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MST-Techno (Subject) / Schichtabtragung durch Ätzen (Lesson)

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• Was ist Ätzen? schichtabtragen durch chemische Reagentien oder Teilchenimpuls
• Was versteht man jeweils unter isotropen und anisotropen Ätzen? richtungsabhängige Ätzrate oder nicht
• Wie sind die beiden Größen Anisotropiefaktor und Selektivität definiert? Zeichen sie jeweils eine typisches Ätzprofil. A = 1- laterale Ätzrate / vertikale Ätzrate
• Nennen Sie jeweils ein typisches Ätzverfahren für Silizium mit hoher und geringer Anisotropie. hoch: KOH-ätzen, RIE-ätzen gering: nassätzen mit HF + HNO3 oder Plasmaätzen mit CF4
• Nennen Sie jeweils ein Ätzverfahren für Silizium mit hoher und niedriger Selektivität hoch: Plasmaätzen mit CF4 niedrig: Sputterätzen mit Ar
• Wie funktioniert der Materialabtrag durch ein gasförmiges Medium? Zählen Sie die einzelnen Teilprozesse auf. Erzeugung der Teilchen (Reaktive Ionen, Inerte Ionen, reaktive Radikale, reaktive sonstige Neutralteilchen) Transport zum Substrat (Beschleunigung oder Diffusion Ätzung Abtransport der Ätzprodukte
• Nennen Sie die charakteristischen Merkmale des Barrel-Ätzens. Nennen Sie eine typische Anwendung. Anwendung: Veraschen von Resist Merkmale hoher Durchsatz geringe Kosten rein chemisches Ätzverfahren => isotrop und selektiv viele Wafer aneinander --> Verarmungseffekte/ Homogenität schlecht Homogenität aber wegen hoher Selektivität zweitrangig (einfach überätzen)
• Skizzieren Sie eine typische Anlagenkonfiguration für das Barrel-Ätzen und erläutern Sie in Stichpunkten den Ätzprozess. Durch welchen physikalischen Vorgang kommen die Radikale zum Substrat? Physikal. Vorgang: Diffusion Ätzprozess: Wechselspannung erzeugt Gasentladung (Plasma) und reaktive Radikale reaktive Radikale diffundieren durch Lochzylinder zu Wafer Reaktion Produkte diffundieren Aus Lochzylinder, Vakuumpumpe Anlage: Wafer dicht gestapelt in Lochzylinder (feldfrei) runde Wand aus Quarzglas, an der AUßEN Elektroden dran sind, und darum dann halt noch normale Wand Plasma zwischen Lochzylinder und Quarzglas Gas- und Vakuum-Anschluss RF
• Nennen Sie die charakteristischen Merkmale des Plasma-Ätzens. Zeichen Sie einen Schnitt durch eine Anlage und bezeichnen Sie die wichtigsten Komponenten. Nennen Sie eine typische Anwendung. Merkmale chemisch mit schwacher Unterstützung durch reaktive Ionen Plasma und Substrat nicht getrennt Selektiv und Isotrop mit sehr geringem anisotropen Anteil Druck rel hoch 10-100 Pa Anlage 2 Plattenelektroden Substrate auf großer Elektrode (Anode), Koppelkondensator (aber natürlich nicht so extrem wie bei Sputtern betrieben, zudem ja hoher Druck) Anwendung: z.B. Si-Ätzen mit CF4 (z.B. mit Al maskieren, Si darunter ätzen und so freitragende Struktur)
• Warum und wie kann man durch Plasmaätzen freistehende Strukturen auf einer Wafer-Oberfläche erzeugen? Strukturierte Al-Schicht auf Si abscheiden. Dann mit CF4 isotrop und selektiv das Si ätzen => Al wird unterätzt, schmale Al-Strukturen werden freistehend, breite bleibenmit Si verbunden
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• Skizzieren Sie eine typische Anlagenkonfiguration beim Plasmaätzen und erläutern Sie in Stichpunkten den Ätzprozess. Anlagenkonfiguration Substrate auf Große elektrode geringe HF-Amplitude Koppelkondensator    => nur geringe abfallende Spannung bei Substraten Substrate im Plasma Ätzprozess Gasentladung (Plasma zünden) entstehung reaktiver Radikale, die zu Substrat diffundieren auch: reaktive Radikale werden zum Substrat beschleunigt, Ätzen/Unterstützen aber wegen geringer Energie (rel. hoher Druck, Anlagengeometrie, Koppelkondensator, geringe RF Amplitude) kaum Abtransport der Produkte durch Diffusion und Vakuumpumpe
• Skizzieren Sie eine typische Anlagenkonfiguration beim „Reaktiven Ionenätzen“ und erläutern Sie in Stichpunkten den Ätzprozess. Anlagenkonfiguration: wie bei Sputterätzen (kleine Substratelektrode, Koppelkondensator, niederer Druck,...) bloß: reaktive Ionen (also kein neutrales Prozessgas) Ätzprozess Prozessgase: reaktiv und optinal inert dazu ätzende Teilchen: reaktive Neutralteilchen, reaktive Radikale und -ionen, u.U. inerte Ionen Konfiguration wie Sputterätzen (also sputternde Ionen), aber mit chemischer Komponente Synergie: Ionenbombardement unterstützt chem. Ätzen überproportional durch Generation von Gitterfehlern, Abtrag von Passivierenden Schichten/Oberflächenbeläge (chem. nicht ätzbar), lokale Erwärmung. Seitenwandpassivierung: Ätzgase scheiden chemisch inerten Ätzfilm ab, wird an Seite nicht abgesputtert => senkrechte Wände mögl. => Anisotrop, Selektiv, hohe Ätzrate, Seitenwandpassivierung, senkrechte Wände mögl.!!!!!
• Was versteht man unter Seitenwandpassivierung beim Reaktiven Ionenätzen? Abscheidung eines für die chemische Komponente inerten Passivierungsfilms aus den Ätzgasen, der an den Wänden nicht weggesputtert werden kann und dafür sorgt dass senkrechte Wände geätzt werden können
• Was ist der Unterschied in den Anlagen beim RIE und RIBE? Was bedeuten die Abkürzungen RIE und RIBE? Welche Vor- und Nachteile hat das RIBE gegenüber dem IBE? Steht nix im Skript, aber Vermutung: RIE = reactive ion etching RIBE = reactive ion beam etching Anlagenunterschied: Anlage bei RIBE wie bei IBE (Plasma von Substrat getrennt, Magnetron und komische Kathode, Beschleunigungsgitter, Neutralisator, neigbarer Substrathalter, nur halt reaktive Gaskomponente), RIE wie bei IE/Sputterätzen: Substrat im Plasma Vor- und Nachteile mehr Prozessfreiheitsgrade (Ionenenergie unabh. von Ionenstromdichte regelbar) komplexere Anlage geringere Ätzrate?
• Erläutern Sie den Prozess sowie die charakteristischen Merkmale des sogenannten DRIE-Ätzens (auch bekannt als ASE-Prozess oder „Bosch“ Prozess“). Geeignet um besonders hohe Aspektverhältnisse (30:1) zu erreichen. Imitiert quasi RIE-Seitenwandpassivierung. Ablauf: Al-Maske strukturieren und Polymerfilm isotrop abscheiden anisotrop (physikalische Ätzverfahren) Polymerfilm wegätzen/sputtern anisotrop aber selektiv (mit Plasmaätzprozess) Si ätzen isotrop Polymerfilm abscheiden anisotrop Polymerfilm wegätzen/sputtern anisotrop aber selektiv (mit Plasmaätzprozess) Si ätzen Wierderholenn...... Seitenwand isotrop entfernen
• Skizieren Sie eine typische Anlagenkonfiguration für das Sputterätzen und erläutern Sie in Stichpunkten den Ätzprozess. Anlagenkonfiguration: parallel plate substrat auf kathode mit kleiner fläche koppelkondensator Prozess geringer druck (1-10Pa) hohe RF-Spannungsamplitude Inertgas / inerte Ionen via Gasentladung (Ar) Kathodenspannung zum Plasma bis 1 kV => Ar+-Beschleunigung, absputtern Eigenschaften anisotrop unselektiv Probleme: Ionenimplantation, Trenching, Redeposition an Seitenwänden, Facettenbildung (Sputterausbeute winkelabh. => Schräge flanken), Resist-Abtrag
• Was ist der Unterschied in der Anlagenkonfiguration beim IE und IBE? Was bedeuten die Abkürzungen IE und IBE? Was sind die Vor- und Nachteile? IE: Substrat in Plasma, einfach wie Sputteranlage bloß Substrat auf Kathode IBE: Substrat von Plasma getrennt, Druck noch geringer (10^-3 Pa), Drahtkathode, Magnetron nötig wegen geringem Druck, Beschleunigungsgitter, Neutralisator, Neigbarer Substrathalter IE=ion etching (Sputterätzen) IBE=ion beam etching (Ionenstrahlätzen) Vorteile und Nachteile IE gegenüber IBE: einfachere Anlagenkonfiguration weniger Prozesskontrolle möglich (Ionenstrom und Energie nicht getrennt steuerbar) geringere Ätzrate Substrathalter nicht per se neigbar => Ätzprofil eingeschränkter
• Warum ergibt sich beim Sputterätzen eine hohe Anisotropie? Rein physikalisches Verfahren (nur inerte Ionen) Feldlinien senkrecht zu Substrat und somit auch Impuls nur in die Richtung.
• Vergleichen Sie das Plasmaätzen, Sputterätzen und Reaktive Ionenätzen bezüglich Selektivität, Anisotropie und Ätzrate. Welches Verfahren ist am vorteilhaftesten? PE geringe anisotropie selektiv langsam RIE anisotrop selektiv schnell IE unselektiv anisotrop langsam => RIE = eierlegende wollmilchsau
• Mit welchen Verfahren (Plasmaätzen, Reaktives Ionenäzen, Sputterätzen) lassen sich Gräben mit senkrechten Wänden bei gleichzeitig hoher Ätzrate erzeugen? Welches Verfahren liefert bezüglich senkrechter Wände das beste Ergebnis? nur mit RIE. senkrechteste Wände auch RIE wegen Seitenwandpassivierung, was bei Sputterätzen nicht geschieht
• Zählen Sie vier typische Probleme (Abweichungen vom idealen vertikalen Profil) beim Sputterätzen von tiefen Strukturen auf. Erläutern Sie anhand einer Skizze oder verbal jeweils die Ursache für das betreffende Problem. Redeposition (weggesputterte Atome können wieder kondensieren, siehe Sputterabscheidung) v.A. am Rand Ionenimplantation (Energie der Ionen reicht für Oberflächennahe impl) Facettenbildung (Sputterausbeute Winkelabhängig, bei 70° am höchsten => Ränder bevorzugt abgesputttert & schräge Flanken Trenching (Reflektion an schrägen Flanken => höhere Ionenstromdichte am Rand) Absputtern von Resit (unspezifisch)
• Skizzieren Sie eine typische Anlagenkonfiguration beim Reaktiven Ionenätzen und erläutern Sie in Stichpunkten den Ätzprozess Konfiguration: kleine Substratelektrode Koppelkondensator parallel plate Prozess reaktives Gas erzeugt durch Gasentladung (ionen, radikale, neutralteilchen) und u.U. inert dazu ionen unterstützen chemischen anteil stark und auf anisotrope weise (abtragen von Passivierung, erzeugung gitterfehler, lokale erwärmung) Seitenwallpassivierung durch Ätzgase (Plasmapolymerisation), ist für chem. Komponente Inert und unten weggesputtert
• Wie funktioniert das isotrope nasschemische Ätzen von Siliziumoxid mit mit Flusssäuere (HF)? SiO2 + 4 HF --> SiF4 + 2 H2O Diffusion zur Grenzfläche, Reaktion, Diffusion der Produkte in diie Umgebung HF aufsprühen oder Ätzbad
• Wie funktioniert das nasschemische Ätzen von Silizium mit Salpetersäuere und Flusssäure? Zählen Sie die einzelnen Teilprozesse auf und geben Sie die chemische Reaktionsgleichung an. Wozu dient das Verdünnungsmittel? Was wird als Verdünnungsmittel eingesetzt? Maske: Si3N4 oder Gold Ablauf: 1. Oxidation von Si 3 Si + 4 HNO3 --> 3 SiO2 + 4 NO + 2 H2O 2. Bildung löslicher Komplex 3 SiO2 + 18 HF --> 3 H2SiF6 + 6 H2O 3. Komplexbildung Komplexsalz löst sich in Lömi (Wasser oder Essigsäure) Sinn Verdünnungsmittel: damit keine Anreicherung des Komplexsazes an Oberfläche (würde Reaktion stoppen wegen GG). Wasser oder Essigsäure.

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