Ätzen von Silicium in flusssäurehaltigen Halogen-Halogenwasserstoffsäure-Halogensauerstoffsäure-Mischungen (HF-HX-HOnX-X2 mit X = Cl, Br)

• Antragsteller: Professor Dr. Edwin Kroke
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461795804

Das nasschemische Ätzen von Silicium spielt eine wichtige Rolle bei der gezielten Strukturierung von Waferoberflächen in der Halbleiter-, Mikrosystemtechnik- und Photovoltaikindustrie. Je nach zu erzielender Morphologie werden entweder alkalische Ätzlösungen oder saure, Flusssäure-haltige Lösungen verwendet. Alkalische Medien, meist basierend auf KOH, besitzen eine anisotrope, Kristallgitter-abhängige Ätzcharakteristik, welche z.B. eine pyramidale Struktur auf monokristallinen Siliciumwafern für die Photovoltaik hervorruft. Saure HF-HNO3-Mischungen bieten sich dagegen beispielsweise für den Abtrag von Sägeschäden bei der Herstellung von polierten Wafern für die Halbleiterindustrie an. Für beide Systeme gilt, dass die Mechanismen der Siliciumauflösung und die Gründe der Bildung verschiedener Oberflächenstrukturen noch nicht vollständig verstanden sind. In unserer Arbeitsgruppe wurde in umfangreichen Vorarbeiten das Ätzverhalten von Silicium in neuartigen chlorhaltigen wässrigen Flusssäure-Lösungen untersucht und Reaktionsabläufe vorgeschlagen. Erstmals wurde ein saures Ätzmedium mit einer anisotropen Ätzcharakteristik gefunden. Auch für dieses System ist der Ätzmechanismus noch nicht vollständig aufgeklärt. Beispielsweise sind der Einfluss von möglicherweise intermediär auftretenden Chlorsauerstoffspezies und der Einfluss des Halogens auf die Auflösung des Siliciums nicht verstanden. In diesem Projekt soll das Ätzverhalten von Silicium in wässrigen Mischungen aus HF, HCl, HOnCl und Cl2 bzw. Mischungen aus HF, HBr, HOnBr und Br2 hinsichtlich Ätzgeschwindigkeiten und entstehender Morphologie untersucht werden. Um möglichst viele Parameter untersuchen zu können und dennoch die Anzahl an Versuchen im Rahmen zu halten, wird auf die statistische Versuchsplanung (DOE, design of experiments) zurückgegriffen. Auch wird eine Vorauswahl an Säuren bzw. deren Salze hinsichtlich ihrer Stabilität getroffen. Parallel dazu werden die Lösungen, die Gasphase und die Siliciumoberflächen umfassend charakterisiert. Dazu stehen u.a. XPS und DR-FT-IR-Spektroskopie für die Oberflächenanalytik, FT-IR und Raman-Spektroskopie für die Analyse der Gasphase und die NMR-Spektroskopie für die Untersuchungen der Ätzgemische zur Verfügung. Möglicherweise intermediär auftretende Spezies sollen zudem mittels in-situ IR-Spektroskopie ermittelt werden. Ziel ist es, einen möglichst allgemeingültigen Mechanismusvorschlag für die Auflösung von Silicium in unterschiedlichen Varianten von Zusammensetzungen von HF-HX-HOnX-X2-Lösungen (mit X = Cl, Br) zu erarbeiten. Wir erhoffen uns Aussagen über isotrope und anisotrope Effekte, den Zusammenhang zwischen Auflöse-Mechanismus und Morphologie (Politur, Textur) und dem jeweilig verwendeten Halogen. Für ausgewählte Systeme soll die Eignung der Prozesse für die Solar-, Mikrosystemtechnik und/oder Halbleiterindustrie evaluiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen