Wahl des Ätzmittels

  • Wahl des Ätzmittels

    Zur Abtragung einer Siliziumschicht eignet sich ein Gemisch aus Flusssäure und Salpetersäure.

    Siliziumdioxid kann man beispielsweise mit einer Mischung aus 40 %-Flusssäure (HF) und Ammoniumfluorid (NH4F) im Verhältnis 1:1 wegätzen. Die Reaktion findet bei Raumtemperatur statt und die Gleichung hat folgende Form:

    SiO2 + 6HF -> H2SiF6 + 2H2O

    Das Ammoniumfluorid dient dabei als Pufferung, um den pH-Wert während des Ätzprozesses konstant zu halten (Dieser würde mit dem SiO2-Gehalt in der Flusssäure variieren). Man erhält dabei gegenüber Siliziumschichten eine Selektivität von bis zu 300.

    Die sogenannte Staining-Ätze besteht zu 97 Vol% aus Flusssäure und zu 3 Vol% aus KMnO4. Diese Säure greift nur p-dotiertes Silizium an und dient somit zur Sichtbarmachung von pn-Übergängen.

    Auch für verschiedene III-V-Halbleiter existieren chemische Lösungen:
    Zum Dünnen von InP, GaAs oder GaP-Wafern verwendet man Brom-Methanol, womit man – bei gleichzeitig mechanischer Einwirkung – eine Ätzrate von ca. 40µm pro Minute erzielen kann.

    Allgemein kann man sagen: Man versucht die Säuren so auf das zu ätzende Materialsystem abzustimmen, dass die Selektivität möglichst hoch ist, also bei geringer Schädigung des Lacks eine hohe Abtragungsrate für das darunterliegende Material erreicht wird. Gleichzeitig muss die Ätzung durch Verdünnung mit Wasser zügig gestoppt werden können. Die Ätzung soll reproduzierbar sein und muss demzufolge mit gleich bleibender Geschwindigkeit ablaufen. Wichtig ist auch, dass die Schicht sich vollständig in der Säure löst und somit keine festen Partikel auf dem Wafer zurückbleiben, die nachfolgende Prozessschritte stören könnten. Ebenso wenig darf die Reaktion gasförmige Produkte liefern, da entstehende Blasen den Ätzprozess lokal verlangsamen würden. Die Wahl der geeigneten Ätzflüssigkeit, die dazu natürlich möglichst umweltschonend sein muss, ist also oft keineswegs einfach.

    Es gibt bestimmte Säuren, die Silizium je nach Kristallrichtung mit unterschiedlichen Abtragungsraten ätzen. Dies macht man sich zunutze, um eine möglichst anisotrope Siliziumätzung zu erzielen.

    Dabei verwendet man beispielsweise die Lauge Kaliumhydroxid (KOH). Damit erreicht man zwischen der <100>– und der <111>-Fläche eine Selektivität von 400. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von EDP (eine wässrige Lösung aus Ethylendiamin und Pyrazin), wodurch man eine hohe Selektivität zwischen reinem Silizium und p-dotiertem Silizium erhält.

    Problematisch sind die genannten Ätzstoffe aber bei bereits metallisierten Strukturen, da sie Aluminium sehr stark angreifen. Ein weiteres Problem stellt der Einsatz von KOH dar, bei dem Kalium in Siliziumdioxid SiO2 diffundiert. EDP ist stark krebserregend.