Ätzen mit Plasma

Abbau von Oxidschichten, Entfernen von Fotolack, Veraschung von Matrizes, ...

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Plasmaätzen ist der Materialabtrag von Oberflächen durch Plasmaprozesse. Man bezeichnet es auch als Trockenätzen, da konventionelle Ätzprozesse nasschemisch mit aggressiven Säuren durchgeführt werden. Die Plasmen der Prozessgase wandeln das zu ätzende Material vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand um und die Vakuumpumpe saugt die gasförmigen Produkte ab. Mittels Maskierungen lassen sich auch nur Teilbereiche oder Strukturen ätzen. Plasmaätzen wird nur im Niederdruckplasma durchgeführt, da nennenswerte Ätzwirkungen eine längere Behandlungsdauer erfordern und fast alle Ätzgase nur im Niederdruckplasma eingesetzt werden können.

Für Plasmaätzen gibt es eine Vielzahl von Anwendungen. Zur anwendungsspezifischen Optimierung des Ätzvorganges steht eine Vielzahl möglicher Prozessgase und die Auswahl von 3 grundsätzlichen Ätzverfahren zur Verfügung.

Ionenätzen

Je nach Anwendungsfall auch als "physikalisches Ätzen", "Sputtern" oder "Mikrosandstrahlen" bezeichnet.

Prozessgase sind Argon oder andere Edelgase, die Ionen aber keine Radikale bilden. Die Ätzwirkung beruht auf dem Herausschlagen von Atomen oder Molekülen aus dem Substrat durch die kinetische Energie der im elektrischen Feld beschleunigten Elektronen.

Anwendungen: 

  • Mikrostrukturierung von Oberflächen z.B. zur Haftungsverbesserung ("Mikrosandstrahlen")
  • Beschuss einer Bedampfungsquelle ("Sputtern")

 

Da Ionenätzen nicht chemisch wirkt, funktioniert es nahezu auf jedem Substrat (kaum selektiv). Eine Ätzwirkung des Plasmas besteht fast ausschließlich in Beschleunigungsrichtung der Ionen. Die Wirkung ist stark anisotrop

Chemisches Plasmaätzen

Verwendet werden Prozessgase, deren Moleküle im Plasma überwiegend in Radikale aufgespalten sind. Die Ätzwirkung beruht hauptsächlich auf der Reaktion dieser Radikalen mit den Atomen oder Molekülen des Substrats und deren Umwandlung zu gasförmigen Abbauprodukten.

Wichtige Anwendungen: 

  • Abbau von Oxidschichten
  • Entfernen von Fotolack ("Strippen")
  • Veraschung von Matrizes zur Analyse
  • Ätzen von PTFE
  • Strukturierung und Mikrostrukturierung von Halbleitern

Plasmaätzen ist sehr selektiv, d.h. die Prozessgase und Substrate müssen sehr gut zusammenpassen. Die Ätzwirkung ist isotrop, wirkt also nach allen Seiten gleich.

Reaktives Ionenätzen

Molekulare Gase bilden im Plasma Radikale und positiv geladene Ionen. Man kann für den Ätzvorgang die reaktive Wirkung der Radikale nutzen und außerdem die kinetische Energie der Ionen, wenn die Plasmaanregung so erfolgt, dass die Ionen im elektrischen Feld beschleunigt und auf das Substrat geschossen werden.

Das reaktive Ionenätzen vereinigt Wirkungen des Ionenätzens und des Plasmaätzens: Es besteht eine gewisse Anisotropie und es werden auch Materialien geätzt, die mit den Radikalen nicht chemisch reagieren. Vor allem aber wird die Ätzrate erheblich erhöht. Durch Beschuss mit Ionen werden die Substratmoleküle in einen angeregten Zustand versetzt und dadurch viel reaktionsfreudiger.

Anwendung: 

  • Vor allem beim Ätzen von Halbleitern

PTFE Ätzen

Mit Diener electronic Plasmatechnik werden auch Kunststoffe verklebbar, die aufgrund ihrer geringen Oberflächenenergie als "nicht-klebbar" gelten. Bei Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder Polyoxymethylen (POM) geschieht dies durch Aktivierung im Sauerstoffplasma. Bei dem Kunststoff mit der geringsten Oberflächenenergie, PTFE, reicht ein Aktivierungsprozess nicht aus. Die Fluor-Kohlenstoff-Bindungen lassen sich im Sauerstoffplasma nicht aufbrechen.

Im Wasserstoffplasma jedoch verbinden sich Wasserstoffradikale mit den Fluoratomen des PTFE und brechen so die Kohlenstoffbindungen auf. Das Fluorwasserstoff Gas wird abgesaugt, es verbleiben ungesättigte Kohlenstoffverbindungen, an denen sich polare Flüssigkeitsmoleküle hervorragend anlagern können.

Die erfolgte Ätzung ist durch eine bräunliche Verfärbung auf der PTFE-Oberfläche erkennbar. 

Häufige Fragen

Ist das Ätzen von Metallen möglich?

Das Ätzen von Metallen ist prinzipiell möglich, allerdings nur mit hochkorrosiven Gasen, die aber wiederum das Metall korrodieren lassen können. Um den Ätzeffekt zu verstärken, können die Teile vorgeheizt werden - oder falls eine Kammerheizung in der Plasmaanlage installiert ist - kontinuierlich aufgeheizt werden.

Welche Kunststoffe können angeätzt werden?

Vor allem Kunststoffoberflächen werden mit diesen Prozessen angeätzt.

Die Ätzung ist bei schwer lackier- und verklebbaren Kunststoffen wie POM, PPS und PTFE sehr wichtig. Durch die vergrößerte Oberfläche wird eine bessere Klebehaftung erreicht.

Typische Ätzgase sind Sauerstoff, verschiedene Fluor-/Chlor-Gasverbindungen, aber auch Wasserstoff.

Lässt sich Glas und Keramik ätzen?

Das Plasmaätzen von Gläsern im Vakuum ist zeitaufwändig und teuer. Das Glas wird von den ionisierten Gasteilchen nur langsam abgebaut. Glas besteht zum größten Teil aus SiO2 und kann daher prinzipiell mit fluorierten Kohlenwasserstoffen (unter Zugabe von Sauerstoff) geätzt werden.

Die niedrige Abtragungsrate und die damit verbundene lange Prozesszeit sind für die hohen Kosten solcher Prozesse verantwortlich.

Keramiken (wie z. B.: Al2O3) lassen sich mit korrosiven und nicht korrosiven Gasen ätzen.

Zu den korrosiven Gasen zählen alle Chlor und fluorhaltigen Gase. Zu den nicht korrosiven Gasen gehört Argon.

Allgemein kann man sagen, dass fluorhaltige Gase eine höhere Abtragungsrate als andere nicht korrosive Gase haben, chlorhaltige Gase sind in ihrer Ätzwirkung besser als die nicht korrosiven Gase.

Al2O3 lässt sich mit fluorhaltigen Gasen am besten ätzen.

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