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Plasmaätzen


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Plasmaätzen (auch Trockenätzen) ist ein in der Halbleiter - und Mikrotechnik verwendetes gaschemisches Verfahren zur Feinstrukturierung von Im Gegensatz zum ebenfalls gebräuchlichen naßchemischen Ätzen beim Plasmaätzen auf die prozeßtechnisch oft umständliche flüssiger Medien vollig verzichtet werden. Ein weiterer ist die sehr gute Realisierbarkeit anisotroper (richtungsabhängiger) Ätzprozesse.

Inhaltsverzeichnis

Verfahrensbeschreibung

Beim Plasmaätzen in einem Vakuumreaktor (Etch der bis zu einem Druck von wenigen mit einem Ätzgas gefüllt ist eine Hochfrequenz- elektrodenlosen Mikrowellenentladung (27.2 Mhz bzw 2.45 GHz) gezündet so ein hochreaktives ätzaktives Plasma erzeugt.

In der Praxis erfolgt die Aktivierung in der Ätzkammer selbst oder bereits in Ätzgaszuleitung ("Remote Plasma"). Letztere Verfahrensweise wird besonders gewählt wenn wie beim Reinigungsätzen auf einen verzichtet werden kann.

Als Ätzgas eignen sich zum Beispiel Hexafluorethan Perfluorpropan und andere perfluorierte Kohlenwasserstoffe PFCs und andere ungesättigte PFCs perfluorierte Aromaten und etc.

Oft werden Ätzgasen einige Prozent Sauerstoff um die Ätzrate zu steigern. Je nach erreicht hierdurch eine höhere Ausbeute an ätzaktiven oder steuert die bei C-haltigen Ätzgasen parallel Ätzprozess stattfindenden Polymerbildung. Beispiele sind das Zumischen Sauerstoff zu CF4 oder NF3 (Förderung des durch CO CO2 bzw NOx-Bildung). Neuerdings werden Ätzgase verwendet die Sauerstoff als Molekülanteil enthalten. sich im sauerstoffhaltigen Plasma bevorzugt energetisch angeregter bildet wird der Ätzgaszerfall aber auch durch vom angeregten Sauerstoff auf das Ätzgas befördert. effiziente Energieüberträger sind z.B. Argon Xenon und Derartige Energieübertragsreagktionen sind in der Atmosphärenchemie bereits vielen Jahrzehnten bekannt und recht eingehend untersucht. Halbleiterbereich werden Energieübertragungsreaktionen derzeit eher unbewußt genutzt.

Unter den anorganische Ätzgasen sind insbesondere Schwefelhexafluorid Stickstofftrifluorid Bortrichlorid Chlor Chlor - und Bromwasserstoff und Sauerstoff zu nennen. Auch Gemische aus unterschiedlichen Gasen sind üblich. So kann man z.B. Ätzgas eine Ätzgas zusetzten das besonders schwere bildet (z.B. BCl3 Cl2-Gemische). Man erreicht hierdurch z.T sehr deutliche Verbesserung in der Anisotropie Ätzreaktion.

Wichtigstes Kriterium bei der Auswahl des ist seine Fähigkeit mit dem zu ätzenden ein leicht flüchtiges Reaktionsprodukt zu bilden. Grundsätzlich daher bei Ätzen von Strukturen die auf basieren -Silicium Siliciumoxid und Siliciumnitrid sind nicht Basismaterialien jedes mikroelektronischen Bauteils sondern auch die Materialien in der Mikrotechnik - Ätzgase eingesetzt Fluor oder Chlor enthalten. Als Reaktionsprodukt der entstehen flüchtiges SiCl4 oder SiF4. Wegen des SiF4 Dampfdrucks werden in der der Praxis fluorhaltige Gas Zum "Siliciumätzen " eingesetzt.

Zum Ätzen von Alumimum das als eingesetzt wird verwendet man u.a. Bromwasserstoff (HBr)- . Wolfram ein im Mikroprozessorbereich durchgängig anzutreffendes Leiterbahnmaterial mit fluorhaltigen Gasen geätzt. Beim Ätzen bildet flüchtiges WF6.

Beim Ätzen von Kupfer einem sehr modernen Leiterbahnmaterial greift man Augenblick in Ermangelung eines geeigneten gasförmigen Trockenätzmediums auf naßchemische Verfahren zurück. Die Ätzreaktion stützt hier auf der Neigung des Kupfer zur löslicher Aminkomplexe.

Sollen organische Materialien geätzt werden verwendet Sauerstoff. Ätzprodukte sind hier CO oder CO2.

Bei dem zum Ätzen eingesetzte Substanzen es sich durchgängig um im industriellen Maßstab Produkte.

So entstammen viele der zum Ätzen PFCs unmittelbar der Kunststoffproduktion. Sie werden hier als Monomere eingesetzt oder fallen als Nebenprodukt Monomersythese an.

Bortrichlorid Chlor Chlorwasserstoff und Bromwasserstoff sind Basischemikalien der chemischen Industrie und werden z.T sehr großen Maßstab hergestellt.

Anorganische Fluorverbindungen die als Ätzgas eingesetzt entstehen oft durch direkte Umsetzung der Elemente einstufiger Reaktion. Typische Beispiele sind Schwefelhexafluorid (SF6) und Stickstofftrifluorid (NF3). Schwefelhexafluorid findet auch als Isoliergas verbreitet Anwendnung ist aber seiner hohen Stabilität und seines extremen Potentials Treibhausgas problematisch. Stickstofftrifluorid (NF3) ebenfalls ein großtechnisch Produkt mit ausgeprägtem Treibhausgaspotential wird ausschließlich als verwendet. Bis zu einer Temperatur von ca °C ist NF3 thermisch relativ stabil. Bei zu hohem Druck beginnt NF3 ab ca. °C langsam in Fluor und NF2 zu Bei sehr hoher Temperatur erfolgt schließlich die Aufspaltung des NF2 in Fluoratome und in sehr stabile NF.

Auch das technisch großer Menge erzeugte Fluor kann als Ätzgas eingesetzt werden. In Plasmaätzprozessen die sich flurohaltiger Ätzmedien bedienen tritt Fluor zwangsläufig als Produkt von Rekombinationsprozessen auf nimmt deshalb an praktisch allen Ätzprozess als Komponente teil. Die niedrige F-F Dissoziationsenergie führt dazu dass Fluor auch plasmafreies Ätzen erlaubt. Bei einem theoretischen F2-Druck von mbar genügt ein Aufheizen der Ätzkammer auf °C um einen stabilen Gasdissoziationsgrad von ca. zu erreichen. bei höheren Drücken geht zwar Dissoziationsgrad zurück die Absolutkonzentration ätzaktiver Spezies nimmt weiter zu. Im Prinzip sogar vakuumloses Ätzen Ein besonderer Vorteil des thermischen Ätzens ist in der Tatsache zu sehen dass thermische gegenüber Ätzgasverunreinigungen unempfindlich sind. Bei der verwendeten verhalten sich alle üblichen Ätzgasverunreinigungen inert. Beim ist dagegen stets zu erwarten dass auch 'aktiviert' werden. Weitere Vorteile ist die auch Sicht vorteilhafte Temperatur die für einen sehr Ätzprozess sorgt. Im Unterschied zu allen anderen ist Fluor kein Treibhausgas. Auch aus dem kann Fluor sehr einfach und kostengünstig durch entfernt werden. Die bei anderen Ätzgasen erforderichen zweistufigen Abgasbehandlungssysteme die oft zur Sekundärbildung neuer Stoffe führen entfällt somit. Als Ätzgas verwendet entweder unverdünntes Fluor oder Fluor-Edelgasgemische.

Alle oben beschriebenen anorganische Fluorverbindungen werden der Halbleiter - und Displayindustrie insbesondere auch zum Reinigungätzen verwendet und in z.T. sehr großen Mengen eingesetzt.

SF6 findet außerdem in der Mikrotechnologie RIE-Prozess (( Reactive Ion Etching)) Anwendung.

Innerhalb der 'Aktivierungszone' des Ätzreaktors wird dem Ätzgas das ohne Aktivierung meist kein entfalten würde ein hochreaktives Plasmaerzeugt . Neben neutralen Gasteilchen treten im Plasma Elektronen Ionen verschiedensten Ionisierungsgrads Radikale elektronisch angeregte Moleküle auf. Welche Spezies in welcher Konzentration hängt von der chemischen Natur des Ätzgases Als Anhaltspunkt kann hier z.B. die Ioniersierungsenergie Ätzgases dienen.

Neben des obigen reaktiven Spezies erzeugt Entladungszone auch kurzwellige UV-Strahlung . Auch hier hängt die emittierte Frequenz der Natur des Ätzgases ab.

Je nach Verfahrensart ist man beim entweder an den durch das Plasma erzeugten und Radikalen oder an Atomen und Ionen

Beim Plasmaätzen verwendet man Ionen in profaner Weise als den "Sand eines Sandstrahlgebläses". das permanente "Sandstrahlen" des geerdeten Substrats mit wird dessen Oberfläche mechanisch "aufgerissen" und dem Angriff ätzaktiver Spezies zugänglich gemacht. Spezielle Strukturen sich erzeugen indem man bestimmte Bereiche der mit einem Photolack (Photoresist) abdeckt.

Erklärung der Wirkungsweise

Da sich die Ionen in einem Feld bewegen ist die durch Ionen erzeugte ebenfalls anisotrop. Die an sich isotrope Reaktion am Ätzprozess beteiligten Teilchen läßt sich hierdurch in anisotrope Bahnen lenken. Um besonders scharfe zum Beispiel tiefe Gräben mit senkrechten Kanten erhalten verwendet man Ätzgase die polymerisierbare Teilchen erzeugen. (Die komplexe Struktur vieler beruht auf der nicht immer berechtigten Annahme bestimmte polymerisierbare Teilchen in besonders hoher Konzentration werden.) . Die isotrope Polymerisationsreaktien setzen bevorzugt an den geschützten und an Grabenflanken ein die nicht dem ausgesetzt sind. Die Polymerisation erzeugt auf der eine Schutzschicht welche die chemische Ätzreation noch macht. Gelegentlich kommen auch sauerstoffhaltige Verbindungen als zur Anwednungen. Man versucht hierdurch u.a. der durch Oxidation entgegenzuwirken und diese hierduch zu

Probleme des Verfahrens

Praktisch alle Teilchen innerhalb der Plasmzone in ständiger Wechselwirkung miteinander. Viele der stattfinden (Ionen-Molekül-Reaktionen Rekombinationen etc.) sind stark exotherm und bewirken die hohe Temperatur der Die hohe Temperatur begünstigt wiederum die Teilchewechselwirkung bewirkt dass die Nettoausbeute an reaktiven Teilchen schießlich für den Ätzprozess zur Verfügung stehen sehr niedrig bleibt.

Eine weitere Senke für die reaktiven Teilchen sind außerdem Wände des Plasmareaktors und die Wände von

Ein weiteres Problem bei den beschriebenden ist jedoch die Prozesssteuerung. Im Plasma laufen oben genannten Prozesse gleichzeitig ab. Zum Teil die Prozesse auch durch die Tatsache dass in einem gasdurchströmten Reaktor erfolgen zeitaufgelöst auf Reaktorinnenraum abgebildet. Die sehr komplexe Dynamik des chemisch-kinetisch äußerordentlich komplexen Ätzprozesses bedingt dass kleinste - zum Beispiel Änderungen bei Gasfluß und eine Veränderung der Entladungsstärke oder der Feldstärke Reaktor eine Veränderung der Reaktorgeometrie - die im Reaktor grundlegend verändern können. Das Einfahren Plasmaätzprozesses erfordert daher Erfahrung und viel Zeit. eingestellt und optimiert sollten einzelne Prozessparameter möglicht mehr verändert werden.

Lösungsansätze

Durch Absenken des Partialdrucks des ätzaktiven kann man desn Partialdruck reaktiver Teilchen und 'Lebensdauer' erheblich erhöhen. Die Partialdruckabsenkung kann hierbei durch gezielte Reduktion des Gesamtreaktordrucks oder auch Verdünnen des ätzaktiven Gases mit einem Intergas Bei systematischer Vorgehensweise die natürlich auch berücksichtigt sich bei Reaktordruckänderungen auch die Verweilzeit des im Reaktor verändert lässen sich Ätzprozesse so recht einfach optimieren.

Übrigens führt das einfache Erhöhen der meist deshalb nicht zu erwünschten Steigerung der weil beim Erhöhen der Entladungstärke auch die drastisch zunehmen. Zusäzlich erzeugte ätzaktive Spezies gehen gleich wieder verloren.

Im Vergleich zu Ionen haben Atome und auch Radikale unter Hochvakuumbedingungen des Plasmareaktor eine sehr lange Lebensdauer. treten dagegen nur in der Plasmazone und unmittelbaren Randbereichen auf. "Remote-Plasmasysteme" sind aus diesem nur für isotrope Ätzprozesse geeignet und kommen Zweitsystem beim Reinigungsätzen zum Einsatz.

Später auftretende Probleme

Probleme die im späteren Routinebetrieb auftreten meist auf Bedienungsfehler und auf unwissentliche Veränderung Basis-Prozess parametern zurückzuführen. Auch die in der Praxis beobachtenten überraschende Ausbeuteverbesserungen oder -verschlechterungen sind meist auf die oder zufällige Veränderungen wichtiger Prozessparameter zurückzuführen. Da den meisten kommerziellen Plasmaanlagen Einrichtungen fehlen die Überwachung der Prozesschemie ermöglichen werden überhöhte Prozesskosten hohe Emissionen deshalb oft gar nicht oder erst spät festgestellt.



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