Anisotropes Ätzen von Silicium

Einkristallines Silicium ätzt in alkalischen Lösungen wie Kaliumhydroxid (KOH) oder TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) nicht in allen Richtungen gleich schnell – man spricht von anisotropem Ätzen. Ursache ist die Kristallstruktur: Silicium kristallisiert im Diamantgitter, und die {111}-Kristallebenen sind deutlich dichter mit Atomen besetzt als die {100}- oder {110}-Ebenen. Weil dichter gepackte Ebenen weniger frei zugängliche Bindungen für die Ätzlösung bieten, werden sie erheblich langsamer abgetragen – typische Ätzratenverhältnisse zwischen {100} und {111} liegen bei 100:1 oder mehr.

Die {111}-Ebenen bilden deshalb die Seitenwände der geätzten Struktur, unabhängig davon, wie lange geätzt wird: Ist die {111}-Ebene erst einmal freigelegt, kommt der Ätzangriff dort praktisch zum Stillstand, während {100}- oder {110}-Flächen weiter abgetragen werden.

Bei (100)-orientierten Wafern – dem in der Halbleiterfertigung häufigsten Schnitt – liegt die Waferoberfläche parallel zur {100}-Ebene. Die {111}-Ebenen schneiden diese Oberfläche unter einem festen, durch die Kristallgeometrie vorgegebenen Winkel von 54,74°. Öffnet man die Maskierschicht rechteckig und ätzt durch diese Öffnung, entsteht deshalb kein senkrechter Graben, sondern ein V-förmiger Graben mit schrägen, exakt 54,74° geneigten Seitenwänden.

Ist die Maskenöffnung breit genug und die Ätzzeit ausreichend lang, treffen sich die beiden {111}-Seitenwände nicht in einer Spitze, sondern das Ätzen erreicht zuerst eine flache {100}-Bodenfläche – es entsteht ein Trapez mit flachem Boden statt eines spitzen V-Grabens. Bei schmaler Öffnung oder kurzer Ätzzeit bleibt es bei der V-Form.

Ob sich ein spitzer V-Graben oder ein Graben mit flacher {100}-Bodenfläche bildet, ergibt sich aus der Geometrie der {111}-Seitenwände. Bei einem (100)-Wafer stehen die {111}-Ebenen unter 54,74° zur Oberfläche. Für eine Maskenöffnung der Breite W würden sich die beiden {111}-Flächen in der Tiefe

$$ d = \frac{W}{2} \cdot \tan(54{,}74^\circ) = \frac{W}{\sqrt{2}} \approx 0{,}707 \cdot W $$

treffen. Wird weniger tief als d geätzt, bleibt zwischen den Seitenwänden noch eine flache {100}-Bodenfläche erhalten, sodass ein trapezförmiger Graben entsteht. Erst bei einer Ätztiefe von d schneiden sich die beiden {111}-Flächen und bilden den charakteristischen V-Graben mit Spitze. Breitere Maskenöffnungen benötigen daher größere Ätztiefen beziehungsweise längere Ätzzeiten, bis die V-Form erreicht wird.

Bei einer Maskenöffnung von 100 µm ergibt sich somit ein V-Graben mit ca. 71 µm Tiefe wenn ausreichend lange geätzt wird.