Nasschemisches Ätzen - MicroChemicals GmbH

Nasschemisches Ätzen …
... chemische und physikalische Mechanismen
Zuletzt aktualisiert am 25. 11. 2005
Dieses Dokument vermittelt physikalisch-chemische Grundlagen zum nasschemischen Ätzen von
Halbeitern, Metallen und Gläsern und stellt typische Ätzgemische und ihre Eigenheiten vor.
n Ätzen und Lösen
Während der Begriff ‚Lösen’ die Überwindung intermolekularer/-atomarer Wechselwirkung beschreibt, erfolgt
beim Ätzen ein Brechen der chemischen Bindungen eines Festkörpers. Unabhängig davon erfolgt bei jedem
nasschemischen Ätzvorgang auch ein Lösen der Ätzprodukte im Ätzmedium, welches zu diesem Zweck spezielle Additive enthalten kann.
n Etwas Chemie und Physik zu Säuren und Basen
Säuren und Basen: Oxidation und Reduktion
Reines Wasser enthält über die Autoprotolyse H2O + H2O à H3O+ + OH- bei Raumtemperatur ca. 10-7 mol
H3O+ und OH- pro Liter, was gemäß
+
[
pH = − log 10 H 3O
]
einem neutralen pH-Wert von 7 entspricht. Da die Autoprotolyse thermisch aktiviert ist, beträgt der pH-Wert
von 100°C heißem Reinstwasser bereits ca. 6. Die folgende Tabelle gibt einige Beispiele für pH-Werte:
H2O
Seifenlauge KOH (1.4%) KOH (50%)
Stoff
HCl (20%)
Magensaft Haushaltsessig
pH-Wert
-1
1-3
3
7
8-12
13
14.5
Säuren sind Protonendonatoren und erhöhen in wässrigen Lösungen über die Abgabe (Dissoziation) von
Protonen (Bsp. Salzsäure: HCl + H2O à H3O+ + Cl-) die Konzentration der H3O+-Ionen, wodurch der pH-Wert
sinkt. Ein Maß für die Stärke einer Säure ist der Dissoziationsgrad in wässrigen Lösungen, welcher über den
pKs-Wert gemäß
+
−
[
][
 H O ⋅ dissoziier te Säure
pK S = − log 10  3
[undissozii erte Säure ]

]


definiert ist. Sehr starke Säuren wie HClO4, HI, HCL oder H2SO4 sind als wässrige Lösung nahezu vollständig
dissoziiert, den pKs-Wert einiger weniger starken Säuren bei Raumtemperatur zeigt folgende Tabelle:
Starke Säuren
………
schwache Säuren
Stoff
HNO3
H3PO4
HSO4HF
HNO2
CH3COOH
H2CO3
pKS-Wert
-1.32
2.13
1.92
3.14
3.35
4.75
6.52
Die starke Tendenz von H3O+, unter Aufnahme eines Elektrons Protonen abzugeben begründet die oxidierende Wirkung von Säuren.
Basen als Protonenakzeptoren erhöhen in wässrigen Lösungen die Konzentration an OH--Ionen. Nach dem
Massenwirkungsgesetz bleibt bei gegebener Temperatur das Produkt [H3O+]·[OH-] konstant, so dass die H3O+Konzentration sinkt, folglich der pH-Wert steigt. Analog zu Säuren lässt sich die Stärke einer Base in wässrigen
Lösungen definieren über folgende Formel (mit einigen Zahlenbeispielen in der darauf folgenden Tabelle):
[
][
 OH − ⋅ dissoziier te Base +
pK B = − log 10 
 [undissozii erte Base]
] .


Starke Basen
………
schwache Basen
Stoff
NaOH
KOH
S2PO43NH3
HSFpKB-Wert
0.2
0.5
1.0
1.67
4.75
7.08
10.86
Die Tendenz der OH--Ionen, ein Elektron abzugeben begründet die reduzierende Wirkung von Basen.
Chemische Puffer sind Substanzen, welche den pH-Wert einer Lösung trotz der Zugabe oder Entnahme von
H3O+- oder OH- Ionen (z.B. durch deren Verbrauch beim Ätzen oder über Verunreinigungen) auf einem vorgegebenen Wert annähernd konstant halten. Sie erfüllen diese Aufgabe, indem sie H3O+- und OH--Ionen binden
(bzw. über die Freisetzung derer konjugierten Säure/Base neutralisieren), wenn deren Konzentration steigt,
und sie freisetzen, wenn sie sinkt. Pufferlösungen sind schwache (d.h. unvollständig dissoziierte) Säuren/Basen und deren konjugierte Basen/Säuren (bzw. Salze).
Komplexbildung
Zur Unterdrückung des den Wiedereinbaus bereits geätzter Teilchen in das zu ätzende Medium kann über entsprechende Additive in der Ätzlösung die Bildung sog. Komplexe mit den geätzten Teilchen ermöglicht werPositivlacke
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S. 1
den. Ein Komplex ist eine Struktur, bei der ein Zentralatom (meist ein Metallion = das geätzte Element), das
in seiner Elektronenkonfiguration Lücken aufweist, von einem oder mehreren Molekülen oder Ionen (den Liganden) umgeben ist, die jeweils mindestens ein freies Elektronenpaar für die Bindung zur Verfügung stellen.
Ein Beispiel ist die Bildung von Tetrachloroaurat beim Ätzen von Gold in Königswasser.
Lösen, Diffusion und Konvektion
Um eine Anlagerung (u.U. Passivierung) bereits geätzten Materials– als Ion oder Komplex – auf der Oberfläche
des zu ätzenden Stoffes zu verhindern, muss die Ätzlösung eine ausreichende Löslichkeit für das geätzte Medium aufweisen. Mehr zu diesem Thema findet sich in unserem Infoblatt Lösemittel, erhältlich auf Anfrage.
Um frische Ätzlösung an die Oberfläche des zu ätzenden Mediums gelangen zu lassen, als auch die Wiederanlagerung des bereits geätzten Materials zu unterdrücken muss dieses so rasch wie möglich von der zu ätzenden Oberfläche abtransportiert werden. Hierfür stehen zwei Mechanismen zur Verfügung:
Diffusion: Bei Raumtemperatur besitzen Atome thermische Geschwindigkeiten von mehreren 100 m/s. Durch
die in Flüssigkeiten geringe mittlere freie Weglänge resultiert daraus jedoch eine ungerichtete Zitterbewegung,
welche Konzentrationsgradienten nur sehr langsam abbaut.
Konvektion: Entweder durch Gasbildung beim Ätzen, Wärmeentwicklung exothermer Ätzreaktionen oder äußeren Einfluss ist Konvektion eine Voraussetzung dafür, dass der geätzte Stoff rasch auch über makroskopische Distanzen abtransportiert wird und eine räumlich und zeitlich homogene Ätzrate erzielt wird.
n Metalle und Edelmetalle beim Ätzen
Energie, Entropie und Enthalpie
Während z.B. beim Ätzen von SiO2 weniger die Protonenabgabe der (mit einem pKS-Wert >3 nicht sehr starken) Flusssäure, als vielmehr die F--Ionen die Hauptrolle beim Ätzen spielen, ist das Ätzen von Metallen im
Wesentlichen eine Oxidation des Metalls über vom H3O+ abgegebene Protonen, welche dabei gemäß:
Metall + H+ à Metall+ + H
zu H reduziert werden. Würde man nur energetische Aspekte des Ätzens beachten, könnten nur Metalle geätzt
werden, bei denen obige Reaktion exotherm (Änderung der inneren Energie ΔU < 0) abläuft, d.h. Metalle mit
einem Normalpotential E0 größer als das des Wasserstoffs (welches willkürlich auf Null festgelegt wurde). Zu
diesen Metallen zählen alle unedlen Metalle.
Dass auch Edelmetalle mit einem E0 >0 (Beispiel: das leicht ätzbare Kupfer mit E0 = +0.34) geätzt werden
können liegt daran, dass – wie jede andere Reaktion auch - eine Ätzreaktion stattfindet, wenn die Änderung
der freien Enthalpie ΔF=ΔU-T·ΔS negativ ist, d.h. das Produkt aus Temperatur T und Entropieänderung ΔS
positiver als die Änderung der inneren Energie. Ein positives ΔS ist z.B. durch die Zunahme der Zahl der
Translations- und räumlichen Freiheitsgrade durch den Übergang vom Festkörper in die Lösung oder der gelösten Stoffe in die Gasphase (H2-Bildung) gegeben.
Elektronenschalen und Normalpotential
Sowohl die sehr reaktiven Alkalimetalle (Li, K, Na…) als auch viele der inerten Edelmetalle (Au, Ag, Pt…) besitzen ein s-Orbital mit einem ungepaartes Elektron. Während dieses bei Alkalimetallen sehr leicht an Reaktionspartner abgegeben werden kann (à Oxidation), ist es bei Edelmetallen vergleichsweise stark gebunden (positives Normalpotential).
Dies liegt u.a. daran, dass ein Edelmetallatom neben einem (im Falle von Au, Ag, Pt…) unvollständig gefüllten s-Orbital der Hauptquantenzahl n (‚Schale’) ein vollständig gefülltes d-Orbital der Hauptquantenzahl n-1
besitzt (Beispiel Elektronenkonfiguration Gold: [Xe]4f145d106s1). Dieses d-Orbital ragt teilweise über das sOrbital hinaus und schirmt es räumlich gegen mögliche Reaktionspartner ab. Hinzu kommt, dass der Atomkern
aus Sicht des ungepaarten s-Elektrons elektrostatisch nur durch den weiter innen liegenden Anteil des dOrbitals abgeschirmt ist und das s-Elektron somit stärker an den Kern gebunden wird.
Manche Edelmetalle besitzen keine ungepaarten Elektronen in ihrer Hülle. Das äußerste s-Orbital ist entweder
leer (wie bei z.B. Palladium) oder vollständig mit einem Elektronenpaar gefüllt (z.B. bei Iridium), was die chemische Stabilität weiter erhöht. So löst sich Iridium erst in 100°C heißem Königswasser.
n Ätzen von Aluminium
Typische Al-Ätzen bestehen aus 1-5% HNO3* (Oxidation des Al), 6575% H3PO4* (lösen des Al-Oxids), 5-10% Essigsäure* (zur Benetzung)
und H2O zum Einstellen der Ätzrate bei gegebener Temperatur.
Das Ätzen von Al ist stark exotherm. Ein (unvermeidliches, da isotroper
Ätzvorgang) Unterätzen der Lackmaske führt ohne ausreichende mechanische Umwälzung der Ätze über lokale Erwärmung (Abb. rechts) der Ätze an diesen Stellen zu einem selbstverstärkten Unterätzen.
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S. 2
HNO3* = 70% HNO3 in H2O
H3PO4* = 85% H3PO4 in H2O
3.5
3
Ätzrate(10 Å/min)
Starke H2-Bildung (Bläschen) verringert die Homogenität des Ätzvorgangs. Der eigentliche Al-Ätzvorgang startet erst, wenn durch das H3PO4
die auf Al-Oberflächen grundsätzlich vorhandenen, wenigen nm Aluminiumoxid aufgelöst wurden. Aus diesem Grund wirkt sich auch die Fotolackprozessierung auf einen nachfolgenden Al-Ätzschritt aus: Alkalische Entwicklerlösungen greifen die Al-Oxidschicht verstärkt dort an,
wo der Lack am ehesten durchentwickelt ist (z.B. an dünneren Lackstellen, an den Rändern entwickelter Strukturen oder an entwickelten Strukturen zunehmender Größe). Je nach Grad der Überentwicklung und der
Wartezeit zwischen Entwicklung und Al-Ätzen kann dies dann zu einem
räumlich inhomogenen Al-Ätzstart und damit zu unterschiedlich tief geätztem Al führen.
3.0
2.5
74 ml H3PO4*
2.5 ml HNO3*
23.5 ml H2O
2.0
1.5
1.0
0.5
20
24
28
32
36
Ätzemperatur (°C)
40
CH3COOH* = 99% CH3COOH in H2O
n Ätzen von Chrom
Chromätzen sind meist Lösungen aus Perchlorsäure
(HClO4, Schema des undissoziierten Moleküls rechts) und
Ammoniumcernitrat (NH4)2[Ce(NO3)6].
Perchlorsäure ist als äußerst starke Säure in wässriger
Lösung vollständig dissoziiert (pKs-Wert < -8), Ammoniumcernitrat wie auch HClO4 ein sehr starkes Oxidationsmittel.
n Ätzen von Gold
Goldätzen sind üblicherweise Gemische aus Salpetersäure und Salzsäure (im Mischungsverhältnis 1:3 auch Königswasser genannt).
Die starke oxidative Wirkung dieses Gemisches beruht auf der Bildung
von Nitrosylchlorid (NOCl) im Gemisch über
HNO3 + 3HCl à NOCl + 2Cl + 2H2O,
während ebenfalls gebildete freie Chloratome das gelöste Gold als Chloro-Komplex (Tetrachloroaurat) in der Lösung halten, damit den Wiedereinbau in das Gitter verhindern und so den Ätzvorgang mit einer Rate
von einigen 10 μm/Minute selbst erst ermöglichen.
Eine Alternative zu Königswasser für das Ätzen von Gold bildet eine wässrige KI/I2 Lösung, welche im Verhältnis KI:I2:H2O = 4:1:40 ca 1 μm/Minute ätzt.
n Ätzen von Silber
Silber kristallisiert wie Gold kubisch flächenzentriert. Die entsprechenden Ätzlösungen benötigen eine Komponente welche das Silber oxidiert,
und eine weitere Komponente zum Ätzen/Lösen des Silberoxids:
Neben der im Abschnitt ‚Ätzen von Gold’ beschriebenen KI/I2/H2O Ätzlösung wird Silber auch von NH4OH:H2O2:Methanol = 1:1:4 (wobei mit
NH4OH und H2O2 jeweils deren 30%ige Lösungen gemeint ist) geätzt.
Das giftige Methanol ist keine zwingende Voraussetzung und kann weggelassen bzw. durch H2O ersetzt werden.
Ein weiteres Ätzgemisch für Silber ist eine wässrige HNO3:HCl:H2O = 1:1:1 Lösung (HNO3= 70% HNO3 in H2O,
HCl = 37% HCl in H2O).
n Ätzen von Titan
Titan, welches in der Mikrostrukturierung u.a. als Haftvermittler für darüber aufgewachsene Metallschichten Verwendung findet, kristallisiert in
der hexagonal dichtesten Kugelpackung und bildet an Luft eine äußerst
stabile Oxidschicht. Diese wird nur durch z.B. HF angegriffen wird, welches deshalb ein Bestandteil typischer Titanätzen darstellt. Zur Oxidation
der darunter liegenden Schichten eignet sich als zweiter Bestandteil
H2O2.
In einem Mischungsverhältnis HF (50%ig) : H2O2 (30%ig) : H2O =
1:1:20 lässt sich Titan bei Raumtemperatur mit etwa 1 μm/Minute ätzen.
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S. 3
n Anisotropes Ätzen von Silicium
Stark alkalische Medien (pH>12) wie
wässrige KOH- oder TMAH-Lösungen ätzen kristallines Silicium über die Summenformel
Si + 4OH- à Si(OH)4 + 4e-
[001]
[111]
{111}
Da die Si-Atome der verschiedenen Kristallebenen für die Ätzreaktion unterschiedliche Aktivierungsenergien aufweisen, und KOH Ätzen von Si nicht diffusions- sondern Ätzraten-limitiert ist,
erfolgt der Ätzvorgang anisotrop: Während die {100}- und {110}-Ebenen geätzt werden, bilden die stabilen {111}Ebenen einen Ätzstop:
[010]
[100]
[110]
§ (111)-orientierte
kaum angegriffen.
{100}
{110}
Si-Wafer
werden
§ (100)-Wafer bilden Pyramiden mit
quadratischer Grundfläche und {111}Ebenen als Mantelflächen, welche z.B.
auf kristallinen Si-Solarzellen zur Verringerung der Lichtreflexion realisiert
werden.
§ (110)-Wafer bilden rechtwinklige
Gräben mit {111}-Ebenen als Flanken,
wie sie in der Mikromechanik und
Mikrofluidik Verwendung finden.
[100]
[110]
Ätzen
{111}
Die Anisotropie, die absoluten Ätzraten
und die Homogenität des Ätzens hängen
neben der Ätztemperatur u.a. von Defekten im Silicium als auch Verunreinigungen der Ätze durch Metallionen als
auch den bereits geätzten und gelösten
Si-Ionen ab. Auch die Dotierung des Si
spielt eine große Rolle: Bor-dotiertes Si
bildet beim Ätzen Borsilikat-Glas, welches ab hohen Bordotierungen (1019 cm3
) als Ätzstopp wirkt.
Die folgende Tabelle zeigt Ätzraten, Ätzselektivitäten bzgl. verschiedener Kristallebenen und die Ätzrate üblicher Hartmasken (Si3N4 und SiO2) für unterschiedliche Ätzmedien:
Ätzmedium
Ätzratenverhältnis
(100)/(111) (110)/(111)
KOH
(44%, 85°C)
TMAH
(25%, 80°C)
EDP
(115°C)
300
600
37
68
20
10
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Ätzrate (absolut)
(100)
Si3N4
SiO2
Vorteile (+)
Nachteile (-)
(-) metallionenhaltig
(+) stark anisotrop
(-) schwach anisotrop
0.3-1
<1 Å/min 2 Å/min
µm/min
(+) metallionenfrei
(-) schwach anisotrop, giftig
1.25 µm/min 1 Å/min 2 Å/min (+) metallionenfrei, metallische Ätzmasken möglich
1.4 µm/min <1 Å/min 14 Å/min
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S. 4
n Isotropes Ätzen von Silicium und SiO2 mit HF/HNO3
Ätzmechanismus, Ätzraten und Selektivität
Der grundlegende chemische Ätzmechanismus beim isotropen Ätzen von Si (Schritte 1-4) und SiO2 (nur
Schritt 4) mit HF/HNO3-Gemischen gestaltet sich wie folgt:
(1)
(2)
(3)
(4)
Bildung von NO2 (HNO2 stets in Spuren in HNO3):
Oxidation von Silizium durch NO2:
Bildung von SiO2:
Ätzen von SiO2:
HNO2 + HNO3 à 2NO2 + H2O
2NO2 + Si à Si2+ + 2NO2Si2+ + 2(OH)- à SiO2 + H2
SiO2 + 6HF à H2SiF6 + 2H2O
Demnach dient HNO3 zur Oxidierung des Si zu SiO2,
und HF zu dessen Ätzen.
[HF]
Wie das Ätzdreieck (rechts) zeigt, fördern hohe
HF:HNO3-Verhältnisse über den Oxidationsschritt
(1)-(3) das Raten-limitierte Ätzen von Si mit stark
temperaturabhängiger Ätzrate.
Temperaturabhängigkeit
der Ätzrate
nimmt zu
Geringe HF:HNO3-Verhältnisse fördern diffusionslimitiertes Ätzen geringerer Temperaturabhängigkeit
über Schritt (4). HNO3-freie HF-Ätzen greifen Silizium
nicht an.
Die Ätzrate von SiO2 ist durch die HF-Konzentration
bestimmt, da hier die Oxidation (1)-(3) keine Rolle
spielt. Verglichen mit thermischem Oxid zeigt abgeschiedenes (z.B. CVD) SiO2 aufgrund seiner Porosität
eine höhere Ätzrate; ‚nasses Oxid’ aus gleichem Grund
eine etwas höhere Ätzrate als ‚trockenes Oxid’.
Selektivität
zu SiO2
nimmt
zu
Si Ätzrate
Eine genaue Kontrolle der Ätzrate erfordert Temperaturgenauigkeiten von ± 0.5°C.
[H2O]+ [CH3COOH]
[HNO3]
Die Verwendung von Essigsäure als Verdünner verbessert die Benetzung der hydrophoben Si-Oberfläche und erhöht so die Ätzrate bei verbesserter Homogenität.
Dotiertes (n- und p-Typ) Si sowie Phosphor-dotiertes SiO2 ätzen schneller als undotiertes Si oder SiO2.
Gepufferte Flusssäure
Ätzen von Si- und SiO2 verbraucht über die Reaktion SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O F--Ionen. Mit Ammoniumfluorid gepufferte HF (BHF = NH4F + H2O + HF) bewirkt:
§ Die Aufrechterhaltung der Konzentration freier F—-Ionen über NH4F → HF + NH3, für eine konstante und
kontrollierbare Ätzrate sowie homogenes Ätzen
§ Eine Erhöhung der Ätzrate (Faktor ≈ 1.5-5.0) über hochreaktive HF2- -Ionen
§ Ein Anstieg im pH-Wert (→ verringerte Neigung zu Unterätzen u. Lackablösung)
! Trotz der höheren Reaktivität hat stark gepufferte Flusssäure einen pH-Wert von bis zu 7 und kann über
chemische Indikatoren u.U. nicht nachgewiesen werden !
n Ätzen von Gläsern
Gläser unterschiedlicher Zusammensetzung zeigen eine starke Abhängigkeit ihrer Ätzrate von Zusätzen in
verwendeten HF-haltigen Ätzen. Solche Additive (z.B. HCl, HNO3) lösen beim Glasätzen gebildete, in reinem
HF inerte (d.h. in HF als Ätzstopp wirksame) Oberflächenschichten und erlauben so eine homogen hohe Ätzrate ohne die (für die Lackschicht kritische) Notwendigkeit, die HF-Konzentration zu erhöhen:
Borosilikat Glas
Phosphorsilikat
Glas
Bleiglas
HCl*=
37% HCl in H2O
Ätzgemisch
Ätzrate / Bemerkungen
HF*: HNO3*: H2O = 1:100:100
300 Å/min (9 mol% B2O3), 50 Å/min (SiO2)
HF*: HNO3*: H2O = 4.4:100:100
750 Å/min(9 mol% B2O3), 135 Å/min (SiO2)
28ml HF* + 113g NH4F + 170ml H2O 5500 Å/min für 8 mol% P2O5
HF*: HNO3*: H2O = 15:10:300
34000 Å/min (16 mol% P2O5), 110 Å/min (SiO2)
HF*: HCl*: H2O = 18:46:75
ca. 70000 Å/min
HF*: HCl*: CH3COOH* = 25:46:75 ca. 70000 Å/min
HNO3*=
HF*=
CH3COOH*=
70% HNO3 in H2O
49% HF in H2O
99% CH3COOH in H2O
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S. 5
n Lackablösung (v.a. kleiner/schmaler Strukturen) bei nasschemischen Ätzprozessen
Lösen sich bei nasschemischen Ätzprozessen zunächst (oder ausschließlich) kleine/schmale Lackstrukturen ab,
deutet dies auf ein Unterätzen – beginnend von den frei entwickelten Bereichen – hin. Evtl. unterstützt von
höheren Temperaturen oder/und Gasbildung, heben sich Lackstrukturen durch
die Verringerung ihrer Kontaktfläche zum Substrat von diesem ab.
Fotolack
Bei isotropen Ätzen lässt sich das Ausmaß des Unterätzens nicht beliebig verringern, jedoch die (verbliebene) Haftung der Lackstrukturen über die in diesem
Dokument beschriebenen Hinweise.
HF-Ätze
Substrat
n (großflächige) Lackablösung bei nasschemischen (Ätz-)Prozessen
Nasschemische (Ätz-)medien (v.a. HF) diffundieren in den Lack und können – entweder während des Prozesses oder beim anschließenden Spülvorgang – über zwei Mechanismen zur großflächigen Lackablösung führen:
HF-Ätze
F- Ionen
§ Durch das Eindiffundieren des Mediums
§ Gelangt das Medium bis zum Substrat und
Fotolack
Substrat
Zu dünne Fotolackschicht
mildern.
F- Ionen
quellen die Lackstrukturen auf
greift – wie im Falle HF auf SiO2 oder Glas –
dieses großflächig unter der Lackschicht an,
hebt sich die Lackschicht ab (Schema links).
Beide Mechanismen lassen sich - neben einer
angepassten (Ätz-)lösung - über eine größere
Lackschichtdicke (Schema rechts) deutlich
Fotolack
HF-Ätze
Substrat
Ausreichend dicker Fotolack
Beidseitig metallisierte Substrate (z.B. Ag & Al) bilden in wässrigen Lösungen ein Galvanisches Element.
Auf der einen Seite kann sich H2 bilden, welcher eine darüber liegende Lackschicht abhebt. In diesem Fall hilft
eine geschlossene Schutzlackschicht auf der jeweils anderen Seite des Substrats.
n Ätzen von Metallen (Übersicht)
Ätzgemisch
Cr
Mo
W
Ag
Au
Pt
Pd
Cu
Ätzrate / Bemerkungen
HCl*: Glyzerin = 1:1
HCl*: CeSO4 (gesättigt) = 1:9
Ce(NH4)2(NO3)6 + CH3COOH in 1L H2O
H3PO4*: HNO3*: CH3COOH* : H2O = 5:2:4:150
11g K3Fe(CN)6 + 10g KOH in 150ml H2O
HCl*: H2O2*: H2O = 1:1:1
34g KH2PO4*+ 13.4g KOH + 33g K3Fe(CN)6 in 1L H2O
NH4OH*: H2O2* : CH3OH = 1:1:4
HCl*: H2O2*: H2O = 1:1:1
KI : I2 : H2O = 4:1:40
HCl*: HNO3 *= 3:1
KI : I2 : H2O = 4:1:40
HCl*: HNO3* = 3:1
HCl*: HNO3*: H2O = 7:1:8
HCl*: HNO3*: CH3COOH* = 1:10:10
HCl*: HNO3* = 3:1
KI : I2 : H2O = 4:1:40
150g Na2S2O8 in 1L H2O
H3PO4*:HNO3*:CH3COOH*:H2O = 3:3:1:1
H2O2*: HF*: H2O = 1:1:20
Ti H2O2*: HF*: H2O = 1:1:20
Sb H3PO4*: HNO3*: CH3COOH*: H2O = 3:3:1:1
Ni
HCl* = 37% HCl in H2O
HF* = 49% HF in H2O
NH4OH* = 29% NH3 in H2O
Positivlacke
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800 Å/min nach Depassivierung
800 Å/min, nach Depassivierung
1000 Å/min (zuerst CH3COOH in 1L H2O lösen!)
5000 Å/min
10000 Å/min
1600 Å/min
3600 Å/min, sofortiges Spülen mit H2O nach d. Ätzen
‚Königswasser’, 25-50 µm/min
0.5-1 µm/min
‚Königswasser’, 20 µm/min
400-500 Å/min bei 85°C
1000 Å/min
‚Königswasser’
1 µm/min
1 µm/min bei 45°C, selektiv gegenüber Ni, falls Ätze Fe-frei
65 nm/min bei 20°C, Kontakt mit Luft (O2) alle 15 Sekunden
8800 Å/min bei 20°C
Kontakt mit Luft (O2) alle 15 Sekunden
HNO3* = 70% HNO3 in H2O
HClO4* = 70% HClO4 in H2O
H2O2* = 30% H2O2 in H2O
Negativlacke
Lösemittel
H2SO4* = 98% H2SO4 in H2O
H3PO4* = 85% H3PO4 in H2O
CH3COOH* = 99% CH3COOH in H2O
Umkehrlacke
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S. 6
n Ätzen von III/V-Halbleitern (Übersicht)
Material
Ätze
HCl* : H3PO4* : H2O
H3PO4* : H2O2* : H2O
H2SO4* : H2O2* : H2O
C6H8O7 : H2O2*: H2O
HCL* : HNO3* : H2O
HNO3* : H2SO4* :H2O
HCL* : *H2O2 : H2O
HCL* : H2O
BHF : H2O
GaAs
HCl* = 37% HCl in H2O
HF* = 49% HF in H2O
NH4OH* = 29% NH3 in H2O
ätzt
InP InGaAs InGaAsP GaInP GaAsP AlGaP AlGaAs AlInP InAlAs InGaAlAs
abhängig von Zusammensetzung materialselektiv (Ätzstopp)
HNO3* = 70% HNO3 in H2O
H2SO4* = 98% H2SO4 in H2O
HClO4* = 70% HClO4 in H2O
H3PO4* = 85% H3PO4 in H2O
H2O2* = 30% H2O2 in H2O
CH3COOH* = 99% CH3COOH in H2O
n Stabilität von Ätzmedien gegenüber Fotolackmasken
Die folgenden Angaben beziehen sich auf Novolak basierte nicht-quervernetzende Positiv- und Umkehrlacke,
sowie quervernetzende Negativlacke der AZ® nLOF 2000 Serie.
§ Nahezu alle organischen Lösemittel lösen Positiv- und Umkehrlacke in kurzer Zeit auf. Lediglich bei ausreichend hohen Temperaturen (>150°C) quervernetzte Negativlacke der AZ® nLOF 2000 Serie sind genenüber
organischen Lösemitteln in Grenzen stabil.
§ HCl ist ein gegenüber Fotolacken sehr unkritisches Ätzmedium
§ HF ist v.a. wegen seiner Permeabilität in/durch Fotolackschichten problematisch, lässt sich jedoch bei ausreichend dicken Fotolackschichten für viele Ätzprozesse problemlos einsetzen.
§ Stark oxidierende Säuren wie HNO3 oder H2SO4, wie auch H2O2 greifen Fotolack stark an. Dennoch ist die
Stabilität der Lackschicht bei richtiger Prozessierung (Haftung, Softbake) ausreichend für viele Ätzprozesse.
n Vorsichtsmassnahmen im Umgang mit ausgewählten Ätzmedien
HCl/H2O2/H2O Gemische reagieren beim/nach dem Durchmischen stark exotherm und können bei unzureichender Verdünnung mit H2O zur explosiven Zersetzung des H2O2 führen.
H2SO4 reagiert stark exotherm mit H2O und sollte stets zum Verdünner (H2O, schwächere Säuren) gegeben
werden, nie umgekehrt.
HF verursacht bei Hautkontakt nicht ‚nur’ äußerst schmerzhafte und schwer heilende Verätzungen, sondern
kann durch seine hohe Toxizität bei entsprechend hoher Konzentration bereits ab ca. Handtellergroßen Verätzungen zum Tod führen.
n Gewährleistungsausschluss
Alle in diesem Informationsblatt enthaltenen Zahlen und Beschreibungen sind nach bestem Wissen und Gewissen zusammengestellt. Dennoch können wir keine Garantie für die Korrektheit dieser Angaben übernehmen.
Insbesondere bezüglich der Rezepturen für chemische (Ätz-)Prozesse übernehmen wir keine Gewährleistung
für die korrekte Angabe der Bestandteile, der Mischverhältnisse, der Herstellung der Ansätze und deren Anwendung. Die sichere Reihenfolge des Mischens von Bestandteilen einer Rezeptur entspricht üblicherweise
nicht der Reihenfolge ihrer Auflistung in Tabellen etc. Normalerweise werden Säuren in den Verdünner (z.B.
Wasser) gegeben, stärkere Säuren in schwächere, und oxidierende Medien zuletzt zugegeben.
Wir garantieren nicht für die Richtigkeit oder Vollständigkeit von Hinweisen auf (u.a. gesundheitliche, arbeitssicherheitstechnische) Gefahren, die sich bei der Anwendung der in diesem Informationsblatt beschriebenen
Chemikalien ergeben (können).
Grundsätzlich ist jeder Mitarbeiter dazu angehalten, sich im Zweifelsfall in geeigneter Fachlektüre über die beschriebenen Chemikalien und ihre Auswirkungen vorab ausreichend zu informieren, um Schäden an Personen
und Material auszuschließen.
Positivlacke
Verdünner
MicroChemicals GmbH
Negativlacke
Lösemittel
Umkehrlacke
Ätzchemikalien
www.microchemicals.com
Entwickler
Prozesschemikalien
[email protected]
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