In der Halbleiterfertigung müssen verschiedenste Schichten geätzt werden. Sei es zur ganzflächigen Entfernung oder zum Übertragen eines strukturierten Fotolackfilms in eine darunter liegende Schicht. Dabei lässt sich die Ätztechnik in das nasschemische Ätzen und das Trockenätzen unterteilen. Darüber hinaus unterscheidet man zwischen isotropen und anisotropen Prozessen, sowie dem chemischen und dem physikalischen Charakter des Ätzprozesses.
Bei einem isotropen Ätzprozess geschieht die Ätzung in alle Richtungen. So werden Schichten nicht nur in ihrer Dicke abgetragen, sondern auch in ihrer lateralen Ausdehnung. Bei anisotropen Ätzungen wird die Schicht nur in einer Richtung abgetragen. Je nach Prozess kann ein isotroper oder ein anisotroper Ätzvorgang erwünscht sein.
Ein wichtiger Parameter der Ätzprozesse ist die Selektivität. Diese gibt das Abtragsverhältnis zweier Schichten an. Ist die Selektivität 2:1, so wird die eine Schicht doppelt so schnell durch den Ätzprozess entfernt wie die andere.
Die im Folgenden beschriebene Nasschemie wird jedoch nicht allein zum Ätzen von Schichten verwendet, sondern kommt auch bei anderen Prozessen zum Einsatz:
Auf Grund des meist isotropen Ätzprofils wird das Nassätzen kaum zur Strukturierung verwendet. Eine Ausnahme ist hier die Mikromechanik. Auf Grund der Gitterstruktur von Siliciumeinkristallen können mit nasschemischen Ätzlösungen definierte Strukturen erzeugt werden, welche bspw. Flankenwinkel von 90° oder 54,74° besitzen.
Das Prinzip beim Nassätzen ist die Umwandlung des festen Materials der Schicht in flüssige Verbindungen unter zu Hilfenahme einer chemischen Lösung. Die Selektivität ist sehr hoch, da die eingesetzten Chemikalien genau auf die vorhandenen Schichten abgestimmt werden können; sie beträgt bei den meisten Lösungen mehr als 100:1.
Folgende Anforderungen müssen von den chemischen Lösungen erfüllt werden:
Beim Tauchätzverfahren wird eine ganze Horde mit Wafern auf einmal in einem Becken mit der Ätzlösung prozessiert. Durch Filter und Umwälzpumpen werden Partikel von den Wafern ferngehalten. Da die Konzentration der Ätzlösung mit zunehmender Menge an bearbeiteten Scheiben abnimmt, muss sie oft erneuert werden.
Die Ätzrate, also der Materialabtrag pro Zeit, muss genau bekannt sein, um reproduzierbare Ätzungen durchführen zu können. Eine exakte Temperierung der Ätzlösung ist erforderlich, da die Ätzrate der meisten chemischen Lösungen mit der Temperatur zunimmt.
Die Hebevorrichtung kann die Horde waagerecht und senkrecht transportieren. Nachdem die Wafer geätzt wurden wird die Ätzung auf den Wafern durch Spülen in mehreren Tauchbecken gestoppt; anschließend kommen die Wafer in eine Trockenschleuder.
Die Vorteile der Tauchätzung sind die hohe Durchsatzrate an Wafern und der relativ einfach Aufbau der Ätzanlagen. Die Homogenität des Schichtabtrags ist jedoch gering.
Die Sprühtechnik ist vergleichbar mit der Sprühentwicklung in der Fototechnik. Durch die Rotation auf dem Chuck unter stetiger Zugabe frischer Ätzlösung ist die Homogenität sehr gut. Bläschen können sich hier auf Grund der schnellen Drehung nicht bilden, jedoch ist auch hier der Nachteil, dass jeder Wafer einzeln prozessiert werden muss.
Alternativ zu der sequentiellen Prozessierung gibt es auch die Sprühätzung mehrerer Horden gleichzeitig in einer Trommel, bei der die Wafer schnell um die Sprühvorrichtung im Zentrum kreisen. Direkt im Anschluss werden die Scheiben unter Rotation in heißer Stickstoffatmosphäre getrocknet.
Obwohl in einer Ätzlösung die Teilchen in der Flüssigkeit die Schicht auf dem Wafer in jeder Richtung abätzen können gibt es auch Verfahren, mit denen man bei der Nassätzung ein nahezu anisotropes Ätzprofil erhält. Dabei nutzt man die unterschiedliche Ätzrate auf den verschiedenen Kristallstrukturen aus. 100- und 110-orientierte Kristallebenen lassen sich deutlich schneller abtragen als 111-orientierte Kristalle, so lassen sich V-Gräben (100-Si) oder senkrechte Wände (110-Si) ätzen. Die Ätzung erfolgt mit Kali-, Natron- oder Lithiumlauge (KOH, NaOH, LiOH) oder mit einer EDP-Lösung (ein Gemisch aus Wasser, Pyrazin, Brenzkatechin und Ethylendiamin). Verantwortlich für die Reaktion ist in jedem Fall die OH--Gruppe (Hydroxidgruppe) der Stoffe:
Anisotrop wirkende Ätzlösungen sind für mikroelektronische Schaltungen jedoch uninteressant.
Für die jeweiligen Materialien stehen unterschiedliche Ätzlösungen zur Verfügung. Oxidschichten werden in der Halbleiterindustrie mit Flusssäure HF geätzt:
Die Lösung wird dabei mit NH4F gepuffert um die HF-Konzentration konstant zu halten. Bei einer Mischung aus einer 40-prozentigen NH4F-Lösung und 49-prozentigen Flusssäure (Verhältnis 10:1) beträgt die Ätzrate bei thermischem Oxid 50 nm/min. TEOS-Oxide werden mit ca. 150 nm/min und PECVD-Oxide mit ca. 350 nm/min deutlich schneller geätzt. Die Selektivität gegenüber kristallinem Silicium, Siliciumnitrid und Polysilicium ist wesentlich größer als 100:1.
Siliciumnitrid wird mit heißer Phosphorsäure H3PO4 geätzt. Dabei ist die Selektivität zu SiO2 jedoch mit 10:1 sehr gering. Bei Polysilicium wird die Selektivität zum Nitrid im Wesentlichen vom Gehalt der Phosphorsäure bestimmt.
Kristallines und polykristallines Silicium, werden zunächst mit Salpetersäure (HNO3) oxidiert, das Siliciumdioxid wird dann mit Flusssäure geätzt:
Aluminium wird bei ca. 60 °C mit einer Mischung aus Salpeter- und Phosphorsäure geätzt, Titan mit einer Lösung aus Ammoniakwasser NH4OH, Wasserstoffperoxid (Titmus, H2O2) und Wasser (Verhältnis 1:3:5). Da die Lösung auch Silicium angreift wenn das Peroxid verbraucht ist, ist die Standzeit der Lösung gering.
Generell eignet sich das nasschemische Ätzen für das abtragen kompletter Schichten auf einem Wafer. Die Selektivität von der zu ätzenden Schicht zu der darunter liegenden ist meist sehr gut, so dass keine Gefahr besteht falsche Schichten abzutragen. Zudem ist der Abtrag pro Zeiteinheit sehr hoch, in Tauchätzverfahren lassen sich viele Scheiben gleichzeitig ätzen. Bei kleinen Strukturen kann die Nassätzung jedoch nicht eingesetzt werden, da das isotrope Ätzprofil dafür nicht geeignet ist. In diesem Fall werden die Schichten mit Trockenätzverfahren anisotrop abgetragen.
Die Halbleiterfertigung findet in Reinräumen statt um die hochkomplexen Schaltungen der Halbleiterbauteile vor Verunreinigungen zu schützen, die die Funktionsfähigkeit der Bauteile beeinflussen können. Die Reinräume werden nach der Größe der Partikel und deren Anzahl pro Kubikfuß (= cbf; 1 Fuß = 30,48 cm) bzw. nach DIN/ISO pro 1 m3 klassifiziert:
| Klasse ↓ | ≥ 0,1 µm | ≥ 0,2 µm | ≥ 0,3 µm | ≥ 0,5 µm | ≥ 1,0 µm | ≥ 5,0 µm |
| ISO 1 | 10 | 2 | ||||
| ISO 2 | 100 | 24 | 10 | 4 | ||
| ISO 3 | 1.000 | 237 | 102 | 35 | 8 | |
| ISO 4 | 10.000 | 2.370 | 1.020 | 352 | 83 | |
| ISO 5 | 100.000 | 23.700 | 10.200 | 3.520 | 832 | 29 |
| ISO 6 | 1.000.000 | 237.000 | 102.000 | 35.200 | 8.320 | 293 |
| ISO 7 | 10.000.000 | 2.370.000 | 1.020.000 | 352.000 | 83.200 | 2.930 |
So dürfen sich in einem Klasse-3-Reinraum maximal 1.000 Partikel mit einem Durchmesser ≥0,1 µm befinden, 237 Partikel ≥0,2 µm, 102 Partikel ≥0,3 µm, 35 Partikel ≥0,5 µm und 8 Partikel ≥1 µm. In einem Operationssaal beträgt die Reinraumklasse 2 oder 3, in einem Volumen von 1 m3 Stadtluft sind 400 Millionen Partikel der Größe 5 µm enthalten.
Die Luft in Reinräumen für die Mikroelektronik wird über Feinstfilter gereinigt und dann durch die Decke eingeleitet. Durch Löcher im Boden wird die Luft abgesaugt, so dass dieser Laminarstrom Partikel von oben nach unten durch den Boden abtransportiert. Damit keine Verunreinigungen von außen in den Reinraum eindringen können herrscht dort in der Regel ein leichter Überdruck. Um die Wafer bestmöglich gegen Partikel zu schützen, werden diese in Transportboxen von einer Produktionsanlage zur nächsten transportiert. In modernen Reinräumen handelt es sich dabei um so genannte FOUPs (Front Opening Unified Pod), welche direkt an die Ladestationen der Maschinen andocken und so geöffnet werden, dass die Wafer vom FOUP in die Anlage gelangen, ohne der Reinraumluft ausgesetzt zu werden.
Da die Wafer in den FOUPs vollständig von der Umgebungsluft im Reinraum abgeschottet sind, kann in den Transportboxen eine andere Reinraumklasse herrschen, als im Reinraum selbst. So ist es möglich, die großen Fertigungsbereiche mit einer relativ hohen Reinraumklasse von ISO 5 zu betreiben, während in den FOUPs eine Reinraumklasse von ISO 1 oder ISO 2 herrscht. Dadurch können enorme Kosten gespart werden, da nur ein kleines Volumen der höchsten Reinheitsklasse genügen muss.
Die Fertigung im Reinraum ist in der Abbildung nur der Bereich zwischen rosafarbener Lüftungsanlage unter dem Dach und dem gelben Bodenbereich. Darunter befindet sich das Basement mit den Versorgungsanlagen (Pumpen, Chemietanks etc.). Manche Reinräume sind von einem so genannten Grauraum umgeben in dem sich die Anlagen befinden, so dass über eine Wand getrennt nur die Bedienfelder und die Schleusen zum Einbringen der Wafer in die Anlagen vom Reinraum aus zugänglich sind.
Das Personal trägt spezielle Reinraumanzüge, die keine Partikel absondern. Dabei bedeckt der Anzug je nach Bedarf den kompletten Körper. Der Kopf wird entweder mit einem simplen Haarnetz oder einer Haube und einem Mundschutz oder mit einer kompletten Maske bedeckt. Zusätzlich gibt es besonders partikelarme Schuhe, Unterbekleidung und Handschuhe. Im Eingangsbereich des Reinraums befinden sich oft Luftduschen, die vor Betreten noch einmal Partikel vom Anzug abblasen.
Trotz des Reinraums gibt es verschiedene Arten von Verunreinigungen, die hauptsächlich vom Personal in der Fertigungslinie, der Umgebungsluft, von Chemikalien (Gasen, Lösungen) und den Anlagen verursacht werden:
Mikroskopische Verunreinigungen sind Partikel, die sich an der Waferoberfläche anlagern. Quellen dieser Verunreinigungen sind die Umgebungsluft, Kleidung des Personals, Abriebe an beweglichen Teilen in Prozessanlagen, unzureichend gefilterte Flüssigkeiten, wie Ätz- und Reinigungslösungen oder Entwickler, oder Ätzrückstände nach Prozessen beim Trockenätzen.
Mikroskopische Verunreinigungen verursachen Abschattungseffekte, wenn sie an der Scheibenoberfläche die Belichtung des Fotolacks verhindern; bei der Kontaktbelichtung kommt es zu schlechten Auflösungen, wenn sich relativ große Partikel zwischen Maske und Scheibe befinden. Des Weiteren können sie bei Implantationsprozessen oder beim Trockenätzen beschleunigte Ionen von der Scheibenoberfläche fernhalten.
Partikel können auch von Schichten eingeschlossen werden, so dass Unebenheiten entstehen. Nachfolgende Schichten können an diesen Stellen aufplatzen oder es sammelt sich Fotolack an, in Folge dessen es durch die zu dicke Lackschicht zu nicht vollständig belichteten Bereichen kommt.
Molekulare Verunreinigungen resultieren aus Lack- und Lösemittelresten auf den Scheiben oder durch Ölnebelablagerungen aus Vakuumpumpen. Diese Verunreinigungen können sich sowohl auf der Scheibenoberfläche befinden, als auch in die Schichten eindiffundieren. Die oberflächlich anhaftenden Verunreinigungen behindern teilweise die Haftung nachfolgender Schichten, im Falle von Metallisierungen (dünne Leiterbahnen) erheblich. Durch die Diffusion in Oxide wird die elektrische Belastbarkeit dieser Schichten verschlechtert.
Die Hauptquelle dieser Verunreinigungen ist der Mensch, der ständig über die Haut, aber auch über die Atemluft Salze aussondert. Aber auch durch unzureichend deionisiertes Wasser gelangen (Alkali-)Ionen von Natrium oder Kalium auf die Scheiben. Schwermetalle die in Ätzlösungen vorhanden sind können zur Kontamination führen. Durch Strahlen in Anlagen (Implanter, Trockenätzen) kann Material von Wänden abgesputtert werden, das sich dann auf den Scheiben niederschlägt.
Ionische Verunreinigungen beeinflussen beispielsweise die elektrischen Eigenschaften von MOS-Transistoren, da ihre Ladung die Schwellspannung – also die Spannung ab der der Transistor leitend wird – verändert. Schwermetalle wie Eisen oder Kupfer liefern freie Elektronen, so dass die Leistungsaufnahme in Dioden steigt. Metalle können aber auch Rekombinationszentren für freie Ladungsträger bilden, so dass in der Schaltung nicht mehr genügend freie Ladungsträger zur einwandfreien Funktion zur Verfügung stehen.
Die Scheiben werden nach jedem nasschemischen Prozessschritt in Reinstwasser gespült, aber auch nach anderen Prozessen werden die Scheiben von Verunreinigungen befreit. Dabei gibt es verschiedene Reinigungstechniken, die die unterschiedlichen Verschmutzungen beseitigen. Der Verbrauch an Reinstwasser in einer Halbleiterfertigung ist dabei extrem hoch und beträgt mehrere Millionen Liter im Jahr. Dabei befinden sich im Reinstwasser fast keine Verunreinigungen mehr, 1–2 ppm (parts per million = Anzahl an Verunreinigungen pro Millionen Wasserteilchen) sind erlaubt (Beispiel, Stand 2002). Das Wasser wird meist direkt vor Ort in Aufbereitungsanlagen gereinigt.
Eine Möglichkeit der Scheibenreinigung ist das Ultraschallbad, bei dem die Wafer in eine Lösung aus Wasser und Ultraschallreinigungs- und Netzmitteln gegeben werden. Durch die Ultraschallanregung lösen sich Partikel von der Oberfläche, Metalle und molekulare Verunreinigungen werden vom Reinigungsmittel teilweise gebunden. Nicht stark anhaftende Partikel können auch mit Stickstoff abgeblasen werden.
Zum Entfernen organischer Verunreinigungen wie Fett, Öl oder Hautschuppen eignen sich Lösungsmittel wie Aceton oder Ethanol. Diese können jedoch Kohlenstoffrückstände hinterlassen.
Ionische Verunreinigungen (Ionen von Kalium, Natrium etc.) werden durch Spülen mit deionisiertem Wasser entfernt. Auch die Reinigung mit rotierenden Bürsten und einer Reinigungsflüssigkeit ist möglich. Jedoch werden bei strukturierten Scheiben die Partikel an den Kanten angelagert, die Bürsten können die Scheibenoberfläche beschädigen. Kontaktlöcher oder andere Vertiefungen können mit einer Hochdruckreinigung bei ca. 50 bar ausgespült werden. Hierbei werden jedoch keine ionischen oder metallischen Verunreinigungen entfernt.
Die Reinigung mit Wasser und verschiedenen Reinigungsmitteln reicht jedoch oft nicht aus. Oftmals werden die Verunreinigungen mit aggressiven Ätzlösungen entfernt, oder Oberflächen gezielt minimal abgetragen. Gemische aus Wasserstoffperoxid und Schwefelsäure oder Ammoniak oder die Carosche Säure/Piranha-Lösung (Schwefelsäure mit Wasserstoffperoxid) lösen organische Verunreinigungen bei ca. 90 °C durch Oxidation ab.
Ein Gemisch aus Salzsäure und Wasserstoffperoxid bildet Alkalimetalle zu leicht löslichen Chloriden (Salzen) aus, Schwermetalle bilden Komplexe und gehen in Lösung. Mit Flusssäure kann natürliches Oxid entfernt werden, mit einer gezielt aufgebrachten Schicht Oxid mit Wasserstoffperoxid lässt sich die Oberfläche dagegen auch schützen.
Neben der Spülung der Scheiben nach jedem nasschemischen Prozessschritt, durchlaufen die Wafer bei einer vollständigen Reinigung eine Reihe von Reinigungsschritten nacheinander. Dabei ist die Reihenfolge der Reinigungsverfahren wichtig, da sich diese teilweise gegenseitig in der Reinigungswirkung behindern. Eine Reinigungssequenz kann beispielsweise wie folgt ablaufen:
Nach jedem Reinigungsschritt werden die Scheiben in Reinstwasser gespült, gegebenenfalls natürliches Oxid mit Flusssäure entfernt. Je nach aktueller Scheibenoberfläche sehen die Reinigungssequenzen unterschiedlich aus, da die Lösungen manche Schichten angreifen. Bei den immer kleiner werdenden Strukturen wird auch die Reinigung mehr und mehr erschwert. Nicht nur, dass sich kleine Öffnungen nicht so leicht erreichen lassen. Die Oberflächenspannung und Kapillarwirkungen können Strukturen umkippen lassen und so die Schaltung zerstören.