Trockenätzung vs. Nassätzung

Das Ätzen ist ein Verfahren, das in der Mikrofabrikation, bei dem eine oder mehrere Materialschichten von der Oberfläche eines Wafers. Das Ätzen ist ein entscheidender und äußerst wichtiger Schritt bei der Herstellung mikroelektronischer Bauteile, da jeder Wafer zahlreiche Ätzschritte durchlaufen kann. Bei vielen Ätzschritten wird ein Teil des Wafers durch ein sogenanntes Maskierungsmaterial, das ätzbeständig ist, vor dem Ätzmittel geschützt. In einigen Fällen handelt es sich bei dem Maskierungsmaterial um einen Fotolack , das mittels Fotolithografie strukturiert wurde. In anderen Fällen ist eine haltbarere Maske erforderlich, wie beispielsweise Siliziumnitrid. Wird das Ätzen durchgeführt, um einen Hohlraum in einem Material zu erzeugen, lässt sich die Tiefe des Hohlraums unter anderem durch die Steuerung der Ätzzeit und der Ätzgeschwindigkeit regulieren. Dennoch erfordert das Ätzen in der Regel, dass die gesamte oberste Schicht einer Mehrschichtstruktur entfernt wird, ohne die darunterliegenden oder maskierenden Schichten zu beschädigen. Die Fähigkeit des Ätzsystems, dies zu leisten, hängt vom Verhältnis der Ätzgeschwindigkeiten in den beiden Materialien ab: Dies wird als Selektivität bezeichnet. Die beiden grundlegenden Arten von Ätzmitteln sind die Flüssigphase und die Plasmaphase. Der Ätzprozess, bei dem flüssige Chemikalien oder Ätzmittel verwendet werden, um Material vom Substrat zu entfernen, wird als Nassätzen bezeichnet. Beim Plasmaätzverfahren, auch als Trockenätzen bekannt, werden Plasmen oder Ätzgase eingesetzt, um Material vom Substrat zu entfernen. Beim Trockenätzen entstehen gasförmige Produkte, die in das Umgebungsgas diffundieren und durch das Ab vide ssystem abgeführt werden müssen. Es gibt drei Arten des Trockenätzens: chemische Reaktionen (unter Verwendung von Plasma oder reaktiven Gasen), physikalische Abtragung (in der Regel durch Impulsübertragung) und eine Kombination aus chemischen Reaktionen und physikalischer Abtragung. Das Nassätzen hingegen ist ausschließlich ein chemischer Prozess.

Was versteht man unter Nassätzen in der Mikrofabrikation?

Die wichtigste Nassätztechnik ist das sogenannte „chemische Nassätzen“. Das teilweise abgeschirmte Substrat wird in eine Lösung getaucht, die die Oberfläche des ungeschützten Wafers chemisch ätzt. Dabei handelt es sich in der Regel um eine Säure, wie beispielsweise Flusssäure für ein Siliziumsubstrat (die einzige Säure, die mit der sich auf der Siliziumoberfläche natürlich bildenden Siliziumdioxidschicht reagieren kann) oder Salzsäure für ein Galliumarsenid-Substrat (das Chloridion reagiert stark mit dem Gallium) oder schwächere Säuren wie Zitronensäure.

Was sind die Vorteile des Nassätzens? ✅

• Die Einfachheit der Ausrüstung.
• einfach umzusetzen.
• Lässt sich problemlos industriell umsetzen.
• Die Ätzrate ist besonders hoch, wodurch der Ätzvorgang schnell abläuft und somit eine Beschädigung der Schutzschicht vermieden wird.
• Gute Materialselektivität.

Was sind die Nachteile des Nassätzens? 😓

• Sehr hohe Kosten.
• Diese Ätzung ist in hohem Maße isotrop = die Säure greift das Substrat in alle Richtungen an, wodurch ein nahezu halbkugelförmiges Ätzprofil entsteht.
• Erfordert große Mengen an Ätzchemikalien.
• Die Ätzchemikalien müssen regelmäßig ausgetauscht werden, um die ursprüngliche Ätzgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten.

Angesichts seiner Nachteile wird dieses Verfahren immer seltener angewendet; stattdessen wird zunehmend auf das Trockenätzen zurückgegriffen.

Was versteht man unter Trockenätzung in der Mikrofabrikation?

Die mit Plasma erzeugten Ätzungen können je nach den verwendeten Plasmaparametern variieren. Das herkömmliche Plasmaätzen findet im Bereich von 0,1 bis 5 Torr (etwa 133,3 Pa) statt. Das Plasma erzeugt energiereiche, neutral geladene freie Radikale, die an der Waferoberfläche reagieren. Wenn die neutralen Teilchen die Wafer Aus jeder Perspektive betrachtet ist dieser Prozess isotrop. Das Plasmagas enthält Moleküle mit einem hohen Gehalt an Chlor oder Fluor. So ist beispielsweise bekannt, dass Tetrachlorkohlenstoff (CCl₄) Silizium und Aluminium angreift, während Trifluormethan Siliziumdioxid und Siliziumnitrid angreift. Stattdessen wird ein Sauerstoffplasma verwendet, um den Fotolack zu oxidieren und dessen Entfernung zu erleichtern. Eine weitere Technik ist ebenfalls weit verbreitet: Ionenfräsen. Auch bekannt als Sputterätzen (oder Sputtern), bei dieser Technik werden niedrigere Drücke von etwa 10^-4 Torr (10 mPa). Dabei wird der Wafer mit energiereichen Ionen von Edelgasen wie Ar+ beschossen, die durch die Übertragung kinetischer Energie Atome aus dem Substrat herauslösen. Da das Ätzen durch den unidirektionalen Beschuss des Wafers mit den Ionen erfolgt, ist dieser Prozess anisotrop. Dennoch weist dieses Verfahren eine geringe Selektivität auf. Die bekannte Technik unter Verwendung reaktiver Ionen (RIE für Reaktives Ionenätzen) arbeitet unter Bedingungen, die zwischen Sputtern und Plasmaätzen liegen (zwischen 10^-3 und 10^-1 Torr). Das Deep Reactive Ion Etching (DRIE) ähnelt dem RIE, ermöglicht jedoch die Herstellung tieferer und schmalerer Strukturen.

🧠 Was Sie beim Nass- und Trockenätzen beachten müssen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Nassätzen und Trockenätzen zwei unterschiedliche Verfahren sind, die in der Mikrofabrikation zum Abtragen von Material von der Oberfläche eines Wafers eingesetzt werden.Das Nassätzen ist einfacher und leichter umzusetzen, ist jedoch mit höheren Kosten verbunden und erfordert große Mengen an Ätzchemikalien.Das Trockenätzen ist teurer und erfordert komplexe Anlagen, ist jedoch effizienter und präziser. Beide Verfahren haben ihre jeweiligen Vor- und Nachteile, sodass die Wahl des geeigneten Verfahrens von der jeweiligen Anwendung abhängt.

Unabhängig davon, für welche Technik man sich entscheidet, sind beide Schritte für die Herstellung mikroelektronischer Bauteile unverzichtbar.