Ätzverfahren
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Ätzverfahren: Klassifikation Ätzen – ist eine Verfahrensgruppe zur subtraktiven Strukturerzeugung in dem, von einem geschlossen vorhandenen oder abgeschiedenen Funktionsmaterial, lokal ein Teil entfernt wird. Ätzverfahren Naßätzen Auflösen 1 Chemisches Ätzen Trockenätzen Elektrochemisches Ätzen J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Physikalisches Trokkenätzen Chemische Trockenätzen ChemischPhysikalisches Trokkenätzen Ätzverfahren: Klassifikation Ätzen Naßätzen Stromloses elektroche misches Ätzen Elektrochemisches Ätzen Trockenätzen Fotoelektro chemisches Ätzen Reaktives Ionenätzen Plasmaätzen Ionenstrahlätzen Chemisch unterstütztes Ionenstrahlätzen 2 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Elektronenstrahlätzen Gasphasenätzen Laserätzen Ionenätzen Sputtern Reaktives Ionenstrahlätzen Ätzverfahren: Kenngrößen (1) Ätzrate r= Ätztiefe Δz = Ätzzeit Δt (2) Anisotropie r= vertikale Ätzrate − horizontal e Ätzrate rv − rh = vertikale Ätzrate rv (3) Selektivität S12 = 3 Ätzrate des Materials 1 r1 = Ätzrate des Materials 2 r2 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Ätzverfahren: Isotropes und Anisotropes Ätzen Isotropes Ätzen Kristallografische anisotropes Ätzen 4 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Isotropes Ätzen mit chemischer Selektivität Prozeßinduziertes anisotropes Ätzen Ätzverfahren: Naßchemisches Ätzen Naßätzen Tauchätzen Sprühätzen Ätzmechanismus im gesamtstromlosen Ätzen Oxidation (Anodischer Partialprozeß): Mo + x h+ ↔ Mx+ (Mo ↔ Mx+ + x e-) Reduktion (Kathodischer Partialprozeß): Ro ↔ Rx- + x h+ (Ro + x e- ↔ Rx-) Summe: Mo + Ro ↔ Mx+ + Rx- Komplexbildung mit ungeladenen Liganden: M + m Y ↔ [MYm]+ + m eM+ + m Y ↔ [MYm]+ 5 Komplexbildung mit anionischen Liganden: M + n X- ↔ [MXn]- + (n-1) e- Passivierung: M+ + X- ↔ D↓ J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Ätzverfahren: Naßchemisches Ätzen Schematische Darstellung von naßchemischen Ätzbänken 6 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Ätzverfahren: Naßchemisches Ätzen Isotropes Ätzen Siliziumätzrate in Mikrometer pro Minute und Oberflächenmorphologie als Funktion der Zusammensetzung für HF-HNO3-H2O Gemische 7 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Schichtabscheidung: Aufdampfen Isotropes Ätzen: HF-HNO3-H2O 8 Primäroxidantbildung: H2O ↔ OH- + H+ Lochgeneration: HNO2 + HNO3 ↔ N2O4 + H2O N2O4 ↔ 2 NO2 2 N2O ↔ 2 N2O- + 2 h+ 2 N2O- + 2 H+ ↔ 2 HNO2 Siliziumoxidation: Si + 2h+ ↔ Si+ Si+ + 2 OH- ↔ Si(OH)2 Si(OH)2 ↔ SiO2 + H2↑ Komplexbildung: SiO2 + 6 HF ↔ H2SiF6 + 2 H2O Summenreaktion: Si + HNO3 + 6 HF ↔ H2SiF6 + HNO2 + H2O + H2↑ J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Ätzverfahren: Naßätzen Isotropes Ätzen: HF-HNO3-H2O/CH3COOH Siliziumätzrate als Funktion der Konzentration von 70% HNO3 mit unterschiedlichen Wasserbeimengungen als Parameter 9 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Abhängigkeit der Ätzrate von der Temperatur der Lösung 20%HF45%HNO3-35%CH3COOH Ätzverfahren: Naßätzen Anisotropes Ätzen: Ethyldiamin – Brenzkatechin – Wasser NH2(CH2)2NH2 – C6H4(OH)2 – H2O Primäroxidantbildung: NH2(CH2)2NH2 + H2O ↔ NH2(CH2)2NH3+ + OH- 10 Siliziumoxidation: Si + 2 OH- + 4 H2O ↔ Si(OH)62- + 2 H2 Komplexbildung: Si(OH)62- + 3 C6H4(OH)2 ↔ (Si(O2C6H4)3)2- + 6 H2O Summenreaktion: 2 NH2(CH2)2NH2 + Si + 3 C6H4(OH)2 ↔ 2 NH2(CH2)2NH3+ + + (Si(O2C6H4)3)2- + 2 H2↑ J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Ätzverfahren: Naßätzen Anisotropes Ätzen: Ethyldiamin – Brenzkatechin – Wasser Maximale Löslichkeit von Si in EDP-Lösung Typ B und F bezogen auf 1 l Ätzflüssigkeit 11 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Vertikale Ätzrate als Funktion der Temperatur für die Hauptkristallebenen (100), (110) und (111) in einer EDP-Lösung Typ S Ätzverfahren: Naßätzen Anisotropes Ätzen: Ethyldiamin – Brenzkatechin – Wasser Laterales Unterätzen auf (100) (a) und (110) orientierten Siliziumscheiben als Funktion des Winkels auf der Scheibe (EDP Lösung A bei 95°C) 12 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Ätzverfahren: Naßätzen Anisotropes Ätzen: Ethyldiamin – Brenzkatechin – Wasser p < 1019 cm-3 p > 1019 cm-3 Siliziumätzrate auf (100) und (110) Scheiben als Funktion der Bordotierung (EDP Typ S bei 49°C) 13 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Ätzverfahren: Naßätzen Ätzmorphologien: Si Strukturelemente und Maskenpositionierung beim anisotropen Ätzen auf (100) und (110) Si-Substraten 14 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Ätzverfahren: Naßätzen Ätzmorphologien: GaAs Schematische Darstellung der Grabenprofile auf (001) Oberflächen bei Orientierung dr Maskenkanten in orthogonalen <110> Richtungen für ATyp Anisotropie (durchgezogen) und B-Typ Anisotropie (gestrichelt) 15 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Ätzverfahren: Trockenätzen Elementare Prozesse in Trockenätzreaktoren (1) Anregung A2 + e- → A2* + e(2) Dissozziation A 2 + e- → 2 A + e (3) Elektronenaufnahme A2 + e- → A2(4) Dissoziative Elektronen Aufnahme A2 + e- → A + A(5) Ionisation A2 + e- → A2+ + 2e(6) Photoemission A2* → A2 + hν (7) Abstraktion 16 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 A +B2 → AB + B Ätzverfahren: Trockenätzen Reaktoren Barrelreaktor 17 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Ätzverfahren: Trockenätzen Reaktoren Parallelplattenreaktor 18 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Ätzverfahren: Trockenätzen Reaktoren Hochdichte Plamareaktoren 19 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Reaktoren mit separierter Plasmakammer Ätzverfahren: Trockenätzen Ätzratenabhängigkeit Ätzrate als Funktion des Gasdurchsatzes 20 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Ätzrate als Funktion des Reaktordruckes Ätzverfahren: Trockenätzen Maskeneffekt Schematische Darstellung der Maskenerrosion und anschließender Facetierung des ursprünglich durch die Maske geschützten Materials 21 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Ätzverfahren: Trockenätzen Maskeneffekt Verhinderung von Redepositionseffekten durch Maskengestaltung 22 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Ätzverfahren: Trockenätzen Plasma – Morphologie - Effekte Aufladungsladungs- und Transporteffekte beim trockenchemischen Ätzen 23 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Ätzverfahren: Trockenätzen Plasma – Morphologie - Effekte Mikrograbenbildung (Trenching) in Trockenätzprozessen 24 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Ätzverfahren: Trockenätzen Plasma – Morphologie - Effekte Herausbildung von Füßen durch Abschattungseffekte 25 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Ätzverfahren: Trockenätzen Plasma – Morphologie - Effekte Geometrietransformation durch Facettenbildung als Folge der winkelabhängigen Zerstäubungsrate 26 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Ätzverfahren: Trockenätzen Plasma – Morphologie - Effekte Morphologiesteuerung (Mikrograbenausbildungsverhinderung) durch Ausnutzen der winkelabhängigen Zerstäubungsrate 27 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412 Literatur [1] M. Köhler, Ätzverfahren für die Mikrotechnik, Wiley-VCH, Weinheim, 1998 (69 ELT ZN 4150 K77). [2] S.A. Campbell, The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, Oxford Univ. Press., New York, 2001 (69 ELT ZN 4100 C19(2)). [3] D. Widman, H. Mader, D. Friedrich, Technologie hochintegrierter Schaltungen, Springer-Verlag, Berlin, 1996 (69 ELT ZN 4100 W641(2)). [4] I. Ruge, Halbleiter – Technologie, Springer-Verlag, Berlin u.a., 1991 (69 ELT ZN 4100 R928(3)). [5] W. von Münch, Einführung in die Halbleitertechnologie, B.G. Teubner, Stuttgart, 1993 (79 ELT ZN 4100 M948+4). [6] K. Sangwal, Etching of Crystals: Theory, experiment and application, NorthHolland, 1987 (55 PHY UQ 2800 S226). [7] G. Franz, Niederdruckplasmen und Mikrostrukturtechnik, Springer Verlag, Berlin (69 ELT ZN 4136 F837(3)). 28 J. Pezoldt, BG Nanotechnologie, ZMN Zi.316 [email protected] Phone: +49 (0)3677 693412
