Reaktives Ionenätzen

Plasma-unterstütztes Ätzen ('physikalisch-chemisches Ätzen) bezeichnet eine Gruppe von subtraktiven (abtragenden) Mikrostrukturverfahren in der Halbleitertechnologie. Als Trockenätzverfahren stellen eine alternative Strukturierungverfahren zu dem sogenannte Nassätzen (nasschemisches Ätzen) dar. Der Materialabtrag (z. B. von Siliciumdioxid auf Silizium-Wafern) erfolgt dabei mithilfe plasmaaktivierter Gase und beschleunigter Ionen (z. B. Argonionen). Es werden also je nach Verfahren chemische sowie physikalische Effekte ausgenutzt.

Allgemeines Verfahren

Beim physikalisch-chemisches Ätzen werden zwei Ätzmechanismen in einem Prozess genutzt, zum einen der Ionenbeschuss des Substrates und zum anderen eine chemische Reaktion an dessen Oberfläche. Physikalische und chemische Effekte werden in folgender Weise miteinander kombiniert. Der Beschuss mit dem ionisierten Reaktionsgas oder anderen Ionen schwächt oder zerstört die chemischen Bindungen der Atome an der Oberfläche, so dass das reaktive Gas leichter reagieren kann und so den chemischen Effekt in den betroffenen Gebieten verstärkt. Dies geschieht in dem das das Ionenbombardement die Energie zuführt, die für die Aktivierung der chemischen Reaktion erforderlich ist.

Zusätzlich kann so, bei Verwendung von polymeren Passivierungsfilmen, wie beim reaktiven Ionentiefenätzen, die Anisotropie des Ätzprozesses von Gräben und Löchern erhöht werden. Denn der Polymerfilm scheidet weitgehend gleichmäßig an der gesamten Oberfläche ab, das heißt sowohl an der Substratoberfläche (bzw. auf der Maske), in den Grabenböden als auch an den Grabenseitenwänden. Der Ionenbeschuss ist jedoch hoch anistotrop, so dass nur der Grabenboden von Teilchen beschossen wird. Dort wird der Polymerfilm stark beschädigt, so dass das Ätzgas das Substrat angreifen kann. Die Seitenwände werden hingegen nicht geschädigt und der Polymerfilm behindert dort den chemischen Ätzangriff. Der resultieren Ätzangriff am Boden ist somit deutlich höher als an den Wänden, so dass die quasi nur in Richtung der auftreffenden Ionen erfolgt und eine hohe Anisotropie erzielt werden kann.

Varianten

Reaktives Ionenätzen

Vergleich der Siliciumdioxid-Ätzprozesse zwischen nasschemischen Ätzen und reaktiven Ionenätzen (RIE)

RIE-Anlage

Das reaktive Ionenätzen (engl. reactive ion etching, RIE ) ist ein ionenunterstützter Reaktivätzprozess. Im Gegensatz zum Ionenätzen werden hier reaktive Ionen verwendet. RIE ist wegen der guten Kontrollierbarkeit des Ätzverhaltens (Homogenität, Ätzrate, Ätzprofil, Selektivität) ein Verfahren zur Herstellung von topografischen Strukturen für die Micro- und Nanosystemtechnologie. Das Verfahren lässt durch chemisch-physikalischen Abtrag sowohl eine isotrope (richtungsunabhängig) als auch eine anisotrope Ätzung zu. Das Ätzen erfolgt durch aufgeladene Teilchen (Ionen), die in einem Gasplasma erzeugt wurden. Eine entsprechende Maskierung (z. B. durch Photolithografie erzeugt) der Oberfläche gibt die Formgebung der Strukturen. Bei reaktivem Ätzen wird die chemische Ätzreaktion erst durch die kinetische Energie der auftreffenden Ionen ausgelöst. Aus dem Gas-Ion und dem Schichtmolekül der Oberfläche entsteht das flüchtige Ätzprodukt, welches durch das Vakuumsystem entfernt wird. RIE liefert auch bei sehr feinen Strukturen mit Abmessungen deutlich unterhalb 100 nm noch sehr gute Ergebnisse.

Das reaktive Ionentiefenätzen (engl. deep reactive ion etching, DRIE) ist eine RIE-Modifikation für Siliziumtiefenätzen mittels alternierenden Ätz- und Passivierungszyklen (Gas Chopping, Time-Multiplexed Etching) für höchste Aspektverhältnisse, Anisotropie und Ätzrate.

Reaktives Ionenstrahlätzen

Die Funktion ist ähnlich wie beim Ionenstrahlätzen, allerdings werden auch hier reaktive Ionen verwendet. Die Wirkung ist anisotrop und selektiv.

Alternative Abtragsverfahren

Kathodenzerstäuben – Sputter

Hauptartikel: Sputtern

Bei der Kathodenzerstäuben werden in einer Vakuumkammer Gasatome ionisiert. Das Substrat wird an eine (meist negative) Spannung gelegt (daher die Bezeichnung Kathodenzerstäuben), und die Ionen werden vom elektrischen Feld in Richtung des Substrats beschleunigt. Die kinetische Energie der Ionen bewirkt, dass Atome aus der Oberfläche herausgeschleudert werden. Diese Methode ist nicht isotrop und nicht selektiv.

Hohe Selektivität würde bedeuten, dass für unterschiedliche Stoffe (Verbindungen) stärker abweichende Abtragsraten vorhanden wären, das heißt, es aus der Oberfläche gelöst werden. Dies ist nur begrenzt der Fall, so gibt es aufgrund der unterschiedlichen Masse der Atome (Elemente) ander physikalische Wechselwirkungen (Impulsübertragung). Dies führt zu unterschiedlichen „Sputterraten“ und dem sogenannten Vorzugssputtern beim Prozessieren von Materialien mit leichten und schweren Atomen. Dies ist fast unabhängig von der chemischen Bindung im Material, im Gegensatz dazu stehen chemisch wirkende Ätzverfahren.

Ionenstrahlätzen

Ionenstrahlätzen (engl. ion beam milling, nicht ion beam sputtering) funktioniert ähnlich wie das Ionenätzen, aber die Ionen werden in einem Strahl gebündelt. Daher ist die Wirkung richtungsabhängig (anisotrop) und nicht selektiv.

Weblink

• Ätzverfahren - Trockenätzen. In: aetzen.de. Abgerufen am 11. Jan. 2009.

Literatur

• Gary S. May, Simon M. Sze: Fundamentals of Semiconductor Fabrication. Wiley & Sons, 2003, ISBN 0--47145238-6.