Nederlands
Menu

Isotroop etsen versus anisotroop etsen: profiel, onderetsing, oorsprong van de richtingsafhankelijkheid en selectiviteit

Isotroop etsen verwijdert materiaal verticaal en zijwaarts met dezelfde snelheid, dus het eet onder de maskerrand door (onderetsing) en laat een afgerond profiel achter. Anisotroop etsen verloopt in bepaalde richtingen veel sneller, en er zijn twee verschillende manieren om dat te bereiken. De ene is droog etsen, waarbij ionen die in een plasma verticaal worden versneld de reactie op de bodem aandrijven terwijl een passiveringslaag de zijwanden beschermt, wat vrijwel verticale zijwanden geeft. De andere is nat etsen van monokristallijn silicium in alkalische oplossingen zoals KOH of TMAH, waarbij de (111)-vlakken zeer langzaam etsen, zodat kristalvlakken de vorm bepalen. Nat betekent niet altijd isotroop en droog niet altijd anisotroop: droog etsen met alleen radicalen is isotroop. Richtingsafhankelijkheid gaat ten koste van selectiviteit en schade, dus de keuze hangt af van het doel.

KenmerkIsotroop etsenAnisotroop etsen (droog, ion-ondersteund)Kristalvlakafhankelijk anisotroop etsen (nat)
Wat de richtingsafhankelijkheid veroorzaaktNiets: de chemische reactie verloopt in alle richtingen even snelIonen die door het elektrische veld verticaal worden versneld, bevorderen de reactie op de bodem, terwijl een passiveringslaag de zijwanden beschermtDe etssnelheid verschilt sterk tussen kristalvlakken; (111)-vlakken van silicium etsen zeer langzaam
ProfielAfgerond, gecentreerd op de maskeropeningVrijwel verticale zijwanden (taperhoek instelbaar via de procescondities)Hellingen van ongeveer 54,7° op (100)-wafers; verticale wanden op (110)-wafers
OnderetsingGroot: zijwaarts ongeveer evenveel als in de diepte, en meer bij overetsenKleinStopt bij (111)-vlakken onder maskerranden die op <110> zijn uitgelijnd; convexe hoeken en niet-uitgelijnde randen worden onderetst
Typische methodenNat etsen zoals HF-etsen van oxide, XeF2-gas, downstreamplasma dat alleen radicalen levertRIE, ICP-etsen, het Bosch-procesAlkalische oplossingen zoals KOH en TMAH
SelectiviteitGemakkelijk hoog te maken, omdat er vrijwel geen fysieke verwijdering isIonenbombardement tast ook maskers en onderliggende lagen aan, en een sterkere richtingsafhankelijkheid verlaagt doorgaans de selectiviteitHoog: maskers van siliciumnitride en oxide (vooral met TMAH) worden nauwelijks geëtst
SchadeLaagIonenbombardement en oplading kunnen schade veroorzakenGeen plasmaschade
Beperkingen in vormNiet geschikt voor structuren die smaller zijn dan de laagdikteDraagt de maskervorm vrijwel exact over; diepe gaten hebben last van effecten zoals snelheidsverlies dat van de aspectverhouding afhangtWerkt alleen op monokristallijn silicium, met vormen die door kristalvlakken worden bepaald; maskers moeten op de kristaloriëntatie worden uitgelijnd
Typische toepassingenVerwijderen van volledige lagen, reiniging, etsen van opofferingslagen in MEMS, verwijderen van SiGe tussen GAA-nanosheetsFijne patronen zoals transistorgates, contacten, trenches en via's; diepe verticale gaten in MEMSBulk-micromachining zoals MEMS-membranen, V-groeven en piramidevormige putjes

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Isotroop etsen
Wanneer hoge selectiviteit of het vermijden van schade aan de onderliggende laag belangrijker is dan maatnauwkeurigheid, en wanneer de onderetsing zelf nuttig is, om onder een structuur uit te hollen of een laag van opzij te verwijderen.
Anisotroop etsen (droog, ion-ondersteund)
Wanneer smalle, verticale patronen op de maskermaten moeten worden overgedragen. Vrijwel alle fijne patronen in geavanceerde IC's worden zo gemaakt.
Kristalvlakafhankelijk anisotroop etsen (nat)
Wanneer nauwkeurige hellingen, V-groeven of dunne membranen die door kristalvlakken worden bepaald goedkoop in monokristallijn silicium nodig zijn, vooral voor bulk-micromachining van MEMS.

Veelgestelde vragen

Is nat etsen altijd isotroop?

Nee. Het etsen van amorfe of polykristallijne lagen in een oplossing is doorgaans isotroop, maar het etsen van monokristallijn silicium in KOH of TMAH is anisotroop, omdat de snelheid sterk verschilt tussen kristalvlakken. Omgekeerd is droog etsen dat alleen radicalen of XeF2-gas gebruikt, zonder ionen, isotroop.

Waarom laten ionen het etsen alleen naar beneden verlopen?

De negatieve potentiaal die op de waferelektrode ontstaat, versnelt ionen vrijwel verticaal, zodat ze vooral de bodem van de structuur raken. Ionenbombardement versnelt de chemische reactie met radicalen sterk, dus de bodem etst veel sneller dan de zijwanden. Polymeren en andere bijproducten zetten zich als passiveringslaag op de zijwanden af en blokkeren het zijwaartse etsen.

Waarom gaan richtingsafhankelijkheid en selectiviteit ten koste van elkaar?

Een sterkere richtingsafhankelijkheid komt van een hogere ionenenergie en een grotere fysieke component van het etsen, en die component maakt geen onderscheid tussen materialen, dus tast ze ook maskers en onderliggende lagen aan. Isotroop chemisch etsen heeft vrijwel geen fysieke component en bereikt gemakkelijk een hoge selectiviteit, maar etst ook zijwaarts. Echte processen zoeken een balans tussen gassamenstelling, ionenenergie en passivering.

Hoeveel onderetsing veroorzaakt isotroop etsen?

Volledig isotroop etsen verwijdert vanaf de maskerrand zijwaarts ongeveer evenveel als in de diepte. Door een laag van 1 µm heen etsen geeft ongeveer 1 µm onderetsing, en overetsen voegt daar nog meer aan toe. Daarom worden structuren die smaller zijn dan de laagdikte met anisotroop etsen gemaakt.

Test uw begrip

Hoe groot is bij benadering het zijwaarts weggeëtste bedrag (undercut) vanaf de rand van het masker wanneer een film van 1 µm dik met volledig isotroop nat etsen precies tot de ondergrond wordt weggeëtst?

  1. ACirca 1 µm
  2. BCirca 10 µm
  3. CVrijwel 0
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Circa 1 µm

Bij isotroop etsen wordt verticaal en zijwaarts even snel geëtst, dus op het moment dat 1 µm is weggeëtst en de ondergrond is bereikt, is vanaf de rand van het masker ook zijwaarts circa 1 µm weggeëtst (undercut). Door overetsen neemt het zijwaartse etsen nog toe. Er ontstaat dus een afmetingsverandering van minstens de orde van de laagdikte, zodat de methode niet geschikt is voor patronen die smaller zijn dan de laagdikte. Omgekeerd wordt deze eigenschap benut bij onder meer het uithollen van het gebied onder een structuur in MEMS.

Welke uitspraak over de kenmerken van etsen van het downflow-type, waarbij alleen in het plasma gevormde radicalen aan de wafer worden toegevoerd, is juist?

  1. ADoor sterk ionenbombardement is de anisotropie zeer hoog
  2. BDoordat vrijwel geen ionenbombardement optreedt, is de schade gering en kan isotroop worden geëtst
  3. CEr wordt met een chemische oplossing geëtst
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Doordat vrijwel geen ionenbombardement optreedt, is de schade gering en kan isotroop worden geëtst

Bij het downflow-type (remote plasma) wordt de plaats waar het plasma wordt opgewekt gescheiden van de wafer, en onderweg recombineren ionen en elektronen en gaan verloren, zodat alleen neutrale radicalen met een lange levensduur de wafer bereiken. Er vallen geen ionen in en het ultraviolette licht van het plasma wordt tegengehouden, dus de schade is gering en isotroop etsen is mogelijk. Het wordt gebruikt voor het verwijderen van resist, het verwijderen van films in schadegevoelige processen en het verwijderen van SiGe tussen nanosheets.

Welk gas kan silicium zonder plasma isotroop etsen, bijvoorbeeld bij het verwijderen van offerlagen in MEMS?

  1. AO2 (zuurstof)
  2. BN2 (stikstof)
  3. CXeF2 (xenondifluoride)
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. XeF2 (xenondifluoride)

XeF2 is een gas dat bij ongeveer kamertemperatuur sublimeert, spontaan met silicium reageert tot onder meer SiF4 en silicium zonder plasma isotroop etst (2XeF2 + Si → 2Xe + SiF4). De selectiviteit ten opzichte van oxide- en nitridefilms, resist en veel metalen is met meer dan 1000 zeer hoog, en omdat geen vloeistof wordt gebruikt treedt nauwelijks stiction op, zodat het wordt gebruikt om MEMS-structuren uit een offerlaag van silicium los te maken.

  1. Als silicium tegelijk wordt blootgesteld aan XeF2-gas en een bundel argonionen, verloopt het etsen veel sneller dan de som van beide afzonderlijk. Welke eigenschap van droog etsen toont dit aan?
  2. Welke maatstaf geeft aan hoeveel de zijwand van een door etsen gevormd gat of gevormde sleuf van verticaal afwijkt?
  3. Welke uitspraak over anisotroop etsen is juist?

Oefenvragen over Etsen

Belangrijke termen uitgelegd

Isotroop etsen
Etsen dat verticaal en horizontaal even snel verloopt. Het etst onder het masker door (underetch).
Anisotroop etsen
Eigenschap dat het etsen alleen in een bepaalde richting (meestal verticaal) verloopt. Noodzakelijk voor het bewerken van fijne patronen.
Selectiviteit
Verhouding tussen de etssnelheid van de te etsen laag en die van het masker of de onderliggende laag. Hoe groter, hoe minder schade aan de ondergrond.
RIE (reactief ionenetsen)
Droog etsen waarbij reactieve deeltjes uit het plasma worden gecombineerd met door een elektrisch veld versnelde ionen. Maakt verticaal anisotroop etsen mogelijk.
Boschproces (Deep RIE)
Droogetstechniek waarbij etsen en het afzetten van een zijwandbeschermingsfilm in korte cycli worden afgewisseld om diepe, verticale gaten en sleuven in silicium te etsen. Wordt gebruikt voor het bewerken van MEMS en TSV.
Opofferingslaag-etsen (sacrificial layer etching)
Veelgebruikte MEMS-bewerkingsmethode waarbij een tijdelijk onder de structuur geplaatste laag (opofferingslaag) wordt weggeëtst, zodat beweegbare balken en membranen vrij komen te hangen.
Radicaal
Neutraal atoom of molecuul met een ongepaard elektron dat chemisch zeer reactief is. In plasma veel talrijker aanwezig dan ionen en verantwoordelijk voor chemisch etsen en deponeren.
Kristaloriëntatie
Geeft de richting van kristalvlakken en -richtingen aan. Wordt met Millerindices uitgedrukt, zoals (100); voor siliciumwafers voor MOSFET's is het (100)-vlak gebruikelijk.

Verwante vergelijkingen