Richi´s Lab

Abtragen von Siliziumoxidschichten

Auf den meisten integrierten Schaltkreisen befindet sich eine Siliziumoxidschicht, die den Halbleiter vor Umwelteinflüssen schützt. Will man die aktiven Bereiche eines Schaltkreises freilegen, so muss man zuerst diese Siliziumoxidschicht abtragen. Siliziumoxid (Glas) lässt sich nur mit Fluorwasserstoff, Flusssäure, auflösen. Reine Flusssäure hat zusätzlich den Vorteil, dass es Silizium kaum angreift und so die aktiven Bereiche intakt bleiben.

Flusssäure ist leider aber auch äußerst gefährlich. Als starke Säure erzeugen Spritzer und Dämpfe schwere Verätzungen auf Haut, Augen und in den Atemwegen. Flusssäure ist allerdings sehr viel problematischer als andere starke Säuren. Einige Handschuhmaterialien durchdringt Flusssäure sehr schnell. Besonders gefährlich ist, dass Verätzungen bei niedrigeren Konzentrationen im ersten Moment kaum Schmerzen verursachen. Die Flusssäure dringt aber gleichzeitig schnell tief ins Gewebe ein. Neben der Gewebeschäden durch die ätzende Wirkung ist Flusssäure auch giftig. Sie stört nachhaltig den Enzymhaushalt und den Kaliumkreislauf des Körpers, so dass es nicht mit einer Neutralisation der ätzenden Wirkung getan ist und auch nach Tagen noch Komplikationen auftreten können. Handtellergroße Verätzungen sind bereits lebensgefährlich.

Leichter verfügbar und etwas ungefährlicher als reine Flusssäure sind Lösungen, die zum dekorativen Ätzen von Gläsern verwendet werden. Dabei handelt es sich um pastöse Stoffgemische, die Flusssäure freisetzen. Meist basieren sie auf Ammoniumhydrogendifluorid. Die freigesetzte Flusssäure ist weiterhin gefährlich, die Mengen sind aber geringer. Es existieren auch Ätzpasten für Edelstahl, die Flusssäure enthalten. Diese Pasten sind für integrierte Schaltungen schlechter geeignet, da sie Salpetersäure enthalten. In Verbindung mit Salpetersäure greift Flusssäure auch Silizium an und löst entsprechend die aktiven Strukturen auf, die man näher untersuchen möchte.

 

Armour Etch

Eine bekannte Paste, die zum Glas ätzen verwendet wird, ist Armour Etch. Trotz der Gefährlichkeit der freigesetzten Flusssäure ist Armour Etch ohne weiteres erhältlich.

 

Armour Etch Inhaltsstoffe

Neben Ammoniumhydrogendifluorid führt das Sicherheitsdatenblatt Natriumhydrogendifluorid, Schwefelsäure und Bariumsulfat auf. Die Schwefelsäure sorgt für die saure Umgebung, in der die Fluoridverbindungen Flusssäure freisetzen.

 

Armour Etch Inhaltsstoffe

Die ersten Versuche erfolgten mit der Referenzspannungsquelle ADR1000. Um die Siliziumoxid-Passivierungsschicht zu entfernen, trägt man etwas Armour Etch auf das Dies auf. Auch wenn es nur geringe Mengen sind, sollte man Handschuhe und Schutzbrille tragen und für eine ausreichende Belüftung sorgen. Neben gasformigen Fluorwasserstoff entsteht bei der Reaktion mit Siliziumoxid gasförmiges Tetrafluorsilan, das ebenfalls giftig ist.

 

ADR1000 Die

ADR1000 Die

Hier ist der interessante mittlere Teil der ADR1000 zu sehen. Auf den aktiven Strukturen befinden sich zwei Metalllagen.

 

ADR1000 Die HF 6min

In einem ersten Schritt wirkt die Armour Etch Paste für sechs Minuten auf das Die ein. An den Kanten der oberen Metalllage kann man bereits erkennen, dass die Siliziumoxidschicht angegriffen wurde.

 

ADR1000 Die HCL 5min

Lässt man dann für fünf Minuten eine 18%ige Salzsäure auf das Die einwirken, so löst sich bereits ein Großteil der Aluminiumleitungen auf. Wo die diagonalen Zuleitungen verlegt waren, zeigt sich, dass die darüber liegende Siliziumoxidschicht nicht mehr vorhanden ist. Die Leitungsstränge der unteren Metalllage sind zwar oberflächlich noch geschützt, sie sind aber gleichzeitig kurz genug, dass die Salzsäure auch daraus das Aluminium herauslösen konnte. Wie im Rahmen des Kapitels Abtragen von Aluminiumschichten beschrieben, bleiben dort leere, von Siliziumoxid bedeckte Gänge zurück. Lediglich ein kurzes Ringsegment im Inneren der Struktur ist noch vorhanden.

 

ADR1000 Die HF 6min

Nach weiteren sechs Minuten unter der Armour Etch Paste hat sich auch die Siliziumoxidschicht auf der unteren Metalllage aufgelöst. An dem kleinen Rest der unteren Metalllage ist gut zu sehen, dass die Flusssäure nur das Siliziumoxid, nicht das Aluminium auflöst. Die dunklen Partikel scheinen Siliziumoxidreste zu sein.

 

ADR1000 Die HCL 5min

Nach weiteren fünf Minuten in Salzsäure hat sich auch der Rest der unteren Metalllage aufgelöst. Die dunklen Partikel hat die Salzsäure nicht angegriffen.

Auffällig ist, dass an den Stellen, wo sich die untere Metalllage befand, etwas undurchsichtiges zurück geblieben ist. Das gelbliche Material wird auch bei längerer Einwirkzeit nicht von der Salzsäure angegriffen. Es könnte sein, dass sich an diesen Stellen Aluminium in das Siliziumoxid eingelagert hat.

 

ADR1000 Die HF 6min

ADR1000 Die HF 12min

Lässt man Armour Etch noch länger auf das Die einwirken, so zeigt sich, dass sich auch die letzte undurchsichtige Schicht auflöst.

 

ADR1000 Die HF 30min

Nach 30 Minuten sind fast alle Reste der Metalllage aufgelöst und die aktiven Bereiche liegen frei. Die Kontaktflächen zur Metalllage bleiben hellgrau. Auf dem Die der ADR1000 haben sich die unterschiedlichen Bereiche schon vorher kaum durch unterschiedliche Farben abgesetzt. Ohne der Siliziumoxid-Deckschicht ist das Die vollkommen grau. Das liegt daran, dass die Farben durch Resonanzen in der Siliziumoxidschicht entstanden sind. Unterschiedliche Schichtdicken führen dabei zu unterschiedlichen Farben. Ohne die Siliziumoxidschicht stellen sich keine Resonanzen mehr ein und das Die bleibt grau. Man kann allerding Konturen erkennen, die zeigen wo unterschiedliche Bereiche aneinander stoßen oder übereinander liegen.

 

ADR1000 Die

ADR1000 Die

ADR1000 Die delayered

Hier noch einmal die Übersicht über das ursprüngliche Die und das Ergebnis nach den obigen Bearbeitungsschritte.

 

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