Plasmagestütztes Hochrateätzen von Silikatgläsern mit variablem Ätzprofil

Borsilikatgläser wie Pyrex, Duran und Borofloat lassen sich aufgrund ihres geringen Ausdehnungskoeffiziente gut mit Siliciumbauteilen kombinieren, was in der Mikrosystemtechnik angewendet wird. Sie werden aufgrund ihrer hohen Lichttransparenz und ihrer sehr guten elektrischen Isolatoreigenschaften vorteilhaft zur Verkappung von mikro- und nanoelektromechanischen Systemen (MEMS/NEMS) eingesetzt. Dafür und für Anwendungen in der Fluidik und in mikro-opto-elektromechanischen Systemen (MOEMS) ist allerdings oft eine Strukturierung bis in Tiefen von mehreren 10 micron bzw. mehreren 100 micron erforderlich. Bisher galten Plasmaverfahren wegen zu geringer Ätzgeschwindigkeiten und komplizierter Maskierungstechnologie mit dicken Metallhartmasken als nicht geeignet. Ziel war hier ein Anlagensystem, ein ICP-Cluster-Tool (induktiv gekoppeltes Plasma), mit zugehörigem Plasmaätzprozess zum Ätzen und Strukturieren von Siliziumoxid-Schichten und -Substraten (von technischen Gläsern), wobei Ätztiefen von über 100 micron bei hinreichender Ätzselektivität zum Maskenmaterial erreicht werden. Weitere Anforderungen betreffen die Anisotropie, die Ätzhomogenität (bevorzugt für 150-mm-Wafer) und die Rauigkeit der Seitenwände. Untersuchungen erfolgten an oxidierten Siliziumwafern und vor allem an Borsiliaktgläsern mit CF4, C4F8, SF6, N2, O2 und Ar als Prozessgasen. Bei (dünnen) thermischen Oxidschichten nahm die Ätzrate mit steigender Temperatur deutlich zu, die Anisotropie ab. Außerdem nahm die Ätzrate bei Anstieg des Arbeitsdrucks, des SF6-Anteils im Prozessgas und der ICP-Leistung zu. Durch entsprechende Plasmabedingungen lassen sich die Ätzraten mehr als verdreifachen. Bei technischen Gläsern erwies sich Aluminium als der geeignetste Maskenwerkstoff. Der Einfluss der Temperatur war noch größer. Plasmafokussierung (Plasma-Confinement) führte zu höherer Leistungsdichte und höherer Ätzrate. Die Anreicherung von nichtflüchtigen Reaktionsprodukten führte bei zunehmender Ätztiefe zu signifikant kleineren Ätzraten. Mit wiederholten energiereichen Reinigungsschritten konnte die Ätzrate aber stabilisiert werden. Auch bei Tiefen von mehr als 100 micron lagen die Ätzraten über 1 micron/min. Mit modifizierter Hardware können vermutlich mittlere Ätzraten von mehr als 4 micron/min erreicht werden. Erste Versuche ergaben außerdem, dass der Ätzprozess prinzipiell auch zum Strukturieren von Verbunden aus technischen Gläsern und anderen Wafern geeignet ist.