Schnelle Antwort: Trockenätzen und Nassätzen sind die beiden wichtigsten Verfahren zum Materialabtrag in der Halbleiter- und Präzisionsmikrofabrikation. Beim Trockenätzen werden Plasma oder reaktive Gase (RIE, DRIE, Plasmaätzen) eingesetzt, um Material durch gerichteten Ionenbeschuss und reaktive Chemie zu entfernen. Dabei entstehen anisotrope (vertikale) Seitenwände und eine Strukturgenauigkeit von ±1–2 µm bei Strukturgrößen unter 20 µm. Beim Nassätzen werden flüssige chemische Ätzmittel (HF für Siliziumdioxid, KOH für Silizium, FeCl₃ für Kupfer) verwendet, die isotrop reagieren – d. h. Material gleichzeitig in alle Richtungen entfernen – und so geneigte oder untergrabene Seitenwandprofile erzeugen. Die Wahl hängt von drei Faktoren ab: der Strukturgröße (unterhalb von etwa 10–20 µm beeinträchtigt die laterale Ätzabmessung beim Nassätzen die Maßgenauigkeit), das Seitenverhältnis (bei einem Verhältnis von Tiefe zu Breite von über etwa 3:1 führt das Nassätzen durch Untergraben zum Zusammenbrechen schmaler Strukturen) sowie die Anforderungen an die Seitenwände (vertikale Wände sind für MEMS-Trägerstrukturen, FinFET-Rippen und mikrofluidische Kanäle mit kontrollierter Strömungsgeometrie erforderlich). Wenn diese Einschränkungen nicht vorliegen – beispielsweise bei der Kupferstrukturierung auf Leiterplatten, beim Abtragen von Siliziumblockmaterial oder beim Ätzen von Metallblechen mit Strukturen über 100 µm – ist das Nassätzen die richtige Wahl, da es 30–70% geringere Kosten pro Bauteil und einen wesentlich höheren Durchsatz bietet.
Der grundlegende physikalische Unterschied
Der entscheidende Unterschied zwischen Trocken- und Nassätzung liegt in der Richtungsabhängigkeit, und diese bestimmt, ob ein Prozess die geplante Strukturgeometrie beibehalten kann.
Das Nassätzen ist isotrop: Ein flüssiges Ätzmittel gelangt durch Diffusion an das Substrat und greift das freiliegende Material in alle Richtungen mit annähernd gleicher Geschwindigkeit an. Die laterale Ätzrate entspricht in etwa der vertikalen Ätzrate. Bei einer Struktur, die durch eine Maskenöffnung der Breite w bis zu einer Tiefe d geätzt wird, entspricht die seitliche Unterschnitttiefe auf jeder Seite annähernd dem Wert d (bei vollständig isotropem Ätzen). Ein 10 µm tiefes Ätzen erzeugt daher auf jeder Seite eine laterale Untergrabung von etwa 10 µm, wodurch sich die Strukturbreite gegenüber der durch die Maske definierten Abmessung um etwa 20 µm verringert. Bei einer 5 µm breiten Maskenöffnung, die bis zu einer Tiefe von 10 µm geätzt wird, bedeutet dies, dass das Strukturelement vollständig untergeätzt ist und die strukturelle Integrität verloren geht. Durch die Unterätzung entsteht zudem ein abgerundetes Seitenwandprofil anstelle einer senkrechten Wand.
Das Trockenätzen verläuft anisotrop: Beim plasma-basierten Trockenätzen werden hochenergetische Ionen senkrecht zur Substratoberfläche eingestrahlt. Diese Ionen entfernen Material vorwiegend in vertikaler Richtung; die durch den Ionenbeschuss verstärkte Reaktionsgeschwindigkeit in vertikaler Richtung ist je nach Prozessparametern typischerweise 5–50-mal höher als die laterale chemische Reaktionsgeschwindigkeit. Beim reaktiven Ionenätzen (RIE) und beim tiefen reaktiven Ionenätzen (DRIE, auch als Bosch-Verfahren bekannt) wird der Passivierungs-Ätz-Zyklus genutzt, um nahezu senkrechte Seitenwände zu erzielen: Eine polymere Passivierungsschicht wird auf allen Oberflächen abgeschieden; anschließend wird sie durch Ionenbeschuss ausschließlich von den horizontalen Oberflächen entfernt, sodass das Ätzen vertikal fortgesetzt werden kann, während das Polymer die seitlichen Wände schützt. Mit DRIE werden routinemäßig Seitenverhältnisse von 20:1 bis 50:1 mit Seitenwandwinkeln von 2–3° zur Vertikalen erreicht.
Die praktische geometrische Konsequenz: Bei einem MEMS-Beschleunigungsmesser mit 5 µm breiten Trägern und einer Ätztiefe von 50 µm (Seitenverhältnis 10:1) würde das Nassätzen die Trägerstruktur vollständig untergraben und zerstören. Durch DRIE bleibt die Trägergeometrie innerhalb der erforderlichen Maßtoleranz erhalten, sodass das Bauteil wie vorgesehen funktionieren kann.
Prozessvergleich
| Faktor | Trockenätzung (RIE/DRIE) | Nassätzung |
|---|---|---|
| Richtungsabhängigkeit | Anisotrop (vertikales Ätzen überwiegt) | Isotrop (in alle Richtungen gleich) |
| Seitenwandprofil | Nahezu senkrecht (88–90°, typisch für DRIE) | Abgeschrägt oder hinterschnitten (typischerweise 45–75°) |
| Fähigkeit zur Fertigung von Bauteilen mit bestimmten Abmessungen | Submikrometer bis ~100 µm; Standard für <20 µm | Praktische Untergrenze ~20–50 µm (abhängig von der Ätztiefe) |
| Unterstützung verschiedener Seitenverhältnisse | 10:1 bis 50:1 für DRIE | In der Regel auf <3:1 begrenzt, bevor es zu einer starken Unterschnittbildung kommt |
| Maßkontrolle | typischerweise ±1–2 µm; ±0,5 µm bei fortschrittlichen Verfahren | typischerweise ±5–20 µm, abhängig von der Ätzzeit |
| Ausrüstungskosten | Hoch ($ 200.000–$ 2.000.000+ für RIE-/DRIE-Systeme) | Niedrig ($5.000–$50.000 für Chemietanks und Steuerungssysteme) |
| Komplexität der Prozesse | Hoch (Plasmaparameter, Kammerkonditionierung, Gasregelung) | Niedrig (Temperatur- und Konzentrationsregelung) |
| Durchsatz | Geringer (in der Regel 1–6 Wafer pro Stunde bei DRIE) | Hoch (Stapelverarbeitung, viele Wafer pro Stunde) |
| Kosten pro Wafer/Bauteil | Hoch | Niedrig (30–70%, bei geeigneten Anwendungen auch niedriger) |
| Materialauswahl | Hoch (durch die Gaschemie einstellbar) | Mäßig bis hoch (materialspezifische Ätzmittel) |
| Sicherheit und Abfall | Reaktive Gase; kontrollierte Abfallentsorgung | Gefährliche flüssige Chemikalien; Neutralisierung erforderlich |
| Hauptanwendungsbereiche | MEMS, Halbleiterbauelemente, Mikrofluidik | Leiterplatten, Entfernung von Siliziumblöcken, Ätzen von Blechen, Reinigung |
Wann ist ein Trockenätzverfahren erforderlich?
Das Trockenätzen wird zum unverzichtbaren Verfahren – und nicht mehr nur zu einer Option –, wenn die Geometrie des Strukturmerkmals dem isotropen Unterätzen beim Nassätzen nicht standhalten kann.
Moderne Halbleiterbauelemente (CMOS, FinFET, Leistungsbauelemente): Die Gates von FinFET-Transistoren weisen in aktuellen Fertigungsprozessen eine Finnenbreite von 5–10 nm auf. Die Ätztiefe der Finnenausnehmung ist vergleichbar mit der Finnenbreite, wodurch sich Seitenverhältnisse von deutlich über 1:1 ergeben. Ein Nassätzvorgang in diesem Maßstab würde die Finnengeometrie innerhalb von Zeiträumen im Nanometerbereich vollständig untergraben – der Prozess ist physikalisch mit der Geometrie unvereinbar. Bei der Strukturierung in der modernen CMOS-Fertigung unterhalb von etwa 100 nm kommen ausschließlich plasmabasierte Verfahren zum Einsatz.
Bei Leistungshalbleiterbauelementen (IGBTs, MOSFETs mit Trench-Gate-Strukturen) sind die Trench-Gates 0,5–2 µm breit und 3–8 µm tief – was einem Seitenverhältnis von 4:1 bis 10:1 entspricht. Die elektrischen Eigenschaften des Bauelements (Sperrspannung, Durchlasswiderstand) hängen von der präzisen Trenchgeometrie ab. Eine Unterschnitttiefe an den Trench-Ecken von nur 0,5–1 µm verändert die elektrische Feldverteilung am Gate und verschlechtert die Eigenschaften des Bauelements.
MEMS-Strukturen: MEMS-Bauelemente (Trägheitssensoren, Drucksensoren, Mikrofone, HF-Resonatoren) nutzen aufgehängte oder freistehende mechanische Strukturen – Träger, Membranen, Ausleger – mit typischen Abmessungen von 2–50 µm Breite und 20–200 µm Tiefe. DRIE ist das grundlegende Verfahren für die Herstellung der meisten dieser Strukturen. Das Bosch-Verfahren (abwechselnde SF₆-Ätz- und C₄F₈-Passivierungszyklen) erreicht Ätzraten von 5–30 µm/min bei Seitenwandwinkeln von 88–90° und kann Strukturen mit einem Seitenverhältnis von 50:1 erzeugen, die durch Nassätzen physikalisch nicht realisierbar sind.
Mikrofluidik: In mikrofluidischen Vorrichtungen für biomedizinische und chemische Analysen bestimmt der Kanalquerschnitt direkt das Strömungsverhalten (laminarer Strömungsbereich, Vermischungseigenschaften, Druckabfall). Ein Kanal mit einer Breite von 20 µm und einer Tiefe von 50 µm verträgt keine Hinterschneidung von mehr als 10 µm an jeder Wand, ohne dass sich die beabsichtigten Strömungseigenschaften vollständig ändern. Durch Trockenätzen wird der Kanalquerschnitt innerhalb der Konstruktionstoleranz gehalten.
Präzise Musterübertragung: Jede Anwendung, bei der ein durch eine Maske definiertes Muster mit minimaler Maßabweichung auf das Substrat übertragen werden muss – photonische Wellenleiter, Beugungsgitter, mikrooptische Elemente –, erfordert Trockenätzen. Die Strukturgröße der Maske wird im Substrat reproduziert, wobei die laterale Abweichung eher durch die Parameter des Plasmaprozesses als durch isotropische chemische Diffusion begrenzt wird.
Wann ist das Nassätzen die richtige Wahl?
Das Nassätzen ist keineswegs die zweitbeste Option – es ist vielmehr das effizienteste und wirtschaftlichste Verfahren für eine große Bandbreite von Anwendungen, bei denen ein isotropes Ätzprofil entweder akzeptabel oder irrelevant ist.
Kupferstrukturierung auf Leiterplatten: Die Kupferbahnen auf einer Leiterplatte weisen bei Standard-Leiterplatten typischerweise Mindeststrukturgrößen von über 75–100 µm auf (25–50 µm bei HDI-Leiterplatten). Bei einer Leiterbahnbreite von 75 µm, die durch 35 µm dickes Kupfer geätzt wird, beträgt der seitliche Hinterschnitt etwa 35 µm – wodurch sich die Leiterbahnbreite gegenüber der Maskenabmessung auf jeder Seite um etwa 35 µm verringert. Dies wird bei der Dimensionierung der Druckvorlage berücksichtigt (die Druckvorlage wird breiter als die angestrebte Leiterbahnbreite gezeichnet, um den Hinterschnitt auszugleichen), und das Ergebnis ist für die elektrische Leistungsfähigkeit von Standard-Leiterplatten akzeptabel. Das Nassätzen von Kupfer mit FeCl₃ oder CuCl₂ ist das universelle Verfahren zur Leiterplattenherstellung, da es schnell ist (Ätzraten von 25–75 µm/min), auf Plattengrößen von 600 mm × 600 mm und größer skalierbar ist und nur einen Bruchteil der Kosten einer plasma-basierten Alternative verursacht.
Entfernung von Siliziummassen und Waferausdünnung: Das Abtragen von 100–300 µm Silizium von der Rückseite eines Wafers zum Ausdünnen, das Erzeugen tiefer Vertiefungen für die Verpackung oder das serielle Ätzen von Siliziumsubstraten zur Freilegung von MEMS-Bauelementen – all dies sind Materialabtragungsvorgänge, bei denen die Ätzrate und die Kosten weitaus wichtiger sind als die Präzision der Seitenwände. KOH (Kaliumhydroxid) ätzt Silizium mit einer Geschwindigkeit von etwa 1–3 µm/min und wirkt selektiv gegenüber Maskierungsschichten aus Siliziumnitrid und Siliziumdioxid. Bei einer Ätztiefe von 300 µm ist es wirtschaftlich vertretbar, den Ätzvorgang in 100–300 Minuten abzuschließen; derselbe Materialabtrag mittels DRIE mit einer Geschwindigkeit von 5–10 µm/min würde deutlich mehr Maschinenzeit bei wesentlich höheren Maschinenkosten pro Stunde erfordern.
Reinigung und Vorbereitung der Oberfläche: Verdünntes HF zur Entfernung von nativem Oxid, die Reinigung mit SC-1 und SC-2 (Standard-Reinigungslösungen) sowie die Piranha-Reinigung zur Entfernung organischer Verunreinigungen sind allesamt nasschemische Verfahren, die in der Halbleiterfertigung universell eingesetzt werden. Diese Reinigungsschritte dienen nicht der Strukturierung, sondern der Vorbereitung der Oberflächen für die nachfolgende Weiterverarbeitung. Die isotrope Natur der chemischen Prozesse stellt keine Einschränkung dar; das Ziel ist eine gleichmäßige Oberflächenbehandlung.
Ätzen von Blechen für mechanische Bauteile: Beim chemischen Ätzen von Edelstahl, Kupfer, Messing und Aluminium für Industrieteile – Federkontakte, Unterlegscheiben, Abschirmungen, Zierblenden, Encoder-Räder – kommt das Nassätzen zum Einsatz, wobei die Strukturgrößen typischerweise über 100–200 µm liegen. Bei diesen Abmessungen ist der Hinterschnitt im Verhältnis zur Strukturgröße relativ gering (das Verhältnis von Hinterschnitt zu Strukturbreite beträgt etwa 1/2 bis 1/5) und wird bei der Vorlagenkorrektur berücksichtigt. Das Ergebnis ist ein geformtes Metallbauteil, das ohne Investitionen in Stanzwerkzeuge hergestellt wird und 30–70% kostengünstiger ist als plasma-basierte Alternativen.
Kostenanalyse: Gesamtfertigungskosten, nicht Prozesskosten
Die Bewertung von Nassätzen und Trockenätzen allein anhand der Anlagen- oder Prozesskosten stellt einen systematischen Fehler dar. Der korrekte Vergleich erfolgt anhand der Kosten pro qualifiziertem Teil, wobei folgende Faktoren berücksichtigt werden: Prozesskosten, Ausbeute, Ausschuss und Nacharbeit.
Der renditebereinigte Kostenvergleich:
Für ein Bauteil mit Mikrostruktur, das eine Maßgenauigkeit von ±5 µm erfordert:
- Nassätzen: Geringere Prozesskosten (z. B. $0,50/Wafer), jedoch eine Ausschussquote von 25–30% aufgrund von Schwankungen bei der Unterschnitttiefe → effektive Kosten pro qualifiziertem Teil = $0,50 / 0,72 Ausbeute = $0,69
- Trockenätzung: Höhere Prozesskosten (z. B. $3,00/Wafer), aber eine Ausbeute von 97–98% → effektive Kosten pro qualifiziertem Teil = $3,00 / 0,975 Ausbeute = $3,08
In diesem Fall kostet das Trockenätzen pro qualifiziertem Bauteil etwa das 4,5-Fache, was nur dann gerechtfertigt ist, wenn die Funktion des Bauteils die Maßgenauigkeit erfordert, die das Trockenätzen bietet. Bei einem Teil, bei dem eine Genauigkeit von ±50 µm akzeptabel ist und das Nassätzen eine Ausbeute von 97%+ erzielt, kehrt sich der ausbeuteberichtigte Vergleich um – das Nassätzen ist eindeutig wirtschaftlicher.
Die versteckten Kostenfaktoren: Ausschussteile, die die Erstprüfung bestehen, aber den Gerätetest (für Halbleiter- oder MEMS-Anwendungen) nicht bestehen, Nachbearbeitungskosten aufgrund von Maßabweichungen, die eine nachträgliche Bearbeitung erfordern, sowie Wiederholungsprüfungen zur Qualifizierung nach Prozessänderungen tragen alle zu den Gesamtkosten bei, die bei einfachen Vergleichen der Prozessdurchsätze nicht sichtbar werden.
Die Faustregel: Wenn die Anwendung ein Trockenätzen erfordert (Strukturgröße 3:1, vertikale Seitenwände erforderlich), ist der Kostenvergleich mit dem Nassätzen irrelevant – denn mit dem Nassätzen lässt sich das funktionsfähige Bauteil nicht herstellen. Wenn beide Verfahren die Toleranzanforderungen erfüllen können, sind die Kosten pro qualifiziertem Bauteil beim Nassätzen fast immer geringer.
Häufige Fehler bei der Auswahl des Ätzverfahrens
| Fehler | Folge | Der richtige Ansatz |
|---|---|---|
| Einsatz von Nassätzung für Strukturen mit hohem Aspektverhältnis (>3:1) | Starke Hinterschneidungen führen zum Einbrechen schmaler Strukturen; Teile sind funktionsunfähig | Wechseln Sie zum Trockenätzen (RIE oder DRIE); überprüfen Sie das Seitenverhältnis im Hinblick auf die Prozessfähigkeit, bevor Sie die Entscheidung endgültig treffen. |
| Einsatz des Trockenätzverfahrens für alle Präzisionsanwendungen, unabhängig von der Strukturgröße | 2–5-fache Kostensteigerung ohne funktionalen Nutzen bei Strukturen >100 µm | Verwenden Sie das Nassätzen für Strukturen mit einer Größe von >50–100 µm, bei denen ein Hinterschnittausgleich akzeptabel ist; behalten Sie das Trockenätzen für Strukturen vor, bei denen dies erforderlich ist |
| Bewertung der Kosten ausschließlich anhand der Prozessrate unter Vernachlässigung der Ausbeute | Hinter den scheinbar niedrigeren Kosten pro Durchlauf verbergen sich höhere Kosten pro qualifiziertem Teil, das aus Ausschuss gewonnen wird | Vergleich der Kosten pro qualifiziertem Teil: Prozesskosten ÷ Ausbeute |
| Nichtberücksichtigung der Maskenselektivität bei der Auswahl der Ätzchemie | Die Maske wird abgetragen, bevor das Substrat die erforderliche Tiefe erreicht; das Muster ist verzerrt | Stellen Sie sicher, dass die Ätzselektivität (Ätzrate des Substrats / Ätzrate der Maske) für die erforderliche Ätztiefe ausreicht; verwenden Sie für tiefe Ätzvorgänge eine Hartmaske (SiO₂, Si₃N₄, Metall). |
| Unter der Annahme, dass die Toleranzen beim Nassätzen ausreichend sind, ohne den Unterfräsungsgrad zu berechnen | Der Hinterschnitt überschreitet die Spezifikation; Nacharbeit oder Neukonstruktion nach Produktionsbeginn erforderlich | Berechnen Sie die seitliche Ätztiefe bei voller Ätztiefe; vergleichen Sie diese mit der Maßtoleranz; fügen Sie eine Korrektur für die Druckvorlage hinzu oder wechseln Sie zum Trockenätzen, wenn die Korrektur die Hälfte der Strukturbreite überschreitet. |
Wichtigste Erkenntnisse
- Der grundlegende Unterschied liegt in der Richtung: Das Nassätzen ist isotrop (gleiche Ätzrate in alle Richtungen, wodurch Hinterschneidungen und schräge Seitenwände entstehen); das Trockenätzen ist anisotrop (es überwiegt der vertikale Ionenbeschuss, wodurch nahezu senkrechte Seitenwände entstehen). Dieser Unterschied ist kein Qualitätsunterschied – es handelt sich um einen Unterschied in den geometrischen Möglichkeiten.
- Strukturgrößen unterhalb von etwa 10–20 µm und Seitenverhältnisse über 3:1 erfordern in der Regel Trockenätzen.: Bei diesen Abmessungen ist die seitliche Hinterschneidung durch das Nassätzen vergleichbar mit der Strukturbreite oder übersteigt diese sogar, wodurch der Prozess unabhängig von einer Optimierung der Chemikalienzusammensetzung geometrisch nicht kompatibel ist.
- Mit dem DRIE-Verfahren (Bosch-Verfahren) lassen sich Seitenverhältnisse von 20:1 bis 50:1 mit Seitenwandwinkeln von 2–3° zur Vertikalen erzielen.: Diese Eigenschaft ist für die MEMS-Fertigung von grundlegender Bedeutung und lässt sich mit keinem nasschemischen Verfahren erreichen.
- Das Ätzen von Kupfer auf Leiterplatten, das Abtragen von Siliziumblockmaterial und das chemische Ätzen von Blechen erfolgen korrekt mittels Nassverfahren.: Angesichts der bei diesen Anwendungen erforderlichen Strukturgrößen und Toleranzen ist das Nassätzen kein Kompromiss – es ist das wirtschaftlichste und technisch am besten geeignete Verfahren.
- Der Kostenvergleich muss ertragsbereinigt sein: Nassätzen bei geringeren Prozesskosten, aber 25%-Ausschuss bei einem Teil mit engen Toleranzen ist nicht kostengünstiger als Trockenätzen bei höheren Prozesskosten und einer Ausbeute von 97%. Der korrekte Vergleich ist Prozesskosten ÷ Ausbeute, nicht nur die Prozesskosten allein.
- Bei jedem Tiefätzvorgang muss die Selektivität der Maske überprüft werden.: Die Ätzselektivität (Ätzrate des Substrats / Ätzrate der Maske) muss ausreichend sein, um die Maske über die gesamte erforderliche Ätztiefe hinweg zu schützen. Bei tiefen Ätzvorgängen im Trockenätzverfahren bieten Hartmasken (thermisch gewachsenes SiO₂, LPCVD-Si₃N₄, gesputtertes Metall) eine höhere Selektivität als Fotolack allein.
- Für Beschaffungs- und Konstruktionsteams bei OEM, die geätzte Bauteile spezifizieren: In den Zeichnungen sollten die Strukturgröße, das Mindestseitenverhältnis, die Anforderungen an den Seitenwandwinkel (vertikal vs. geneigt zulässig) sowie die Maßtoleranz angegeben werden, nicht jedoch das Ätzverfahren selbst. Dies ermöglicht es dem Lieferanten, das für die Spezifikation geeignete Verfahren auszuwählen, und es lässt sich zudem erkennen, in welchen Fällen die vorgegebene Toleranz ein Trockenätzen erfordert (wobei die entsprechenden Kosten einkalkuliert werden sollten) und in welchen Fällen die Toleranz durch Nassätzen kostengünstiger eingehalten werden kann.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Hauptunterschied zwischen Trockenätzen und Nassätzen?
Der grundlegende Unterschied liegt in der Richtungsabhängigkeit. Beim Nassätzen werden flüssige chemische Ätzmittel verwendet, die das freiliegende Material isotrop – also in allen Richtungen mit annähernd gleicher Geschwindigkeit – auflösen und so Seitenwandprofile erzeugen, die unterhalb der Maske abgeschrägt oder untergraben sind. Beim Trockenätzen werden Plasma oder reaktive Gase eingesetzt, die durch Ionenbeschuss den Materialabtrag vorzugsweise in vertikaler Richtung bewirken, wodurch anisotrope (nahezu vertikale) Seitenwände entstehen. In der Praxis bedeutet dies, dass beim Nassätzen ein seitlicher Hinterschnitt entsteht, der in etwa der Ätztiefe entspricht, während beim Trockenätzen (insbesondere DRIE) die seitlichen Abmessungen über Ätztiefen von mehr als 100 µm hinweg innerhalb von 1–2 µm gehalten werden. Bei Strukturen, die breiter als etwa 50–100 µm sind und bei denen eine Unterfräsung akzeptabel ist, ist das Nassätzen kostengünstiger und bietet einen höheren Durchsatz. Für Strukturen unter 20 µm, Strukturen mit hohem Seitenverhältnis oder Anforderungen an vertikale Seitenwände ist das Trockenätzen das geeignete Verfahren.
Wann ist Trockenätzen erforderlich und wann optional?
Trockenätzen ist erforderlich (und nicht optional), wenn der laterale Unterschnitt durch Nassätzen die Maßtoleranz des Merkmals überschreiten würde. Dies ist der Fall bei: Merkmalen mit einer Breite von weniger als etwa 10–20 µm; Strukturen mit hohem Seitenverhältnis und einem Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis von mehr als etwa 3:1; Anforderungen an vertikale Seitenwände (MEMS-Trägerstrukturen, FinFET-Rippen, Mikrofluidikkanäle mit kontrolliertem Querschnitt); sowie Strukturen unter 100 nm in der modernen Halbleiterfertigung, bei denen das Nassätzen physikalisch nicht mit der Geometrie vereinbar ist. Trockenätzen ist optional – und oft unangebracht – bei Strukturen über 50–100 µm mit Toleranzen über ±10–20 µm, bei Anwendungen mit hohen Stückzahlen sowie bei Anwendungen, bei denen der Unterfräsvorgang im Maskenentwurf kompensiert werden kann. Der Einsatz von Trockenätzen, wo Nassätzen ausreichen würde, verursacht zusätzliche Kosten ohne funktionalen Nutzen.
Warum wird bei der MEMS-Herstellung das Trockenätzen eingesetzt?
MEMS-Bauelemente (Beschleunigungssensoren, Gyroskope, Drucksensoren, Mikrofone) nutzen schwebende mechanische Strukturen – Balken, Membranen, Ausleger – mit Strukturbreiten von 2–20 µm und Ätztiefen von 20–200 µm. Diese Strukturen weisen Seitenverhältnisse von 5:1 bis 50:1 auf. Beim Nassätzen bei diesen Seitenverhältnissen entsteht ein seitlicher Untergriff, der der Trägerbreite entspricht oder diese sogar übersteigt, wodurch die Struktur zusammenbricht, bevor die beabsichtigte Tiefe erreicht ist. DRIE (Deep Reactive Ion Etching, Bosch-Verfahren) erreicht Seitenverhältnisse von 20:1 bis 50:1 mit Seitenwandwinkeln von 2–3° zur Senkrechten bei Ätzraten von 5–30 µm/min und ermöglicht so die präzisen mechanischen Strukturen, die MEMS-Bauelemente erfordern. Kein nasschemisches Verfahren erreicht diese Aspektverhältnisse in Silizium.
Können durch Nassätzen vertikale Seitenwände erzeugt werden?
Beim herkömmlichen isotropen Nassätzen lassen sich keine senkrechten Seitenwände erzeugen. Bestimmte kristallographische Nassätzverfahren in orientierten Siliziumsubstraten (z. B. KOH-Ätzen von (100)-Silizium) erzeugen definierte kristallographische Ebenen in charakteristischen Winkeln (54,7° zur Oberfläche bei (111)-Ebenen in (100)-Silizium), die zwar geometrisch vorhersagbar, aber nicht senkrecht sind. Diese schrägen Ebenen sind für bestimmte MEMS-Anwendungen nützlich (V-Nut-Ausrichtungsmerkmale, anisotrop freigesetzte Membranen), sind jedoch nicht senkrecht und lassen sich nur bei bestimmten Kristallorientierungen erzielen. Für senkrechte oder nahezu senkrechte Seitenwände ist im Allgemeinen ein Trockenätzen erforderlich.
Inwiefern wirkt sich die Wahl des Ätzverfahrens auf die Produktionsausbeute aus?
Die Wahl des Ätzverfahrens beeinflusst die Ausbeute durch Maßgenauigkeit und Prozesskonsistenz. Bei Anwendungen mit engen Toleranzen (Maße der Strukturmerkmale mit einer Genauigkeit von ±5 µm oder besser) führt die Variabilität beim Nassätzen – bedingt durch den Abbau der Ätzmittelkonzentration, Temperaturschwankungen, die Maskenausrichtung und die Zeitsteuerung – zu einer breiteren Verteilung der Strukturmaße als beim plasmagesteuerten Trockenätzverfahren. Ist die Spezifikationstoleranz enger als die Maßabweichung beim Nassätzen, ist die Ausschussquote aufgrund von Toleranzüberschreitungen hoch, und die effektiven Kosten pro qualifiziertem Teil steigen proportional an. Das Trockenätzen mit strengerer Parametersteuerung führt bei Anwendungen mit engen Toleranzen zu engeren Maßverteilungen und einer höheren Ausbeute – was die höheren Prozesskosten pro Einheit ausgleicht, wenn die ausbeutebereinigten Kosten berechnet werden.
Technische Literaturhinweise: Madou M.J. – „Fundamentals of Microfabrication“ (Kapitel zu Ätzverfahren), Laermer F. und Schilp A. – „Method of anisotropically etching silicon“ (ursprüngliches Bosch-DRIE-Patent, EP 0625285), Franssila S. – Einführung in die Mikrofabrikation (Kapitel „Trocken- und Nassätzen“), SEMI-Standards für Halbleiterätzverfahren, Wolf S. und Tauber R.N. – Siliziumverarbeitung für das VLSI-Zeitalter, Band 1 (Kapitel „Nass- und Trockenätzen“).
