DRIE-Ätzen für Mikrostrukturen aus Glas und Silizium

Das Deep Reactive Ion Etching (DRIE) wird zur Herstellung tiefer, schmaler und nahezu senkrechter Mikrostrukturen in Glas, Quarzglas, Silizium und verwandten Substraten eingesetzt. Es eignet sich für Durchkontaktierungen in Glas, Durchkontaktierungen in Silizium, MEMS-Strukturen, mikrofluidische Kanäle, photonische Komponenten und Düsenanordnungen mit hoher Dichte.

Zu den verfügbaren Verfahren gehören ICP-RIE für Glas und SiO₂, Bosch-DRIE für Silizium sowie kryogenes DRIE für Silizium- oder Polymersubstrate. Die minimale Strukturgröße kann 1 μm erreichen, bei einer Ätztiefe von bis zu 500 μm für die Bosch-DRIE-Verarbeitung von Silizium und bis zu 200 μm für ICP-RIE auf Glas. Das Seitenverhältnis kann bei Silizium bis zu 50:1 und bei Glas bis zu 30:1 betragen.

Wir können kundenspezifische DRIE-Substrate auf Basis von GDS-II- oder DXF-Maskenentwürfen bearbeiten und unterstützen dabei sowohl die Bearbeitung auf Wafer- als auch auf Panel-Ebene. Zu den verfügbaren Unterlagen können Ätztiefenkarten, REM-Bilder, Profilometriedaten und Prozessprotokolle gehören.

Was ist tiefes reaktives Ionenätzen (DRIE)?

Das Deep Reactive Ion Etching (DRIE) ist ein fortschrittliches, plasma-basiertes Trockenätzverfahren, bei dem abwechselnde Zyklen aus Ätzen und Passivieren – bekannt als Bosch-Verfahren – oder kryogene Kühlung zum Einsatz kommen, um einen stark anisotropen Materialabtrag mit nahezu senkrechten Seitenwänden und extrem hohen Tiefen-Durchmesser-Verhältnissen zu erzielen. Beim Bosch-Verfahren entfernt ein Plasmaätzzyklus mit Schwefelhexafluorid (SF₆) Material isotrop, unmittelbar gefolgt von einem C₄F₈-Passivierungszyklus, bei dem eine schützende Polymerschicht auf allen Oberflächen abgeschieden wird. Da der Ionenbeschuss durch das Plasma die Passivierungsschicht vorrangig von horizontalen Oberflächen (der Ätzfront) entfernt, während der Schutz der Seitenwände intakt bleibt, ergibt sich im Ergebnis ein gerichtetes Ätzen, das sich vertikal mit minimalem seitlichem Unterhaken vorwärtsbewegt. Dieser Zyklus wiederholt sich hunderte Male pro Mikrometer Tiefe und erzeugt die charakteristische, gewellte Seitenwandtextur des DRIE-Verfahrens nach dem Bosch-Verfahren. Für Glas und Quarzglas wird typischerweise ein fluorbasiertes ICP-RIE ohne den Bosch-Zyklus verwendet, wodurch glattere Seitenwände auf Kosten eines etwas geringeren Seitenverhältnisses erzielt werden. DRIE ist die Schlüsseltechnologie für MEMS-Beschleunigungsmesser, Drucksensoren, mikrofluidische Bauelemente, Through-Silicon-Vias (TSV), Through-Glass-Vias (TGV) sowie alle Anwendungen, die tiefe, schmale, vertikale Strukturen in Halbleiter- oder optischen Substraten erfordern.

Prozessfähigkeiten

Etch Systems: ICP-RIE (Glas / SiO₂) · Bosch-DRIE (Silizium) · Kryogenes DRIE (Si / Polymer)
Kleinste Strukturgröße: 1 µm (durch die Lithografie begrenzt)
Maximale Ätztiefe: 500 µm (Silizium, Bosch) · 200 µm (Glas, ICP-RIE)
Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser: Bis zu 50:1 (Bosch Si) · Bis zu 30:1 (Glas-ICP-RIE)
Seitenwandwinkel: 88° – 90° (Bosch) · 85° – 88° (Glas ICP-RIE)
Ätzrate: 2 – 10 µm/min (Glas-ICP-RIE) · 5 – 20 µm/min (Si Bosch)
Tiefengleichmäßigkeit: ±2% auf einem 150-mm-Wafer

Kompatible Materialien

1	Quarzglas	Corning 7980 / Tosoh ES-2000
2	Quarzglas	SCHOTT Lithosil Q / Heraeus Suprasil 1
3	Borosilikatglas	PYREX 7740 / BOROFLOAT 33
4	Silizium	Float-Zone / Czochralski — Mono / Poly
5	Saphir	C-Ebene / A-Ebene
6	Glaskeramik	ZERODUR / PYROCERAM 9606
7	SiO₂-Dünnschicht	Thermisches Oxid / PECVD-Oxid
8	Si₃N₄	LPCVD-/PECVD-Nitrid
9	CaF₂	UV-beständig
10	Optisches Glas	BK7 / N-BK7
11	Technische Keramik	Al₂O₃ / AlN

Auswahl der Prozessstrategie

Bosch-Prozess (Si): Abwechselnde SF₆-Ätz- und C₄F₈-Passivierungszyklen – höchstes AR (50:1), leichte Riffelung (50–200 nm), am besten geeignet für tiefe Silizium-MEMS und TSV
Glas-ICP-RIE (SF₆/Ar oder C₄F₈/SF₆): Kontinuierliches Fluorplasma – glatte Seitenwände, AR-Verhältnis bis zu 30:1, ideal für TGV aus Quarzglas und mikrofluidische Strukturen
Kryogenes DRIE (Si, –100 °C): Die Niedertemperaturkondensation ersetzt die C₄F₈-Passivierung – glattere Seitenwände als bei Bosch, besser geeignet für Strukturen im Submikrometerbereich
Auswahl der harten Maske: Fotolack (Tiefe ≤ 20 µm) · SiO₂ (≤ 100 µm) · Ni/Cr-Metallschicht (≤ 500 µm)
ARDE-Entschädigung: Anwendung einer vom Seitenverhältnis abhängigen Ätzkorrektur zur Erzielung einer einheitlichen Ätztiefe bei gemischten Strukturgrößen

Typische Anwendungsbereiche

Durchkontaktierungen (TGV): Vertikale Durchkontaktierungen in Glas-Interposern für 3D-ICs und fortschrittliche Verpackungstechniken
MEMS-Strukturen: Prüfgewichte, Kammantriebe, Ausleger und Membranauslösung aus Silizium und Glas
Mikrofluidik-Bauteile: Kanäle und Kammern mit senkrechten Wänden aus Quarzglas für Hochdruck-Lab-on-Chip-Anwendungen
Photonische Komponenten: Rippenwellenleiter, photonische Kristallstrukturen und Gitterkoppler
Düsenplatten: Tintenstrahl- und Dosierdüsenarrays mit hoher Dichte und präziser Bohrungsgeometrie
Trägheitssensoren: Prüfmasse-Strukturen für Beschleunigungsmesser und Gyroskope in Silizium-auf-Glas-Technologie

Kundenspezifische Spezifikationen

Wir nehmen kundenspezifische DRIE-Aufträge auf Basis von GDS-II- oder DXF-Maskenentwürfen entgegen und unterstützen dabei sowohl die Bearbeitung auf Wafer- als auch auf Panel-Ebene. Zu den kundenspezifischen Parametern zählen Ätztiefe, Seitenwandwinkel, Scallop-Amplitude, Auswahl der Hartmaske sowie die ARDE-Kompensation (Aspect-Ratio-Dependent Etching) für eine gleichmäßige Ätztiefe bei gemischten Strukturgrößen. Integrierte Arbeitsabläufe, die Photolithografie, DRIE, Maskenentfernung und Messtechnik nach dem Ätzen kombinieren – einschließlich SEM-Querschnittsinspektion, Profilometrie und Wafer-Wölbungsmessung – sind als kompletter schlüsselfertiger Service verfügbar. Für TGV- und TSV-Anwendungen stehen zudem nachgelagerte Via-Füllungen (chemisch abgeschiedenes Cu / Polymer-Plug) und CMP-Planarisierung zur Verfügung. Alle bearbeiteten Substrate werden mit vollständigen Ätztiefenkarten, REM-Bildern und Prozessdokumentation geliefert.