KOH vs. TMAH: anisotropes Ätzen von Silizium, Ätzrate, Masken, CMOS-Tauglichkeit
KOH und TMAH sind beides alkalische Lösungen, die Silizium je nach Kristallebene sehr unterschiedlich schnell lösen. Die (111)-Ebenen ätzen weit langsamer als die übrigen, sodass auf einem (100)-Wafer die (111)-Ebenen als Seitenwände mit etwa 54,7° Neigung erscheinen; damit lassen sich V-Gräben, pyramidenförmige Gruben und dünne Membranen herstellen. KOH ist billig, hat einen großen Ratenunterschied zwischen den Ebenen und wird seit Langem für die Volumenmikromechanik von MEMS verwendet. Kaliumionen stören jedoch die Transistoreigenschaften, daher darf KOH nicht in die CMOS-Fertigung gelangen. TMAH enthält keine Metallionen, lässt sich daher leichter mit CMOS kombinieren und kann Oxidmasken nutzen, sein Ratenunterschied zwischen den Ebenen ist aber kleiner. Zudem wird es über die Haut aufgenommen und kann schwere Vergiftungen verursachen, weshalb es besonders sorgfältig zu handhaben ist.
| Merkmal | KOH | TMAH |
|---|---|---|
| Zusammensetzung und Bedingungen | Wässrige Kaliumhydroxidlösung, typischerweise etwa 20 bis 40 wt% bei etwa 60 bis 90 °C | Wässrige Tetramethylammoniumhydroxidlösung (eine metallfreie organische Lauge), typischerweise etwa 5 bis 25 wt% bei etwa 70 bis 90 °C |
| Typische Ätzrate (100) | Typischerweise etwa 1 µm pro Minute (stark abhängig von Konzentration und Temperatur) | Typischerweise etwa 0,3 bis 1 µm pro Minute, oft langsamer als KOH |
| Ratenverhältnis (100) zu (111) | Groß: typischerweise über 100, unter manchen Bedingungen mehrere Hundert | Kleiner: typischerweise einige Zehn (ab etwa zehn aufwärts) |
| Nutzbare Masken | Siliziumnitrid (LPCVD) ist am besten; SiO2 ätzt mit nicht vernachlässigbarer Rate, daher brauchen lange Ätzungen eine dicke Schicht | SiO2 ätzt sehr langsam, daher eignet sich thermisches Oxid gut als Maske; Siliziumnitrid ist ebenfalls nutzbar |
| CMOS-Tauglichkeit | Schlecht: Kaliumionen gelangen als mobile Ionen ins Gateoxid und verschieben die Schwellenspannung, daher wird KOH aus der CMOS-Fertigung ferngehalten; es greift zudem Aluminium schnell an | Gut: Es enthält keine Metallionen und kann daher für die MEMS-Bearbeitung nach dem Aufbau der CMOS-Schaltungen (Post-CMOS) verwendet werden; es greift Aluminium an, doch Bedingungen, die den Angriff begrenzen, etwa in der Lösung gelöstes Silizium, sind bekannt |
| Oberflächenrauheit | Bei höherer Konzentration erhält man leichter relativ glatte Oberflächen | Bei niedriger Konzentration bilden sich auf (100)-Oberflächen leicht kleine pyramidenförmige Hügel (Hillocks); höhere Konzentration ergibt glattere Oberflächen, aber langsameres Ätzen |
| Sicherheit und Handhabung | Eine starke Lauge, die Haut und Augen schwer schädigt; billig und leicht zu handhaben | Neben der starken Lauge kann es über die Haut aufgenommen werden und die Signalübertragung von Nerven zu Muskeln blockieren, was systemische Vergiftungen bis zum Atemstillstand verursachen kann; konzentrierte Lösungen sind besonders gefährlich |
| Typischer Einsatz | Volumenbearbeitung von MEMS ohne Schaltungen, etwa Membranen für Drucksensoren, V-Gräben zur Ausrichtung von Glasfasern, Tintenstrahldüsen und Durchgangslöcher durch den Wafer | Freilegen von MEMS-Strukturen, die auf demselben Chip wie Schaltungen gebaut sind (etwa thermische Sensoren), und anisotropes Siliziumätzen, wo Metallionenkontamination vermieden werden muss |
Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.