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DD300622A7 - Etching agent for anisotropic wet chemical etching of silicon - Google Patents

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DD300622A7
DD300622A7 DD34206390A DD34206390A DD300622A7 DD 300622 A7 DD300622 A7 DD 300622A7 DD 34206390 A DD34206390 A DD 34206390A DD 34206390 A DD34206390 A DD 34206390A DD 300622 A7 DD300622 A7 DD 300622A7
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DD
German Democratic Republic
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silicon
etching
potassium
chemical etching
anisotropic wet
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DD34206390A
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Adw Inst Physikalisch Tech
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein AEtzmittel zum naszchemischen AEtzen von Silizium. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein AEtzmittel zum anisotropen naszchemischen AEtzen von Silizium unter Einsatz einer alkalischen Loesung anzugeben, wobei der AEtzmittelangriff ratenkonstant und ueber die Flaeche gleichmaeszig erfolgen soll und ein vorheriger erfolgter Baddurchsatz zu keinen Verschlechterungen der AEtzratenreproduzierbarkeit fuehren soll. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe dadurch geloest, dasz das alkoholfreie waeszrige AEtzmittel zum anisotropen naszchemischen AEtzen von Silizium, aus einer Alkalihydroxidloesung, der ein Oxidationsmittel, dessen Normalredoxpotential 1 V ist, zugesetzt ist, besteht, wobei es einzig 5 bis 50 * Kalium- bzw. Natriumhydroxid und 0,1 bis 20 * Ammonium- bzw. Kaliumperoxodisulfat enthaelt.{AEtzmittel; Strukturierung; Alkalihydroxid; Silizium; Redoxpotential; Ammoniumperoxodisulfat; Kaliumperoxodisulfat}The invention relates to an AEtzmittel for naszchemischen Ettzen of silicon. The invention has for its object to provide an AEtzmittel for anisotropic naszchemischenAtzen of silicon using an alkaline solution, wherein the AEtzmittelangriff rate constant and over the area should be made evenly and a previous successful bath throughput should not lead to any deterioration of AEtzratenreproduzierbarkeit. According to the invention, the object is achieved by adding the alcohol-free aqueous agent for the anisotropic nascent chemical etching of silicon, from an alkali hydroxide solution containing an oxidizing agent whose normal redox potential is 1 V, with only 5 to 50% potassium or sodium hydroxide and 0.1 to 20 * ammonium or potassium peroxodisulfate. Structuring; alkali hydroxide; Silicon; redox potential; ammonium; potassium}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Ätzmittel zum anisotropen naßchemischen Ätzen von Silizium, insbesor .lere von Siliziumwafern als Strukturierungsteilprozeß bei der Herstellung von Röntgenschablonen, mikromechanischon Bauelementen und Sensoren, deren Funktion an ein tiefengeätztes Siliziumchip gebunden ist.The invention relates to an etchant for anisotropic wet-chemical etching of silicon, in particular .lere of silicon wafers as Strukturierungsteilprozeß in the production of X-ray templates, micromechanical components and sensors whose function is bonded to a deep-etched silicon chip.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Das Einbringen von Strukturen oder Fenstern in Siliziumwafer erfolgt bekanntermaßen mittels fotolithografischer Strukturierungsverfahren unter Ausnutzung anisotrop wirkender Ätzmittel. Aufgrund notwendiger Ätztiefen bis hin zur gesamten Waferdicke werden je nach dem eingesetzten Ätzmittel zusätzliche Ätzmasken, beispielsweise bestehend aus SiO7- oder Si3N4-ScPiCh<en benötigt, die durch eine übliche Fotoätztechnik s'orstrukturiort werden. Das Ätzen des Si-Wafers erfolgt in den freiliegenden Wafergebieten durch den bTisatz von Siliziumätzmitteln. Als anisotrop, selektiv wirkende Siliziumätzmittel für Silizium mit niedrigem Dotierungsgehalt werden Ethylendiamin-Brenzkatechin-Lösungen oft noch mit organischen Zusätzen, wie ζ. B. Pyrazin (in katalytischen Mengen) (vgl. z.B. J. Electrochem. Soc. 126 [1979], 1406--1415), Hydrazin-Lösungen (J. Electrochem. Soc. 122 [1975), 545-552) und Alkalihydroxid-Lösungen (Solid State Technol. 19 (19761,55-58 und Microelectronic Engineering 3 (1985), 221-234) genannt. Ethylendiamin- und Hydrazin-Lösungen neigen beim Siliziumätzen zur Ausbildung von pyramidalen Siliziumrückständen am Ätzgrund, deren Beseitigung bedeutunde, die Strukturmaßhaltigkeit verschlechternde Ätzzeitverlängerungen erfordern. Durch ihre Verwendung bei erhöhter Temperatur ist außerdem ihr Einsatz stark gesundheitsgefährdend. Diese Nachteile, insbesondere das Auftreten von Pyramiden am Ätzgrund werden entsprechend DF-AS 2.245.809 durch eine Alkalihydroxid-Alkoholmischung mit einem Oxidationsmittelzusatz bestehend aus Wasserstoffperoxid oder Natrium- bzw. Kaliumchromat beseitigt. Es zeigte sich jedoch, daß diese und auch reine Alkalihydroxidlösungen beim Siliziumätzen zunehmend mit dem Baddurchsatz schlecht reproduzierbare Ätzraten aufweisen, die bis zum völligen Ätzstillstand lokaler Bereiche oder der ganzen Siliziumätzfläche führen können. Dieser ausschußverursachende Ätzzustand ist an einem mattglänzenden Ätzgrund erkennbar. Eine Ätzratenerhöhung setzt nicht wieder ein, so daß die Ätzcharge verworfen werden muß. Diese Ätzratenschwankungen werden durch Zusätze entsprechend DE-AS 2.245.809, offensichtlich durch Badzersetzung ficht verhindert. Ferner bestehen gemäß dieser Lösung, wie in der Patentschrift selber ausgeführt erhebliche Probleme bei der exakten Festlegung der Verhältnisse der einzelnen Badkomponenten zueinander in Abhängigkeit von der speziellen Ätzaufgabe, wobei zusätzlich die Wahl eines entsprechenden Alkohols (entsprechend der Ausführungen in Spalte 3, letzter Absatz besagter Patentschrift) von Bedeutung ist, um die, mit d' Schrift angestrebten Vorteile auch tatsächlich zu erreichen. ,The introduction of structures or windows in silicon wafers is known to take place by means of photolithographic patterning processes utilizing anisotropically acting etchant. Due to necessary etching depths up to the whole wafer thickness, additional etching masks, for example consisting of SiO 7 are depending on the etchant used - or Si 3 N 4 -ScPiCh <s required, which are s'orstrukturiort by a conventional photoetching technique. The etching of the Si wafer takes place in the exposed wafer areas by the use of silicon etchants. As anisotropic, selective silicon etchant for low dopant silicon, ethylenediamine pyrocatechol solutions often still contain organic additives such as ζ. Pyrazine (in catalytic amounts) (see, for example, J. Electrochem, Soc., 126 [1979], 1406-1415), hydrazine solutions (J. Electrochem, Soc., 122: 545-552, 1975), and alkali hydroxide Solutions (Solid State Technol., 19 (19761, 55-58 and Microelectronic Engineering, 3: 221-234, 1985).) Ethylenediamine and hydrazine solutions tend to form pyramidal silicon residues on the etch base during silicon etching, the removal of which is important Moreover, their use at elevated temperature makes their use highly hazardous to health.These disadvantages, in particular the occurrence of pyramids on the etching base, are in accordance with DF-AS 2,245,809 by an alkali metal hydroxide-alcohol mixture with an oxidizing agent additive consisting of hydrogen peroxide or sodium hydroxide. However, it has been shown that these and also pure alkali metal hydroxide solutions in silicon etching increasingly with the Baddu Have poorly reproducible etching rates, which can lead to the complete Ätzstillstand local areas or the entire Siliziumätzfläche. This committee-causing etching state can be recognized on a matt-glossy etching base. An etch rate increase does not recur, so the etch charge must be discarded. These etch rate fluctuations are prevented by additions in accordance with DE-AS 2,245,809, obviously due to bath decomposition. Furthermore, according to this solution, as stated in the patent itself considerable problems in the exact determination of the ratios of the individual bath components to each other depending on the specific Ätzaufgabe, in addition, the choice of a corresponding alcohol (according to the comments in column 3, last paragraph of said patent ) is of importance in order to actually achieve the benefits sought by d 'writing. .

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es ist das Ziel der Erfindung, ein Ätzmittel zum anisotropen naßchemischen Ätzen unter Einsatz einer alkalischen Lösung zu finden, bei dem aufgrund einer konstanten Ätzrate ein Ausschuß verursachender Ätzzustand bzw. Ätzstillstand vermieden wird.It is the object of the invention to find an etchant for anisotropic wet-chemical etching using an alkaline solution in which, due to a constant etching rate, a rejection-causing etching state or etching standstill is avoided.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Die Erfindung geht von dem Grundsatz aus, daß auch bei der Vielzahl bekannter Verfahren und Ätzmittel, einfachere Lösungen stets anzustreben sind.The invention is based on the principle that even with the multitude of known methods and etchants, simpler solutions are always desirable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ätzmittel zum anisotropen naßchemischen Ätzen von Silizium unter Einsatz einer alkalischen Lösung anzugeben, wobei der Ätzmittelangriff ratenkonstant und über die Fläche gleichmäßig erfolgen soll und ein vorheriger erfolgter Baddurchsatz zu keinen Verschlechterungen der Ätzratenreproduzierbarkeit führen soll.The invention has for its object to provide an etchant for anisotropic wet chemical etching of silicon using an alkaline solution, wherein the etchant attack rate constant and should be uniform over the area and a previous successful bath throughput should not lead to deterioration of Ätzratenreproduzierbarkeit.

Es wurde gefunden, daß der Verzicht der Zugabe von Alkoholen zu wäßrigen alkalischen Lösungen im Sinne der Lösung der Aufgabe der Erfindung, diese Aufgabe zu lösen gestattet.It has been found that the omission of the addition of alcohols to aqueous alkaline solutions in the sense of achieving the object of the invention, to achieve this object.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das alkoholfreie wäßrige Ätzmittel zum anisotiopen naßchemischenAccording to the invention the object is achieved in that the alcohol-free aqueous etchant for anisotopic wet chemical

Ätzen von Silizium, aus einer Alkalihydroxidlösung, der ein Oxidationsmit'.el, dessen Normalredoxpotential > 1,4 V ist, zugesetzt ist, besteht, wobei es einzig 5 bis 50Ma.-% Kalium- bzw. Natriumhydroxid und 0,1 bis 20Ma.-% Ammonium- bzw.Etching of silicon, from an alkali metal hydroxide solution to which an oxidation agent whose normal redox potential is> 1.4 V is added, consisting of only 5 to 50 mass% of potassium hydroxide and 0.1 to 20 mass%. -% ammonium or

Kaliumperoxidsulfat enthält. Die Zugabe der einzelnen Ätzbadbestandteile erfolgt dabei erfindungsgemäß derart, daß bei Einsatz von Natriumhydroxid Ammoniumperoxodisulfat in beliebigen Mengen, Kaliumperoxodisulfat bis zur Löslichkeitsgrenze, bei Einsatz von Kaliumhvdroxid die Zusätze der genannten Oxidationsmittel bis zum Erreichen des Löslichkeitsproduktes der Einzelbadbestandteile folgt.Contains potassium peroxide sulfate. The addition of the individual Ätzbadbestandteile carried out according to the invention such that when using sodium hydroxide ammonium peroxodisulfate in any quantities, potassium peroxodisulfate to the Löslichkeitsgrenze, when using Kaliumhvdroxid the addition of said oxidizing agent until reaching the solubility of the Einzelbadbestandteile follows.

In der erfindungsgemäßen Ätzbadzusammensetzung wird Silizium überraschenderweise mit einer konstanten Ätzrate geätzt. Bei stets glattem Ätzgrund tritt unabhängig vom vorher erfolgten Baddurchsatz kein Ätzstillstand auf. Die reproduzierbaren Ätzraten betragen abhängig von der Badkonzentration und der Badtemperatur bis zu 3pm/min. Für das Durchätzen von 500 pm 'licken Si-Wafern ist eine hohe Ätzrate für den Technologieablauf wünschenswert, jedoch führen zu hohe Ätzraten zu einer sehr raschen Vergrößerung von Defekten, so daß eine Ätzrate von 1,8 bis 2pm/min für den genannten Zweck am günstigsten istIn the etching bath composition according to the invention, silicon is surprisingly etched at a constant etch rate. In the case of a constantly smooth etching base, no etching arrest occurs regardless of the previous bath throughput. The reproducible etching rates are up to 3 pm / min depending on the bath concentration and the bath temperature. For etching through 500 μm thick Si wafers, a high etch rate is desirable for the technology process, but too high etching rates lead to a very rapid increase in defects, so that an etching rate of 1.8 to 2 μm / min for the stated purpose cheapest

Sollen geringere Ätztiefen und gleichzeitig feinere Strukturen erzeugt werden, so ist eine geringere Ätzrate, z. B. von 0,8 bis 1 μηι vorzusehen, die einfach durch eine entsprechend niedrigere Badtemperatur und/oder entsprechende Verminderung der Hydroxidkonzentration erreichbar ist. If lower etching depths and, at the same time, finer structures are to be produced, then a lower etch rate, for example, is required. B. from 0.8 to 1 μηι provide that can be easily achieved by a correspondingly lower bath temperature and / or corresponding reduction of the hydroxide concentration.

Es ist somit ein Ätzmittel gefunden, welches Silizium mit einer reproduzierbaren Ätzrate ätzt, so daß Strukturierungsprozessezur Herstellung von Röntgenschablonen, mikromechanischen Bauelementen und Sensoren, deren Funktion an ein tiefengeätztes Si-Chip gebunden ist, maßhaltig mit hoher Ausbeute durchführbar sind.Thus, there is found an etchant which etches silicon at a reproducible etch rate, so that patterning processes for fabricating X-ray templates, micromechanical devices, and sensors whose function is attached to a deep-etched Si chip are dimensionally feasible with high yield.

Ausführungsbeispielembodiment

Zur näheren Charakterisierung des erfindungsgemäßen Ätzmittels soll folgendes Ausführungsbeispiel dienenFor a more detailed characterization of the etchant according to the invention, the following exemplary embodiment is intended to serve

Das zur Tiefenätzung vorgesehene Siliziumsubstrat ist mit einer Siliziumnitridmaske versehen, die nach üblichen fotolithografischen Verfahren hergestellt wurde. Die Tiefenätzung des Siliziumsubstrates erfolfit anschließend durch Eintauchen in das erfindungsgemäße Ätzmittel. Die angegebenen Badbestandteile werden in der entsprechenden Menge Wasser gelöst, um 11 Ätzbad zu bilden. Ein Bad gemäß der Erfindung besteht dabei aus The deep etching silicon substrate is provided with a silicon nitride mask prepared by conventional photolithographic techniques. The deep etching of the silicon substrate is then successful by immersion in the etchant according to the invention. The specified bath components are dissolved in the appropriate amount of water to form 11 etching bath. A bath according to the invention consists of

280 g/l KOH 10g/l (NH4I2S2Oe (bzw. 12g Kaliumperoxodisulfat).280 g / l KOH 10 g / l (NH 4 I 2 S 2 Oe (or 12 g potassium peroxodisulfate).

Die zeit- und flächenmäßige Tiefenätzung eines 525 μπι dicken, schwach dotierten Siliziumsubstrates ist bei einer Badtemperatur von 800C nach 300 min abgeschlossen. Das entspricht einer Ätzrate von 1,8pm/min. Die Gleichmäßigkeit desÄtzverlaufes über der Substratfläche erfordert keine Ätzzeitverlängerungen, so daß die Unterätzung der Siliziumnitridmaske unter 5μηι bleibt. Die (111 (-Flächen der Grubenwände des (lOO)-Siliziumsubstrates sind mikroskopisch glattThe time and area deep etching of a 525 μπι thick, lightly doped silicon substrate is completed at a bath temperature of 80 0 C after 300 min. This corresponds to an etching rate of 1.8pm / min. The uniformity of the etch progress over the substrate surface does not require any etch time extensions, so that the undercutting of the silicon nitride mask remains below 5 μm. The (111 (faces of the pit walls of the (100) silicon substrate are microscopically smooth

Eine weitere dem erfindungsgemäßen Ätzmittel entsprechende vorteilhafte Bsdzusammensetzung besteht aus A further advantageous composition according to the invention is composed of

70g/l KOH 7g/l (NH4I2S2O8 (bzw. 8,5g Kaliumperoxodisulfat).70 g / l KOH 7 g / l (NH 4 I 2 S 2 O 8 (or 8.5 g potassium peroxodisulfate).

Die Ätzrate von schwach dotierten Silizium beträgt in diesem Bad 1,2 Mm/rnin bei 800C. Das Ätzergebnis weist, die gleichenThe etching rate of lightly doped silicon is in this bath, 1.2 mm / RNIN has at 80 0 C. The result of the etching, the same Vorteile wie im ersten Fall auf.Advantages as in the first case. Eine andere vorteilhafte Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Ätzbades besteht ausAnother advantageous composition of the etching bath according to the invention consists of

200 g/l NaOH 20g/l (NH4I2S2O8 200 g / l NaOH 20 g / l (NH 4 I 2 S 2 O 8

Die Ätzrate von schwach dotiertem Si (100) beträgt bei 80"C 1,9pm/min.The etch rate of lightly doped Si (100) at 80 "C is 1.9 mpm.

Claims (2)

1, Alkoholfreies wäßriges Ätzmittel zum anisotropen naßchemischen Ätzen von Silizium, das aus einer Alkalihydroxidlösung, derein Oxidationsmittel zugesetzt ist, besteht, gekennzeichnet dadurch, daß es einzig 5 bis 50Ma.-% Kalium- bzw. Natriumhydroxid und ein Oxidationsmittel, dessen Normalredoxpotential > 1,4V ist, enthält.1, alcohol-free aqueous etchant for the anisotropic wet-chemical etching of silicon, consisting of an alkali hydroxide solution to which an oxidizing agent is added, characterized in that it contains only 5 to 50% by mass of potassium hydroxide or sodium hydroxide and an oxidizing agent whose normal redox potential is> 1, 4V is included. 2. Alkoholfreies wäßriges Ätzmittel zum anisotropen naßchemischen Ätzen von Silizium, das aus einer Alkalihydroxidlösung, der ein Oxidationsmittel zugesetzt ist, besteht, gekennzeichnet dadurch, daß es einzig 5 bis 50Ma.-% Kalium- bzw. Natriumhydroxid und 0,1 bis 20Ma.-% Ammonium- bzw. Kaliumperoxodisulfat enthält.2. Anhydrous aqueous etchant for the anisotropic wet chemical etching of silicon, which consists of an alkali metal hydroxide solution to which an oxidizing agent is added, characterized in that it contains only 5 to 50% by mass of potassium or sodium hydroxide and 0.1 to 20 mA. % Ammonium or potassium peroxodisulfate.
DD34206390A 1990-06-26 1990-06-26 Etching agent for anisotropic wet chemical etching of silicon DD300622A7 (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2012028727A2 (en) 2010-09-03 2012-03-08 Schott Solar Ag Method for the wet-chemical etching back of a solar cell emitter

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ASS Change of applicant or owner

Owner name: INSTITUT FUER PHYSIKALISCHE HOCHTECHNOLOGIE E.V.

Effective date: 19940322

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