Im vorherigen Artikel haben wir den Fotolithografieprozess vorgestellt, bei dem eine Fotomaske verwendet wird, um die entworfenen Schaltkreismuster auf die mit Fotolack beschichtete Oberfläche des Wafers zu projizieren. Der nächste Schritt besteht darin, den Ätzvorgang auf dem Wafer durchzuführen, um unerwünschtes Material zu entfernen und nur das gewünschte Muster beizubehalten.

Radierung: Eine eigenständige Kunstform

Als Sie im Kunstunterricht waren, haben Sie möglicherweise „Drucke“ erstellt, eine Art Kunstwerk, das dadurch entsteht, dass Sie Formen auf die Oberfläche von Holz, Metall oder Stein zeichnen, dann Tinte oder Farbe auftragen und diese auf Papier oder Stoff drücken. Der Halbleiterätzprozess hat ähnliche Prinzipien wie diese Drucktechnik.

Beim Drucken wird ein Korrosionsschutzmaterial auf eine Metallplatte aufgetragen und das gewünschte Design mit scharfen Werkzeugen in die Platte geschnitzt. Anschließend wird die Platte in korrosive Materialien wie Salpetersäure getaucht und der Korrosionsgrad kontrolliert, um das gewünschte Muster zu bilden.

In ähnlicher Weise verwendet der Ätzprozess bei der Halbleiterherstellung flüssige oder gasförmige Ätzmittel, um unerwünschte Materialien selektiv zu entfernen, bis die gewünschten Schaltkreismuster auf der Oberfläche des Wafers zurückbleiben. Das Material in Bereichen ohne Fotolack wird durch das Ätzmittel entfernt, um die Schaltkreismuster auf dem Wafer zu bilden. Nach Abschluss des Ätzvorgangs wird der Fotolack entfernt. Diese Schritte müssen auf verschiedenen Ebenen mehrmals wiederholt werden.

Das im Ätzverfahren verwendete Trockenätzen kann in zwei Arten eingeteilt werden: Trockenätzen und Nassätzen, abhängig von den verwendeten Materialien. Beim Trockenätzen werden unerwünschte Materialien selektiv mithilfe reaktiver Gase und Ionen entfernt, während beim Nassätzen chemische Lösungen zum Einsatz kommen.

Im Vergleich zum Nassätzen ist das Trockenätzen kostenintensiver und aufwändiger. Mit der Weiterentwicklung der nanoskaligen Halbleitertechnologie werden Schaltkreise jedoch immer komplexer. Daher wird Trockenätzen häufiger eingesetzt und hat eine höhere Ausbeute (bezogen auf den Prozentsatz der fertigen Produkte).

Trockenätzen, auch Plasmaätzen genannt, wird verwendet, um unnötige Substratmaterialien zu entfernen.
Plasma wird erzeugt, indem Gas in eine Vakuumkammer mit einem Druck unter dem Atmosphärendruck injiziert und dann elektrische Energie bereitgestellt wird. Plasma ist ein Materiezustand (ähnlich wie Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase), der aus einer großen Anzahl freier Elektronen, Ionen und neutralen Teilchen oder ionisierten Gasen besteht. Wenn eine Substanz ionisiert ist, bedeutet dies, dass Neutronen oder Moleküle ihren Ladungszustand geändert haben, indem sie Elektronen abgegeben oder aufgenommen haben.

Wenn ein durch elektrische Energie erzeugtes, ausreichend starkes Magnetfeld an ein Gas angelegt wird, wodurch die Gasmoleküle kollidieren und ionisieren, entsteht ein Plasma. Mit anderen Worten: Freie Elektronen werden durch das Magnetfeld beschleunigt und die anschließenden hochenergetischen Elektronen kollidieren mit Neutronen oder Molekülen und ionisieren diese.

Diese als Lawineneffekt bekannte Ionisationskaskade führt zu einem exponentiellen Anstieg der Ionenzahl. Dies nennen wir den „Plasmazustand“. Freie Radikalatome dissoziieren aus diesem Plasmazustand und verdampfen von der Waferoberfläche, wodurch das Oberflächenmaterial entfernt wird, das zuvor nicht durch die Fotolackbeschichtung geschützt war.

Beim Trockenätzverfahren sind mehrere Punkte zu beachten.

Erstens Einheitlichkeit. Die Gleichmäßigkeit gibt die Konsistenz der Ätzrate über die gesamte Waferoberfläche an. Wenn die Ätzrate in verschiedenen Bereichen des Wafers inkonsistent ist, variiert die Ätztiefe, was zu Chipausfällen führen kann.

Zweitens, Ätzrate. Damit ist die Menge an Oberflächenmaterial gemeint, die in einer bestimmten Zeit abgetragen wird. Die Ätzrate kann je nach Anzahl der reaktiven Atome und Ionen sowie der von den Ionen getragenen Energie, die Oberflächenreaktionen auslöst, variieren. Mit anderen Worten: Wir müssen diese Faktoren streng kontrollieren, um den Gesamtertrag zu verbessern.

Darüber hinaus gelten die Selektivität (das Verhältnis der Ätzrate des Zielmaterials zur Ätzrate anderer Materialien) und das Ätzprofil als wichtige Faktoren beim Trockenätzen.

Jetzt haben Sie ein besseres Verständnis des Ätzprozesses zum Aufbau von Halbleiterschaltkreismustern. Halbleiter sind der Inbegriff der integrierten Schaltkreistechnologie. Sie werden durch wiederholtes Aufbringen gewünschter Materialien auf ein Siliziumsubstrat, Aufbringen von Schutzschichten und selektives Ätzen unnötiger Teile hergestellt. Der gesamte Prozess wird in Geräten durchgeführt, die auf Sicherheit ausgelegt sind.

Im nächsten Artikel stellen wir die Abscheidungs- und Ionenimplantationsprozesse vor, die den Wafern durch diese Techniken elektrische Eigenschaften verleihen.