Trockenätzen VS Nassätzen

Das Ätzen ist ein Verfahren in der Mikrofabrikation, bei dem eine oder mehrere Materialschichten von der Oberfläche eines Wafers entfernt werden. Das Ätzen ist ein kritischer und äußerst wichtiger Schritt bei der Herstellung mikroelektronischer Komponenten, da jeder Wafer zahlreiche Ätzschritte durchlaufen kann. Bei vielen Ätzschritten wird ein Teil des Wafers durch ein sogenanntes Maskierungsmaterial, das gegenüber dem Ätzmittel beständig ist, geschützt. In einigen Fällen handelt es sich bei dem Maskierungsmaterial um einen Fotolack, der mittels Fotolithografie strukturiert wurde. Andere Anwendungen erfordern eine widerstandsfähigere Maske, wie etwa Siliziumnitrid. Wenn das Ätzen zur Erzeugung einer Kavität in einem Material durchgeführt wird, lässt sich die Tiefe dieser Kavität unter anderem durch die Steuerung der Ätzzeit und der Ätzgeschwindigkeit regulieren. Dennoch erfordert das Ätzen in der Regel die vollständige Entfernung der obersten Schicht einer Multischichtstruktur, ohne die darunterliegenden oder maskierenden Schichten zu beschädigen. Die Fähigkeit des Ätzsystems, dies zu gewährleisten, hängt vom Verhältnis der Abtragsraten der beiden Materialien zueinander ab: Dies wird als Selektivität bezeichnet. Die beiden grundlegenden Arten von Ätzmitteln basieren auf der flüssigen Phase oder der Plasmaphase. Der Prozess, bei dem flüssige Chemikalien oder Ätzmittel zur Materialentfernung vom Substrat genutzt werden, wird als Nassätzen bezeichnet. Beim Plasmaätzverfahren, das auch als Trockenätzen bekannt ist, werden Plasmen oder Ätzgase verwendet, um Material vom Substrat abzutragen. Beim Trockenätzen entstehen gasförmige Produkte, die in das umgebende Gas diffundieren und über das videsystem abgeführt werden müssen. Es gibt drei Arten des Trockenätzens: chemische Reaktionen (unter Einsatz eines Plasmas oder reaktiver Gase), physikalische Abtragung (in der Regel durch Impulsübertragung) sowie eine Kombination aus chemischen Reaktionen und physikalischer Abtragung. Das Nassätzen hingegen ist ein reiner chemischer Prozess.

Was ist Nassätzen in der Mikrofabrikation?

Die wichtigste nasschemische Ätztechnik ist das sogenannte „chemische Nassätzen“. Das teilweise geschützte Substrat wird in eine Lösung getaucht, die die Oberfläche des ungeschützten Wafers chemisch anätzt. Dabei handelt es sich im Allgemeinen um eine Säure wie Flusssäure bei einem Siliziumsubstrat (das einzige Medium, das mit der Siliziumdioxidschicht reagieren kann, die sich natürlicherweise auf der Siliziumoberfläche bildet) oder Salzsäure bei einem Galliumarsenidsubstrat (wobei das Chloridion stark mit dem Gallium reagiert) oder schwächere Säuren wie Zitronensäure.

Welche Vorteile bietet das Nassätzen? ✅

• Die Einfachheit der Ausrüstung.
• Einfache Implementierung.
• Lässt sich problemlos industrialisieren.
• Die Ätzrate ist besonders hoch, was den Ätzvorgang beschleunigt und somit eine Beschädigung der Schutzschicht verhindert.
• Gute Materialselektivität.

Was sind die Nachteile des nassen Ätzens? 😓

• Sehr hohe Kosten.
• Dieses Ätzverfahren ist hochgradig 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 Ätzrate konstant zu halten.

Dieses Verfahren wird aufgrund seiner Nachteile zugunsten des Trockenätzens zunehmend seltener eingesetzt.

Was ist Trockenätzen in der Mikrofabrikation?

Die mit Plasma durchgeführten Ätzungen können je nach den verwendeten Plasmaparametern variieren. Das gewöhnliche Plasmaätzen arbeitet zwischen 0,1 und 5 Torr (ca. 133,3 Pa). Das Plasma erzeugt energetische, neutral geladene freie Radikale, die auf der Waferoberfläche reagieren. Da die neutralen Partikel den Wafer aus allen Winkeln angreifen, ist dieser Prozess isotrop. Das Plasmagas enthält molekülreiche Verbindungen mit Chlor oder Fluor. Beispielsweise ist Tetrachlorkohlenstoff (CCl4) dafür bekannt, Silizium und Aluminium anzugreifen, während Trifluormethan Siliziumdioxid und Siliziumnitrid angreift. Stattdessen wird ein Sauerstoffplasma verwendet, um den Fotolack zu oxidieren und seine Entfernung zu erleichtern. Eine weitere Technik ist ebenfalls weit verbreitet: Ionenstrahlätzen. (Auch bekannt als Sputter-Ätzen (oder Sputtern) , verwendet diese Technik niedrigere Drücke von etwa 10^-4 Torr (10 mPa). Sie besteht darin, den Wafer mit energiereichen Ionen von Edelgasen wie Ar+ zu bombardieren, die durch Impulsübertragung Atome aus dem Substrat herausschlagen. Da das Ätzen durch den unidirektionalen Beschuss des Wafers mit Ionen erfolgt, ist dieser Prozess anisotrop. Dennoch weist dieses Verfahren eine geringe Selektivität auf. Die bekannte Technik des reaktiven Ionenätzens (RIE für Reactive Ion Etching) arbeitet unter intermediären Bedingungen zwischen Sputtern und Plasmaätzen (zwischen 10^-3 und 10^-1 Torr). Das tiefenreaktive Ionenätzen (DRIE) ähnelt dem RIE, kann jedoch tiefere und schmalere Strukturen erzeugen.

🧠 Was Sie über Nass- und Trockenätzen wissen müssen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Nass- und Trockenätzen zwei unterschiedliche Verfahren in der Mikrofabrikation sind, um Material von der Oberfläche eines Wafers zu entfernen. Nassätzen ist einfacher und unkomplizierter in der Anwendung, verursacht jedoch höhere Kosten und erfordert große Mengen an Ätzchemikalien. Trockenätzen ist teurer und erfordert eine komplexe Ausrüstung, arbeitet dafür aber effizienter und präziser. Beide Verfahren haben ihre eigenen Vor- und Nachteile, sodass die Wahl des jeweiligen Prozesses von der jeweiligen Anwendung abhängt.

Unabhängig von der gewählten Technik sind beide Schritte für die Herstellung mikroelektronischer Komponenten essenziell.