DD272704A1 - Quadratische oder rechteckfoermige (100)-orientierte membran aus monokristallinem silizium und verfahren zur herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine quadratische oder rechteckfoermige Siliziummembran fuer einen piezoresistiven Druckwandler und ein Herstellungsverfahren fuer die Membran. Aufgabengemaess ist die Erfindung darauf ausgerichtet, die Steifigkeit des Einspannrahmens zu erhoehen. Das wird dadurch erreicht, dass die seitlichen Begrenzungsflaechen des Einspannrahmens sowohl (111) als auch (100)-Flaechen darstellen, wobei die senkrecht auf der Membranebene stehenden (100)-Flaechen in einer oder mehrerer Membranecken jeweils zwischen zwei (111)-Begrenzungsflaechen angeordnet sind. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass auf dem (100)-Siliziumsubstrat eine Aetzmaske aufgebracht wird, die eine Oeffnung entsprechend der Anzahl n der versteiften Einspannrahmenecken von (4n)-eckiger Form mit 100 und 110-orientierten Kanten aufweist. Anschliessend wird das Substrat in einem nasschemischen Aetzprozess einem anisotrop wirkenden Aetzmittel ausgesetzt, wobei eine Aetzgrube gebildet wird, die eine (100)-orientierte Bodenflaeche (Membran), sowie an den 110-Maskenkanten seitlich begrenzende 111-Flaechen und an den 100-Maskenkanten begrenzende (100)-Flaechen aufweist. Der Aetzprozess wird abgebrochen, nach dem sich die Quadrat- oder Rechteckform der Bodenflaeche herausgebildet hat und bevor die die Aetzgrube seitlich begrenzenden (100)-Flaechen vollstaendig abgetragen sind. Fig. 3

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine quadratische oder rechteckförmige Siliziummembran und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Membran, die durch anisotropes naßchemisches Ätzen aus einem dicken monokristallinen Siliziumsubstrat abgeUünnt wird. Die Erfindung ist insbesondere in der Mikromechanik, Mikroelektronik und Sensorik anwendbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Herstellung dreidimensionaler mikromechanischer Strukturen in nionokristallinen Siliziumsubstraten, insbesondere die Herstellung quadratischer oder rechteckiger Membranen mittels anisotroper naßchemischer Ätzverfahren, ist bekannt und hat breite Anwendungsmöglichkeiten in der Technik gefunden (K. E. Petersen: Silicon as a Mechanical Material. Proceedings of the IEE 70 [1982] 5, S.420-457). Die hauptsächlichsten Anwendungen nutzen dabei (lOO)-orientierte Siliziumscheiben (DE 1.621.351). Dabei befindet sich auf dem Siliziumsubstrat eine Ätzmaske, ζ. B. aus Siliziumoxid oder -nitrid, die eine rechteck- oder quadratförmige Öffnung aufweist, deren Kanten < 100 >-orientiert sind. Durch den naßchemischen Ätzprozeß mit einem anisotrop wirkenden Ätzmittel, das z. B. aminhaltig (DE 1.953.665; EP 0.004.872; EP 0.009.677) oder basisch (DE 1.621.351 ; DE 1.806.225) ist, werden Siliziummembranen herausgearbeitet, die gleichfalls (100)-orientiert sind und < 100>-ausgerichtete Maskenkanten aufweisen. Die seitlich begrenzenden Flächen der Ätzgrube stellen (111 (-Flächen dar, die mit der (100)-Fläche einen Winkel von 54,7° einschließen (A. I. Stoller: The Etching of Deep Verticalwalled Patterns in Silicon. RCA Review 31 (1970], S. 271-274). Für viele Anwendungsfälle dient der Teil des unabgedünnten Siliziumsubstrates um die abgedünnte Membran als Einspannrahmen, wobei er die Membran trägt und durch seine mechanische Steifigkeit die mechanische Stabilität der Membran und den Einfluß äußerer Störkräfte oder -momente auf die Membran bestimmt. Die Größe des Einspannrahmens wird dabei

durch mehrere Faktoren begrenzt, wie z. B. die Realisierung einer bestimmten Anzahl Chips auf einer Scheibe oder die Forderung eines bestimmten Miniaturisierungsgrades der Strukturen, wie er beispielsweise in der Biomedizin auftritt. Die Steifigkeit des Einspannrahmens bzw. die Steifigkeit der Stege, die die Membran direkt halten, wird von der Stabilität des Einspannrahmens im Bereich der Eckpunkte der Membran entscheidend beeinflußt. Eine zusätzliche Stabilisierung dieser Bereiche orfolg* üblicherweise nicht. Es sind lediglich Maßnahmen bekannt, die einer weiteren Stabilitätsabnahme in diesen Beieichen entgegenwirken, insbesondere durch Unterätzungen konvexer Ecken (DE 1.621.532; DD 241.976).

Ziel der Erfndung

Das Ziel (er Erfindung ist es, den Einfluß äußerer Störkräfte oder -momente über den Einspannrahmen auf die Membran zu reduzieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Er'mdung ist es, eine (lOO)-orientierte viereckige Siliziummembran sowie ein Herstellungsverfahren für dieselbe zu schaffen, die «on einem Einspannrahmen mit erhöhter mechanischer Steifigkeit getragen wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die seitlichen Begrenzungsflächen des Einspannrahmens neben (111 !-Flächen auch (100)-Flächen aufweisen, die in jeweils einer oder mehrerer Ecken der Membran zwischen zwei (11D-Begrenzungsflächen im wesentlichen senkrecht auf der Membranebene stehen. Das Verfahren zur Herstellung einer solchen Membran ist dadurch gekennzeichnet, daß auf dem (lOO)-orientierten Siliziumsubstrat eine Ätzmaske aufgebracht wird, die eine Öffnung mit einer fünf- bis achteckigen Form derart aufweist, daß von einem Quadrat oder Rechteck mit Kanten in kristallografischer < 100 >-Richtung mindestens eine Ecke dreieckförmig maskiert ist, daß die lange Kante, die die Ätzmaskenöffnung begrenzt, eine krictallografische < 100>-Orientierung aufweist, daß das Substrat in einem naßchemischen Ätzprozeß einen anisotrop wirkenden Ätzmittel ausgesetzt wird, und daß der Ätzprozeß abgebrochen wird, nachdem sich eine quadrat- oder rechteckförmige Bodenflächen in der Ätzgrube herausgebildet hat. Im anisotropen naßchemischen Ätzprozeß bilden sich im (100)-orientierten Siliziumsubstrat

— eine Bodenfläche, die ebenfalls (100)-Orientierung aufweist,

— vier \111 !-orientierte Seitenflächen, die die (lOO)-Fläche an den Maskenkanten in < 100>-Richtung schneiden, und

— entsprechend der ein bis vier dreieckförmig maskierten Teile ein bis vier (ICO)-orientiette Seitenflächen, die die (100)-Oberflache an den < 100>-orientierten Maskenkanten schneidet, und die an jeweils zwei (111 !-orientierte Seitenflächen grenzen,

heraus. Zu Beginn des Ätzprozesses grenzen die (lOO)-orientierten Seitenflächen und die (lOO)-orientierte Bocenfläche aneinander. Prinzipiell werden durch anistrope naßchemische Ätzmittel (100)-Flächen wesentlich schneller als (111) Flächen abgetragen. Dadurch sind nach einer bestimmten Ätzzeit die die Ätzgrube seitlich und am Boden begrenzenden (100)-Flächen soweit abgetragen, daß die seitlich begrenzenden (100)-Flächen die den Boden begrenzende (100)-Fläche nicht oder nur noch jeweils in einem Punkt aneinanderstoßen. Die Bodenfläche wird damit in ihren Abmessungen vollständig durch die vier (111)-orientierten Seitenflächen bestimmt und bildet damit ein Quadrat oder ein Rechteck mit < 100 >-orientierten Kanten.

Die Ätzgrube wird im Bereich der Ecken miot < 100 !»-ausgerichteten Maskenkanten durch jeweils zwei (111)- und eine (100)-orientierte Flächen begrenzt. Dadurch ist gegenüber der Begrenzung durch nur zwei (111 (-Flächen im Eckbereich weniger Material des Siliziumsubstrates herausgeätzt, so daß der Einspannrahmen in diesem Bereich versteift ist.

Für die Herstellung der Ätzmaske und für den anisotropen naßchemischen Ätzprozeß sind übliche halbleitertechnoiogiscbe und mikromechanische Schichtabscheidungs- und -strukturierungs- sowie Ätzverfahren anwendbar.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dabei zeigen

Figur 1 bis 5: Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrensfürein'.iEinspanneckeeinerOOOl-orientiertenquadrat-

oder Rechteckförmigen Membran Figur 6 und 7: die Draufsicht auf eine erfindungsgemäß hergestellte Druckmembran im Anfangs- und Endzustand

der Herstellung und Figur 8 und 9: die Draufsicht und das Schnittbild einer erfindungsgemäß hergestellten Membranecke mit verdicktem Eirispannradmen.

In Figur 7 ist eine quadratische (lOO)-orientierte Siliziummembran in der Draufsicht dargestellt, die von einem Einspannrahmen 8 gehalten wird. Die obere Öffnung des Einspannrahmens besitzt die Form eines Achtecks, d.h. der Einspannrahmen ist in allen viet ι/it. .,branecken durch die Schaffung von auf der Membran senkrech;stehender (lOO)-Begrenzungsflächen "" verstärkt und besitzt damit eine erhöhte mechanische Stabilität. Wie aus Fig.5 ersichtlich ist, wird die ^!i den Ecken befindliche (100)-Begrenzungsfläche von jeweils zwei (111 )-Begrenzungsflächen 6 eingeschlossen und berührt die Membran 9 nicht oder nur in einem Punkt.

In Fig. 1 ist der Eckbereich einer zu schaffenden quadrat- oder rechteckförmigen Membran dargestellt. Dazu wird auf einem Siliziumsubstrat 1 mit (100)-Orientierung durch übliche halbleitertechnologische oder mikromechanische Verfahren eine Ätzmaske 2 erzeugt, die eine achteckige Öffnung 3 derart aufweist, daß von einem Quadrat oder Rechteck mit Kanten in kristallografischer (110)-Richtung 4 Ecken dreieckförmig maskiert sind, wobei die lange Kante der gleichschenkligen Dreiecke dieÄt7maskenöffnung begrenzt und in kristallografischer (100)-Richtung orientiert ist. Die Öffnung 3 der Ätzmaske 2 besitzt

demnach ausschließlich Kanten in (110)- und (100)-Richtung, wobei genau vier (110)-Kanten (im Ausschnitt entsprechend Fig. 1 die Kanten in (011)- und (Oit)-Richtung) und 4 (100)-Kanten (im Auschnitt entsprechend Fig. 1 die Kante in (01O)-Richtung) erzeugt werden. Die Ätzmaske 2 kann dabei beispielsweise aus Siliziumoxid, -nitrid, aus einem Metall oder aus dotiertem Silizium bestehen. Im nächsten Schritt wird das Siliziumsubstrat 1 auf der Seite der Ätzmaske 2 einem anisotrop wirkenden naßchemischen Ätzmittel ausgesetzt. Derartige Ätzmittel können beispielsweise basische wäßrige Lösungen aus Kalium- oder Natriumhydroxid odor aminhaliige Gemische aus Hydrazin und Wasser oder Ethylendiamin, Pyrocatechol und Wasser sein. Im Ätzprozeß bildet sich im Siliziumsubstrat 1 eine Ätzgrube 4 heraus, deren Bodenfläche 5 wie das Siliziumsubstrat 1 eine (100"-Orientierung aufweist (Fig.2).

Die Ätzgrube wird seitlich furch (111 !-orientierte Seitenflächen 6 und (1 OOJ-orientierte Seitenflächen 7 begrenzt. Die (11D-orientierten Seitenflächen 6 treten an den (110)-orientierten Maske'ikanten auf und schließen mit der Bodenfläche 5 einen Winkel von 125,3° ein. Sie werden mit einer Ätzgeschwindigkeit R;no abgetragen, die für naßchemische anisotrop wirkende Ätzmittel prinzipiell kleiner als die Ätzgeschwindigkeit R<ioo) der Bodenfläche ist. Die (lOO)-orientierten Seitenflächen 7 treten an den (100)-orientierten Maskenkanten auf und stehen senkrecht auf der Bodenfläche 5. Sie werden mit der gleichen Ätzgeschwindigkeit R^₀₀) wie die Bodenfläche 5 abgetragen.

Wegen der größeren Atzrate R(too) der (lOO)-orientierten Seitenflächen 7 gegenüber der Ätzrate R<in> der (111 !-orientierten Seitenflächen 8 und der größeren Widerstandsfähigkeit von langsam ätzenden Flächen an konkaven Ecken dreidimensionaler Einätzungen ist zum Zeitpunkt entsprechend Fig. 3 die Seitenfläche 7 soweit abgetragen, daß die (111)- und (100)-orientiertsn Seitenflächen 6 und 7 in einem Punkt mit der Bodenfläche 5 aneinanderstoßen. Die Bodenfläche 5 der Ätzgrube 4 hat entsprechend der Ätzmaskenöffnung 3 der Ätzmaske 2 die quadratische oder rechteckige Form erreicht. Der Ätzprozeß kann zu diesem Zeitpunkt abgebrochen oder aber weitergeführt werden, wobei der Abbruch erfolgt, bevor die (100)-orientierte Seitenfläche 7 vollständig abgetragen sind (Fig. 4). Die Seitenflächen 7 werden hier von den (111 !-orientierten Seitenflächen eingeschlossen, die die quadratische oder rechteckige Form der Bodenfläche 5 bestimmen. Gegenüber dem Fall, daß die Ätzgrube 4 seitlich nur durch (111 !-Flächen begrenzt wird, tritt im Bereich der Ätzgrubenecken durch die zur Bodenfläche 5 senkrechten Seitenflächen 7 eine Verdickung des Einspannrahmens 8 der Membran 9 auf.

Fig. 5 zeigt die Anordnung entsprechend von Fig. 4 nach der möglichen, aber nicht notwendigen Entfernung der Ätzmaske 2. Fig. 6 zeigt ein Siliziumsubstrat 4 zur erfindungsgemäßen Herstellung einer quadratischen Membran, z. B. für einen Drucksensor. Auf dem Substrat 1 ist in der oben beschriebenen Weise eine Ätzmaske 2 mit einer achteckigen Ätzmaskenöffnung 3 aufgebracht, deren Ätzmaskenkanten (110)- und (100)-orientiert sind. Zur Verhinderung der Eckenunterätzung an konvexen Ecken dreidimensionaler Einätzungen sind zusätzliche Kompensationsätzmaskenteile 10 realisiert. Fig. 7 zeigt das Substrat 1 von Fig. 6 nach Beendigung des Ätzprozesses und Entfernung der Ätzmaske 2. Innerhalb des Substrates 1 ist die Membran 9 quadratisch abgedünnt. Die Ätzgrube im Substrat 1 wird dabei durch (111 !-orientierte Seitenflächen 6und(10C|-orientierte Seitenflächen 7 seitlich begrenzt. Die Verdickung des Einspannrahmens 8 ist durch die Eckbereiche 11 gegeben, in denen die Ätzgrube durch senkrecht auf die Bodenfläche der Membran 9 stehende Seitenwände 7 und nicht durch geeignete Seitenflächen, wie z. B. (111 !-Flächen begrenzt wird.

Fig. 8 und Fig. 9 zeigen die geometrischen Beziehungen zwischen der Abmessung deiÄtzmaskeiiöffnung 3, insbesondere der dreieckig abgedeckten Bereiche 11 im Bereich der Ecken der Membran 0 imι Vergleich zur Ätztiefe dpoo) für den Fall, daß in vertikaler Richtung im Siliziumsubstrat 1 kein Ätzstoppmechanismus eine Änderung der Ätzgeschwindigkeit R<ioo> bewirkt. Demzufolge wird die Versteifung des Eckbereiches dann erreicht, wenn für die Abmessung b die Beziehung

d(ioo) < b S 2d(ioo)

gilt

Wegen

a = V2b für gleichschenklige Dreiecke müssen die gleichschenkligen Seiten eine Abmessung a von

aufweisen.

Durch die Anwendung von Ätzstoppmechanismen in vertikaler Ätzrichtung sind auch Verhältnisse a > 2 \J2 d<_1Oo> möglich.

Claims (5)

1. Quadratische oder rechteckförmige, (100)-orientierte Membran aus tnonokristallinem Silizium mit < 100>-orientierten Membrankanten, die von einem die Membran umgebenden dicken Einspannrahmen aus monokristallinem Silizium getragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Begrenzungsflächen des Einspannrahmens sowohl (111) als auch (100)-Flächen darstellen, wobei die senkrecht auf der Membranebene stehenden (100)-Flächen in einer oder mehreren Memtranecken jeweils zwischen zwei (111)-Begrenzungsflächen angeordnet sind.

2. Verfahren zur Herstellung von quadratischen oder rechteckförmigen, (100)-orientierten oder rechteckförmigen Membranen aus monokristallinem Silizium mit < 100>-orientierten Membrankanten gemäß Anspruch 1, die von einem dicken Einspannrahmen aus monokristallinem Silizium getragen wird, der η = 1 ... 4 Versteifungen im Bereich der Membranecken aufweist, dadurch gekennzeichnet,

— daß auf einem (lOO)-orientierten Siliziumsubstrat eine Atzmaske aufgebracht wird, die eine Öffnung entsprechend der Anzahl η der versteiften Einspannrahmenecken mit (4 + n)-eckiger Form derart aufweist, daß von einem Quadrat oder Rechteck mit < 100>-orientierten Kanten genau η Ecken dreieckförmig von der Ätzmaske bedeckt sind, daß diese Ätzmaskenkanten eine < 100>-Orientierung aufweisen,

— daß das Subst^rat in einem naßchemischen Ätzprozeß einem anisotrop wirkenden Ätzmittel ausgesetzt wird,

— daß im Ätzprozeß durch das anisotrope Ätzmittel eine Ätzgrube gebildet wird, die eine (100)-orientierte Bodenfläche, die die Membranoberfläche ist, sowie an den < 100>-Maskenkanten seitlich begrenzende (111)-Flächen und an den <100>-Maskenkanten seitlich begrenzende (100)-Flächen aufweist, die Seitenflächen des Einspannrahmens sind, und

— daß der Ätzprozeß abgebrochen wird, nachdem sich die Quadrat-oder Rechteckform der (100)-orientierten Bodenfläche herausgebildet hat, aber bevor die die Ätzgrube seitlich begrenzenden (100)-Flächen vollständig abgetragen sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtragsgeschwindigkeit des Ätzmittels in die Tiefe der Membrangrube keine Veränderung erfährt und die gleichschenkligen Seiten der dreieckigen Ätzmaskenbereiche in der quadrat- bzw. rechteckförmigen Ätzmaskenöffnungen Abmessungen zwischen dem \/2-fachen und denn 2 · \/2-fachen der geforderten Ätztiefe entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an den Ätzprozeß die Ätzmaskierung entfernt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätztiefe der Membrangrube durch einen Ätzstoppmechanismus festgelegt wird.