‐Ebene und viel schneller als die (111)‐Ebene.  

2.2.1 Chemie bzw. Mechanismus 

 Für das nasschemische anisotrope Ätzen von Silizium kommen ausschließlich basische Ätzlösungen zur Anwendung. Hierzu zählt Kaliumhydroxid (KOH) und Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH, (CH3)4NOH)) als meist verwendete Lösungen sowie Natriumhydroyid (NaOH), Lithiumoxid (LiOH) und Ammoniumhydroxid (NH4OH). Weiterhin können Mischungen aus Ethyldiamin und Wasser mit Bei‐mengungen von Brenzkatechin und Pyrazin (abgekürzt EDP‐Lösung für Ethyldiamin‐Pyrokatechol) verwendet werden, die allerdings sehr toxisch und korrosiv sind /Men97, Men01/.  Chemischer Ätzprozess:  

Bei der chemischen Reaktion spielen die Hydroxylionen ( OH ) die entscheidende Rolle. Der Prozess wird in die Schritte Oxidation, Reduktion und Diffusion unterteilt, welche nacheinander ablaufen.      

a) Oxidation  Die Ätzreaktion startet mit der Oxidation des Siliziums an der Oberfläche durch die Hydroxylionen nach Gleichung:  

e4Si(OH)OH2Si 22               (9) 

 Dabei werden zwei Elektronen aus den Hydroxylionen zur Absättigung der freien Bindungen des Sili‐ziums verwendet und zwei Elektronen in das Leitungsband des Siliziumkristalls injiziert. Dann wird der entstandene Silizium‐Hydroxidkomplex vom Festkörper getrennt indem die zum Festkörper zeigen‐den Bindungen gelöst und so zwei weitere Elektronen in das Leitungsband gehoben werden. Durch die Verzerrung des Leitungsbandes an der Grenzschicht zur Ätzlösung bleiben die Elektronen aller‐dings in der Nähe dieser Grenzschicht gefangen. Der Si‐Komplex ist nun bereits vom Kristallverband isoliert, bleibt jedoch noch aufgrund seiner positiven Ladung an der Grenzschicht adsorbiert. Durch die positiv geladenen Si‐Komplexe und die in den Kristall injizierten Elektronen wird eine elektrolyti‐sche Doppelschicht aufgebaut /Men97/.  b) Reduktion  Die entstandenen Elektronen reagieren mit Wassermolekülen an der Oberfläche des Siliziums unter Bildung von zusätzlichen Hydroxylionen die den Fortgang der Reaktion fördern sowie Wasserstoff welcher als Gas austritt:  

(g)2HOH4OH44e 22               (10) 

 Dadurch wird ein weiterer Aufbau von negativer Ladung an der Siliziumoberfläche verhindert und der Fortlauf der Reaktion gewährleistet.  Der entstandene Si‐Komplex reagiert weiter mit den Hydroxylionen:  

bei EDP‐Lösungen:  26

22 Si(OH)OH4Si(OH)         (11) 

 

bei KOH:    OH2(OH)SiOOH4Si(OH) 2222

22     (12) 

 c) Diffusion  Die in der Reaktion entstandenen, negativ geladenen Si‐Komplexe sind im alkalischen Ätzmedium löslich.  Die Gesamtbruttogleichung für KOH als Ätzmedium zeigt die Gleichung:  

22222 H2(OH)SiOOH2OH2Si              (13) 

  Ursache für das anisotrope Ätzverhalten ist die unterschiedliche Bindungsenergie in den einzelnen Kristallorientierungen und damit verbunden die unterschiedlichen Aktivierungsenergien in diesen Richtungen für den chemischen Ätzprozess.  Eine anschauliche Erklärung ergibt sich aus der Betrach‐tung der Bindungsdichte auf den unterschiedlichen Kristalloberflächen. Bei einer (100)‐Oberfläche 

besitzt ein Siliziumatom zwei freie Bindungen an der Oberfläche, während es an einer (111)‐Oberfläche nur eine freie Bindung zeigt (Bild 4). Außerdem unterscheidet sich die Zahl der Oberflä‐chenatome je Oberflächeneinheit. Daraus resultiert eine unterschiedliche effektive Bindungsdichte, die für die (111)‐Oberfläche wesentlich größer ist als für andere Kristalloberflächen /Gerl97/. Eine exakte Bestimmung der Bindungsenergien erfordert die Berücksichtung weiterer Faktoren.  

 

Bild 4: Darstellung der Bindungszustände für die oberste Atomlage an der (111)‐Oberfläche und an der (100)‐Oberfläche von Silizium /Men01/ 

 Einfluss der Dotierung:  Die Ätzrate in anisotrop ätzenden Lösungen kann durch eine Dotierung des Siliziums mit Bor stark beeinflusst werden. Schichten mit hoher Borkonzentration führen zu einer drastischen Reduktion der Ätzrate, die einem Ätzstopp nahe kommt. Durch die Dotierung entartet das Silizium zu einem Leiter. Die bei der Oxidation injizierten Elektronen rekombinieren praktisch sofort mit den in hoher Konzent‐ration vorhandenen Löchern, so dass sie für den weiteren Fortgang der Reaktion nicht mehr zur Ver‐fügung stehen und der Ätzprozess stoppt. Auch niedrige Dotierung mit Germanium oder Phosphor beeinflussen die Ätzrate in geringerem Maß.  Einfluss der Konzentration der Ätzlösung:  Die Konzentration der Ätzlösung hat einen großen Einfluss auf die Ätzrate der unterschiedlichen Sili‐ziumebenen, die Unterätzrate und die Oberfläche der geätzten Struktur. Da das Vorhandensein von Hydroxylionen Vorraussetzung für den Ätzprozess ist, sollte mit einer Erhöhung der Konzentration der Lösung auch eine Steigerung der Ätzrate einhergehen. Allerdings stellen zwei Effekte eine Be‐grenzung dar: Zum einen das reaktionsbegrenzende Verhalten, da die Oxidation des Siliziums durch die Hydroxylionen nur bis zu einem bestimmten Grenzwert möglich ist. Zusätzliche Hydroxylionen führen zu keiner weiteren Steigung der Reaktionsgeschwindigkeiten. Zum anderen das diffusionsbe‐grenzte Verhalten welches die Wirkung des Abtransportes der entstandenen Reaktionsprodukte cha‐rakterisiert. Der Einfluss der Diffusionsbegrenzung wird vor allem bei sehr tiefen und schmalen Struk‐turen deutlich.  Um reproduzierbare Ätzraten zu realisieren, ist es daher notwendig, die Konzentration der Ätzlösung möglichst während der Dauer des gesamten Ätzprozesses konstant zu halten, was in den entspre‐chenden Ätzvorrichtungen technisch realisiert wird. Zu erwähnen ist noch, dass durch Zugabe von Isopropanol zur KOH‐Ätzlösung die Selektivität zwi‐schen den Ebenen (100) und (111) erhöht werden kann.       

Einfluss der Temperatur der Ätzlösung:  Zur Reaktion von Silizium mit den Molekülen der Ätzlösung müssen die Bindungen der einzelnen Si‐Atome zum Kristallgitter aufgebrochen werden, d.h. die Reaktion muss aktiviert werden. Obwohl bei Raumtemperatur schon eine geringfügige Reaktion registrierbar ist, kann durch Energiezuführung der Reaktionsprozess bedeutend verstärkt werden. Mit steigender Temperatur ist somit ein Ansteigen der Ätzrate für die verschiedenen Si‐Ebenen zu verzeichnen (Bild 5).  Da die Reaktion von den Bindungsenergien im Si, insbesondere den Bindungsenergien der Oberflä‐chenatome abhängt, ist es möglich, die Aktivierungsenergie E  der Ätzprozesse für die verschieden orientierten Si‐Ebenen zu ermitteln. Dazu wird, wie in Bild 5 zu sehen, die Ätzrate in Abhängigkeit von der reziproken Temperatur in einem halblogarithmischen Diagramm (Arrhenius‐Plot) aufgetragen (Gl. 3).   

)/exp(0 kTERRT          

 ( zrateAusgangsät eV, 0EfürÄtzrate...0 R ; gsenergieAktivierun...E ;  Konstante-Boltzmann...k  ; 

Temperatur...T )   

 Aus dem Anstieg der Geraden ist gemäß Formel (14) die Aktivierungsenergie der Reaktion bestimm‐bar: 

          )/(tan TRE           (14) 

 

 

Bild 5: Vertikale Ätzrate als Funktion der Temperatur und der Kristallebenen (100), (110) und (111) /Men97/ 

       

Maskierung:  Als Maskierung beim anisotropen nasschemischen Siliziumätzen kommt Photolack nicht in Frage, da 

dieser den Ätzlösungen nicht standhält. Vielmehr werden Siliziumoxid ( 2SiO ) und/oder Siliziumnitrid 

( 43 NSi ) verwendet. 

Beim Ätzen in KOH eignet sich sehr gut eine Schicht LPCVD‐ 43 NSi  als Maskierung, unter die aller‐

dings erst eine dünne Schicht thermisches Oxid (10...50nm) aufgebracht wird, um die effektive innere Spannung in der Schicht zu reduzieren.  

Die Ätzrate von  43 NSi  ist in allen relevanten Konzentrationen und Temperaturen vernachlässigbar. 

Es zeigt sehr gute Haftung auf Si bzw.  2SiO  und eine geringe Pinhole‐Dichte (Löcher in der Schicht). 

Alternativ wird auch PECVD‐ 43 NSi  verwendet, das eine geringe Ätzrate kleiner 1nm/min besitzt, die 

allerdings stark vom Abscheidungsprozess abhängt. Gleichfalls ist die Defektrate höher und es tritt eine größere Unterätzung durch die geringere Haftung auf. 

Thermisches  2SiO  hingegen ergibt eine praktisch defektfreie und homogene Schicht. Doch ist beim 

thermischen Siliziumoxid die Selektivität gegenüber Si in KOH mit 200 bis 300 gering und beim Design 

zu beachten (dickere Maskierungsschicht). Noch geringer ist die Selektivität bei PECVD‐ 2SiO  welches 

nur bei kurzen Ätzzeiten verwendet werden sollte. Eine Verbesserung erreicht man durch Verwen‐dung von TMAH oder EDP als Ätzlösung, da die Selektivität viel größer ist. In der Mikrotechnik wird häufig das Aluminium als Metall für Bondpads und Leiterbahnen verwendet. Dies ist bei der Reihenfolge der Prozessierung eines Wafers zu beachten (erst Ätzen, dann Alu), da es durch KOH sowie alle anderen Siliziumätzer sehr gut geätzt wird (Ätzrate > 1µm/min). Trotz einer 

Passivierung z.B. mit PECVD‐  43 NSi  oder  43 NSi / 2SiO  kann es wegen der Pinholes in der Schutz‐

schicht lokal zerstört werden. /Men01/,/Fran04/  Die Strukturierung der Maskierungsschicht erfolgt auf photolithographischem Weg. Zum Ätzen der 

Schicht werden meist heiße Phosphorsäure für  43 NSi , Flusssäure für  2SiO  oder Trockenätzprozesse 

mit  6SF für SiC , 43 NSi und  2SiO  verwendet /Völ00/. 

 Anlagen:  Als Ätzapparatur für das anisotrope nasschemische Ätzen von Silizium im Labormaßstab eignet sich ein doppelwandiges, öltemperiertes Ätzgefäß mit genauer Thermostatisierung /Men97/. Für eine möglichst konstante Konzentration wird ein Rückflusskühler verwendet, der die aufsteigenden Dämp‐fe auskondensieren lässt und ein Entweichen des entstehenden Wasserstoffs erlaubt. Bei Verwen‐dung von EDP‐Ätzlösungen kommt zusätzlich eine Spülung mit Inertgas (Stickstoff, Argon) zum Ein‐satz, um eine Veränderung der Ätzeigenschaften durch Kontakt der Lösung mit Luftsauerstoff zu vermeiden. Eine gute Absaugung ist nötig um das toxische EDP zu handhaben.  

 

Bild 6: Beispiel für eine Ätzapparatur zum anisotropen Si‐Ätzen (KOH) /Fis00/ 

 

2.2.2 Grundstrukturen / Designregeln  Bestimmend für das Design und die möglichen Strukturen beim nasschemischen Ätzen von Silizium ist die Ätzratenabhänigkeit von den verschiedenen Kristalleben im Substrat, also die Anisotropie des Prozesses. Abhängig von der Verwendung von (100)‐ oder (110)‐orientierten Wafern ergeben sich verschiedenen Grundstrukturen. Bild 7 zeigt in der Literatur angegebene Kennzeichnungen der Wafer durch verschieden angeordnete Flats/Notches zur Unterscheidung des Substratmaterials in Bezug auf Dotierung und Oberflächenorientierung. Das Primary Flat ist in [110]‐Richtung ausgerichtet.  

 

Bild 7: Wafer‐Flats zur Kenzeichnung von Dotierung und Oberflächenorientierung /Völ00/ 

 Gruben und Wannen/Tröge:  Bei Verwendung von <100>‐Siliziumwafern ergeben sich durch die unterschiedlichen Ätzraten der verschiedenen Kristallebenen charakteristische Gruben und Wannen mit durch die Lage der Kristall‐ebenen festgelegten Winkeln. Als Ausrichtung der Öffnungen in der Maske wird hierbei das Primary Flat, welches in [110]‐Richtung liegt, verwendet. Bild 8 zeigt das Prinzip des Ätzangriffes am <100>‐Siliziumwafer.  

 

Bild 8: Ätzprozess im <100>‐Siliziumwafer /Völ00/ 

 Alle zur Waferoberfläche parallel liegenden Kristallebenen sind ebenfalls (100)‐Ebenen und werden durch das Ätzmedium abgetragen. Die (111)‐Ebenen welche durch ihre niedrige Ätzrate quasi als Ätz‐stopp wirken stehen im Winkel von 54,74° auf den (100)‐Ebenen so dass alle Seitenwände in Gruben (Pyramiden, Pramidenstümpfe bei vorzeitigem Abbruch des Ätzens) und Wannen (V‐Graben, Trog) ebenfalls diesen Neigungswinkel besitzen. Bild 9 zeigt die rechteckigen Grundformen in einem aniso‐trop geätzten <100>‐Siliziumwafer. 

 

Bild 9: Grundformen rechteckiger Strukturen in <100>‐Siliziumwafern anisotrop geätzt /Völ00/ 

 Aus den in Bild 9 dargestellten geometrischen Größen können folgende Gleichungen für die Dimensi‐onen der Ätzgruben bei definierter Maskenöffnung  a  abgeleitet werden:  

2tan

2

aad   mit  74,54   (Tiefe der Pyramide/V‐Graben)  (15) 

 2

2tan

db a a d

      (Breite des Bodens im Trog)  (16) 

  

Gemäß Gleichung (6) angewandt auf die Skizze in Bild 9 ergibt sich ein maximales Aspektverhältnis 

von  414,1aspA . 

 Die Ätztiefe kann bei guter Kontrolle der Prozessparameter über die Ätzzeit sowie über Ätzstopp‐schichten kontrolliert werden (siehe Ätzstopp).  Zu beachten ist, dass bei Maskenöffnungen die in ihrer Ausrichtung zum Flat abweichen oder undefi‐nierte Geometrien aufweisen immer Unterätzung auftritt und rechteckige Strukturen gebildet wer‐den, Bild 10.  

 

Bild 10: Einfluss der Geometrie der Maskenöffnung /in Anl. an Völ00/ 

 Dieser Effekt wird genutzt um mikromechanische Grundstrukturen wie Membran, Brücken, Zunge und Biegebalken, Spitzen und Spitzenarrays sowie Mesa‐Strukturen herzustellen (sie‐he Literatur).  Dementsprechend wird die Maßhaltigkeit der Ätzgruben vor allem durch zwei Effekte bestimmt: durch eine geringfügige Unterätzung der Maskierungsschicht und durch den Fehler bei der Justierung der Maskierungsschichtöffnungen in Bezug auf die Durchstoßlinien der (111)‐Ebenen bzw. dem Flat.  Eine Möglichkeit der Herstellung von Durchbrüchen im Wafer mit nahezu senkrechten Seitenwänden bietet das doppelseitige Ätzen von <100>‐Silizium, Bild 11. Voraussetzung dafür ist eine minimale Kantenlänge b  der Öffnung von  

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db                 (17) 

 in Abhängigkeit von der Substratdicke d, um ein Durchätzen zu ermöglichen. Nach dem Durchätzen liegen an der Kante der ätzbegrenzenden (111)‐Ebenen (Kante K in Bild 11) andere Kristallebenen frei, an denen ein starker Ätzabtrag beginnt. Bei diesem seitlichen Ätzvorgang werden vorwiegend (110)‐Ebenen und höher indizierte Unterebenen abgetragen. Die  Ätzraten und auch das Verhältnis der Ätzraten in den einzelnen Kristallrichtungen sind nicht konstant, sondern hängen von den spezifi‐schen Substrateigenschaften wie Defektdichte, Verunreinigungen und Fehlorientierungen sowie den Ätzbedingungen ab.  

       

 

Bild 11: senkrechte Seitenwände durch doppelseitiges Ätzen von <100>‐Silizium (u.a. /Fran04/) 

 Bei der Verwendung von <110>‐Silizium entstehen Gruben mit senkrechten Seitenwänden, da einige (111)‐Ebenen senkrecht zur Waferoberfläche stehen. Allerdings entstehen dabei keine rechteckigen sondern rautenförmige Öffnungen mit Winkeln von 70,5° und 109,5° zwischen den Seiten, Bild 12. Es bilden sich meist keine flachen Böden in den Gräben sondern ein U‐Profil /Fran04/.  

 

Bild 12: Anisotropes Ätzen von <110>‐Silizium 

 Prinzipiell ist das Ätzen von <111>‐Silizium mittels KOH nicht möglich. Allerdings kann durch einen Plasmaätzprozess die Oberfläche quasi geöffnet und andere ätzbare Ebenen freigelegt werden. Die Tiefe der Struktur ist dann durch die Tiefe des Plasmaätzprozesses festgelegt und die Form des ent‐stehenden Loches resultiert aus der Lage der Maskenöffnung zum Waferflat ((110)‐Richtung). Es er‐geben sich Flankenwinkel von 70,5° und 90° und rechteckige Strukturen werden zu sechseckigen /Fran04/.   

Verlauf

einseitig doppelseitig

Eckenkompensation  Wichtig bei Ätzen von Strukturen in Silizium in KOH ist das unterschiedliche Ätzverhalten an konvexen und konkaven Ecken. Für einige Mikrosysteme ist es nötig, Strukturen (z.B. Kanäle) mit beiden Ecken‐formen zu erzeugen. Konkave Ecken lassen sich infolge der Selbstbegrenzung durch die (111)‐Ebenen (sieh oben) problem‐los herstellen. An konvexen Ecken treten allerdings, bedingt durch den Ätzprozess, höher indizierte Ebenen (z.B. (311)‐E. o. (411)‐E.) hervor. Ohne eine Eckenkompensation ergibt sich das in Bild 13 dar‐gestellte Ätzergebnis mit „abgerundeter“ konvexer Ecke.  

Oberfläche

Grund

 

Bild 13: Konvexe Ecke /Fran04/ 

 Um dennoch konvexe Ecken zu erhalten müssen Strukturen geschaffen werden, die während des Ätzprozesses abgetragen werden und als Resultat nahezu konvexe Ecke haben. Die in Bild 14 gezeig‐ten Strukturen eignen sich als Eckenkompensationsstrukturen.  

 

Bild 14: Verschiedene Designs für die Eckenkompensation und Auswirkung im Ätzergebnis /Fran04/ 

 Der Effekt der Ätzung von konvexen Ecken kann aber auch absichtlich genutzt werden, um Masken‐strukturen, die später als Brücke oder Biegebalken fungieren, zu unterätzen (Bild 15).  

          

Bild 15: Prinzip Biegebalken durch Unterätzung an konvexen Ecken /Men01/ und Beispiel /Völ00/ 

 

2.2.3 Ätzstoppverfahren  Um mikrosystemtechnische Bauelemente mit gewünschter Ätztiefe zu fertigen, ist es nötig den Ätz‐prozess exakt zu stoppen. Die einfachste Methode ist die Kontrolle des Ätzprozesses über die Zeit, indem der Wafer nach einer festgelegten Zeit aus der Ätzlösung entfernt wird. Allerdings sind dafür eine genaue Kenntnis der Ätzrate und eine hohe Stabilität der Ätzparameter wie Temperatur und Konzentration der Ätzlösung nötig.  Eine weitere, schon beschriebene Möglichkeit des Ätzstoppes ist die Ausnutzung der kristallrich‐tungsabhängigen Ätzraten im Silizium. Zuverlässigere Varianten des Ätzstoppes sind allerdings die Verwendung des Bor‐Ätzstoppes mittels Bordotierung des Siliziums, das elektrochemische Ätzen mit Ausnutzung der Effekte am pn‐Übergang sowie chemisch oder technisch vergrabene Ätzstoppschichten.  Ätzstopp durch Bordotierung  Das Prinzip des Ätzstoppes durch Bordotierung beruht auf dem starken Abfall der Ätzrate von bordo‐tiertem Silizium wenn die Borkonzentration mehr als 1019cm‐3 beträgt. Bild 16 zeigt den Abfall der Ätzrate in KOH.   

 

Bild 16: Einfluss der Bordotierung auf die Ätzrate von Silizium in KOH (p++ Ätzstopp) a) KOH‐ Konzentration als Parame‐ter; b) mit Ätztemperatur für 24% KOH als Parameter /Fran04/ 

 Mit Hilfe von   

- Ionenimplantation (meistens) - Kristallwachstum - Epitaxie - Diffusion - NDT (neutron transmutation doping) 

 Werden Zwischen‐ oder Rückseitenschichten erzeugt an denen der Ätzprozess durch die starke Ver‐minderung der Ätzrate stoppt.  Elektrochemisches Ätzen  Bei einigen Anwendungen (z.B. Drucksensor mit p‐Si) ist es nicht möglich hohe Bordotierungen wie sie beim Ätzstopp durch Bordotierung benötigt werden einzubringen, da sonst die Funktion durch zu hohe innere mechanische Spannung oder Wechselwirkung mit gleichzeitig auf dem Chip eingebrach‐ter Elektronik entstehen. Hier bietet sich an, da es sich beim Ätzen von Silizium um einen elektrochemischen Prozess handelt, die Ätzrate durch elektrische Felder zu beeinflussen und durch Anlegen einer Spannung eine ätzstop‐pende Wirkung an einem pn‐Übergang (mit geringer Dotierung) zu erzielen /Men97/, /Mad02/. Hierbei kommen p‐dotierte Siliziumwafer mit einer n‐dotierten Ätzstoppschicht zum Einsatz. An der zu schützenden Seite wird eine positive Vorspannung von 0,6‐1V angelegt. Durch den Spannungsab‐fall am pn‐Übergang bleibt die nicht kontaktierte Seite unterhalb der kritischen Spannung, die für den Ätzstopp erforderlich ist, und ist somit ätzbar. Ursache ist, dass das sich bildende Siliziumoxid im chemischen Ätzprozess schneller geätzt wird als es sich bildet. Bei höheren Spannungen entsteht eine passivierende SiO2‐Schicht. Dies geschieht auch, wenn die Ätzfront das n‐Silizium erreicht, der pn‐Übergang zerstört wird und die Spannung ansteigt, da kein Spannungsabfall mehr vorliegt.  Bild 17 

zeigt den prinzipiellen Aufbau sowie die Spannungsverhältnisse. Die Referenzelektrode dient zur besseren Regelung der Spannung. /Fran04/    

 

Bild 17: a) Prinzip des elektrochemischen Ätzens mit Ätzstopp am pn‐Übergang; b) Passivierungspotential und Regime der anodischen Oxidation /Fran04/ 

 Dieses Verfahren eignet sich besonders zum Ätzen besonders dünner Membranen und ist mit CMOS‐Prozessen (z.B. Elektronik Drucksensor) aufgrund der geringen Dotierung kompatibel.  Ätzstopp durch vergrabene Zwischenschichten  Zwei Varianten des Ätzstoppes mit Schichten sind die auch schon beschriebenen Ätzstoppmethoden mit Bordotierung und pn‐Übergang. Weiterhin lassen sich in bzw. auf das Silizium Schichten aus Materialien wie Siliziumoxid oder Silizi‐umnitrid auf‐ und einbringen, die vom Ätzmedium nicht angegriffen werden und so als Ätzstopp wir‐ken.   

 

Bild 18: Ätzstopp mittels nicht ätzbaren Schichten 

SiO2 oder Si3N4

Si

definierte Membran

SOI-Substrat

Si

Si SiO2

definierte Düse

3 Versuchsvorbereitung 

 1. Informieren Sie sich über die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Siliziums (Kris‐

tallaufbau, Millersche Indices, Herstellung von monokristallinen Si‐Wafern)! 2. Machen Sie sich mit den Prinzipien der Herstellung mikromechanischer Grundstrukturen wie 

Gruben, V‐Gräben, Membran, Brücken, Zunge etc. vertraut!  Folgende Fragen sind kurz schriftlich zu beantworten:  3. Erläutern Sie die Wagon‐Wheel‐Methode zur Bestimmung der Ätzrate im Silizium! 4. Welche physikalischen und geometrischen Größen dienen zur Charakterisierung des Ätzvor‐

gangs und des Ätzergebnisses? 5. Erklären Sie das Prinzip des isotropen nasschemischen Ätzens (Eigenart, Chemie)! 6. Wie läuft das anisotrope nasschemische Ätzen ab? Welche charakteristischen Eigenschaften 

sind ihnen bekannt? 7. Nennen Sie Einflussfaktoren auf die Ätzrate beim anisotropen nasschemischen Ätzen! 8. Wie kann die Aktivierungsenergie der verschiedenen Kristallebenen im Silizium im Experiment 

ermittelt werden? 9. Warum ist die Eckenkompensation wichtig?  Wie wird sie angewandt? 

  

4 Literatur 

 /Fis00/  Fischer, Wolf‐Joachim: Mikrosystemtechnik. 1. Auflage. Würzburg: Vogel Verlag, 2000. (79 ELT ZN 

4980 F529) /Fran04/  Franssila, Sami: Introduction to Microfabrication. 1. Auflage. Chichester: WILEY Verlag, 2004. (69 

ELT ZN 4136 F835) /Ger97/  Gerlach, Gerald; Dötzel, Wolfram: Grundlagen der Mikrosystemtechnik. 1. Auflage. München: 

Hanser Verlag, 1997. (79 ELT ZN 3750 G371) /Mad02/  Madou, Marc: Fundamentals of microfabrication : The science of miniaturization. 2. Auflage. Boca 

Raton: CRC Press Verlag, 2002. (69 ELT ZN 4136 M183(2)) /Men01/  Menz, Wolfgang; Mohr, Jürgen; Paul, Oliver: Microsystem Technology. 1. Auflage. Weinheim: 

WILEY‐VCH Verlag, 2001. (69 ELT ZN 3750 M551 M6) /Men97/  Menz, Wolfgang; Mohr, Jürgen: Mikrosystemtechnik für Ingenieure. 2. Auflage. Weinheim: VCH 

Verlag, 1997. (79 ELT ZN 3750 M551) /Völ00/  Völklein, Friedemann; Zetterer, Thomas: Einführung in die Mikrosystemtechnik. 1. Auflage. Braun‐

schweig/Wiesbaden: Vieweg Verlag, 2000. (79 ELT ZN 3700 V873) 

    

Kristallebenen:  

  aus: Franssila, Sami: Introduction to Microfabrication. 1. Auflage. Chichester: WILEY Verlag, 2004. (69 ELT ZN 4136 F835)