Polierätzen von Silicium
Beim Polierätzen von Silicium wird mit einem nasschemischen Ätzprozess die raue Oberfläche einer Probe eingeebnet. Einsatzzwecke für das Polierätzen sind u. a.:
- Vorbereitung von Probenoberflächen für röntgenkristallographische Untersuchungen
- Verrunden von Kanten und Ecken, um die Konformität bei nachfolgenden Beschichtungsprozessen zu optimieren
- Glätten von Werkstückflächen z. B. für das Mikroprägen oder die galvanische Abformung
Für das Polierätzen von Silicium werden die folgenden Einrichtungen und Verbrauchsmaterialien benötigt:
Ausstattung- Nassbank mit Entsorgungsanlage und Absaugung
- Schutzausrüstung für 2 Personen
- Heizplatte zum Erwärmen der angemischten Lösungen
- Prozessbeständiges Werkzeug zum Handhaben der Proben
- Messmikroskop mit Differentialinterferenzkontrast-Modus (DIK) zur Begutachtung der poliergeätzten Oberfläche
- Profilometer für Rauheitsmessungen
- Flusssäure, Salpetersäure und Essigsäure für das chemische Polieren
- Flusssäure zum Entfernen des natürlichen Oxids
- Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid für die Piranha-Lösung
Das Polierätzen schließt an die Formbearbeitung des Siliciumwerkstücks an, welche durch nasschemische oder trockenchemische Ätzprozesse, aber auch durch Fräsen oder Laserablation erfolgen kann. Aufgrund der verwendeten Ätzmischungen ist das Verfahren nicht kompatibel mit bereits vorhandenen Beschichtungen (Metalle, funktionale Oxide) und muss vor deren Aufbringen durchgeführt werden. Abbildung 1 zeigt eine Mikroskopaufnahme und Abbildung 2 eine Profilometermessung des Ausgangszustands einer rauen Siliciumoberfläche, wie sie z. B. auf der Rückseite von einseitig polierten Wafern zu finden ist.
 Abbildung 1: Mikroskopaufnahme der |
 Abbildung 2: Ausschnitt einer Profilmessung der rauen |
Das Polierätzen wird mit einer Mischung aus Flusssäure, Salpetersäure und Essigsäure durchgeführt. Dabei übernehmen die Komponenten verschiedene Funktionen, die ineinander greifen: die Salpetersäure oxidiert das offen liegende Silicium zu Siliciumoxid, welches die Flusssäure dann in Siliciumtetrafluorid wandelt und somit von der Oberfläche löst. Die Essigsäure verbessert die Benetzungseigenschaften und ermöglicht so auch das Polierätzen von Mikrostrukturen.
Wichtig für das erfolgreiche Polierätzen ist die richtige Vorbehandlung der Probenoberfläche. Durch die Vorprozesse können sich auf den zu glättenden Oberflächen Rückstände bilden, die das Polierätzen negativ beeinflussen. Organische Rückstände wie z. B. von Fotolacken oder Klebefilmen beeinflussen lokal die Ätzrate, und die erreichbare Oberflächenqualität verschlechtert sich dadurch. Die in Abbildung 3 sichtbaren Partikelrückstände sind auch deutlich in der korrespondierenden Profilometermessung in Abbildung 4 zu erkennen. Eine so erzeugte Oberfläche erfüllt nicht die Anforderungen, die die oben genannten Applikationen fordern.
 Abbildung 3: Mikroskopaufnahme der ohne Vorbehandlung |
 Abbildung 4: Ausschnitt einer Profilmessung von der ohne |
Daher entfernt man diese organischen Rückstände zunächst mit der sogenannten Piranha-Lösung bzw. Caroschen Säure. Da die Piranha-Lösung eine stark oxidierende Wirkung hat, bildet sich auch auf der zu glättenden Siliciumoberfläche ein dünner Oxidfilm, der den Ätzangriff beim Polierätzen verzögert. Deswegen wird das Siliciumwerkstück vor dem Polierätzen noch kurz in eine niedrig konzentrierte Flusssäure-Lösung gegeben, um die Oxidschicht zu entfernen. Beim Polierätzen selbst kommt es aufgrund der stark exothermen Reaktion darauf an, das Badvolumen und die Umwälzung abzustimmen, um einen gleichmäßigen Ätzfortschritt zu erzielen. Im Ergebnis erzeugt diese Prozesskette eine nahezu rückstandsfreie Oberfläche, wie sie in Abbildung 5 zu sehen ist. Auch die Profilometermessung in Abbildung 6 zeigt, dass die sich die Oberflächenrauheit nochmals verbessert.
 Abbildung 5: Mikroskopaufnahme der mit Vorbehandlung poliergeätzten |
 Abbildung 6: Ausschnitt einer Profilmessung von der mit |
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