DD272737A1 - Verfahren zur herstellung einer schmalen (100)-orientierten rechteckigen membran aus monokristallinem silizium - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer schmalen (100)-orientierten rechteckigen Membran aus monokristallinem Silizium fuer einen piezoresistiven Druckwandler. Aufgabengemaess ist die Erfindung darauf ausgerichtet, die Steifigkeit des Einspannrahmens zu erhoehen. Das wird dadurch erreicht, dass auf dem (100)-orientierten Siliziumsubstrat eine Aetzmaske aufgebracht wird, die eine Hauptaetzmaskenoeffnung mit 110-Maskenkanten und paarweise senkrecht aufeinanderstehenden 100-Maskenkanten enthaelt und die weiterhin Nebenaetzmaskenoeffnungen enthaelt, die vier 110-Maskenkanten aufweisen, wobei die Nebenaetzmaskenoeffnungen in 110-Richtung des Schnittpunktes jeweils zweier 100-Maskenkanten der Hauptaetzmaskenoeffnung liegen und die in radialer Richtung zu diesen Schnittpunkten liegenden 110-Kanten eine Laenge von mindestens der 1/2fachen Aetztiefe aufweist. Das Substrat wird anschliessend in einem nasschemischen Aetzprozess einem anisotrop wirkenden Aetzmittel ausgesetzt, wobei eine Hauptaetzgrube mit (100)-orientierter Bodenflaeche und (111)- sowie (100)-orientierten seitlichen Begrenzungsflaechen entsteht sowie Nebenaetzgruppen mit jeweils mindestens einer von der 110-Maskenkante bestimmten (111)-Seitenflaeche gebildet werden. Fig. 5

Description

Hierzu 8 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Herstellung schmaler rechteckiger Membranen, die durch anisotrope naßchemisches Ätzen aus einem dicken monokristallinen Siliziumsubstrat abgedünntwerden. Die Erfindung ist in der Mikromechanik, Mikroelektronik und in der Sensorik, dabei insbesondere für pie*oresistive Miniaturdruckwandler für biomedizinische Einsatzzwecke, anwendbar.

Charjk»eristik der bekannten technischen Lösungen

Die Herstellung dreidimensionaler mikromechanischer Strukturen in monokristallinen Siliziumsubstraten, insbesondere die Herstellung rechteexiger Membranen mittels anisotroper naßchemischer Ätzverfahren, ist bekannt und hat breite Anwendungsmöglichkeiten in der Technik gefunden i'K. E. Peterson: Silicon as a Mechanical Material. Proceedings of \\,e IEEE 70 [1982) 5, S.420-457). Die hauptsächlichsten Anwendungen nutzen dabei (lOOj'Orientierte Siliziumscheiben [DE 1.621.351]. Dabei befindet sich auf dom Siliziumsubstrat eine Ätzmaske, ζ. B. aus Siliziumoxid oder -nitrid, die eine rechteckiörmige Öffnung aufweist., deren Kanten 110 — orientiert sind. Durch den naßchemischen Ätzprozeß mit sinam anisotrop wirkenden Ätzmittel, das ;. B. aminhaltig (DE 1.963.665; EP 0.004.872; EP 0.009.677) oder basisch (DE 1.621.351; DE 1.806.225) ist, werden Siliziumrnembranen herausgearbeitet, die gleichfalls (100)-orientiert sind und <110>-ausgerichtete Mis!<enkanten aufweisen. Die seitlich begrenzenden Flächen der Ätzgrube stellen (111 !-Flächen dar, die mit der (lOO)-Fläche einen Winkel von 54,7° einschließen (A. i. Stoller: The Etching of Deep Vsrtical-Walled Patterns in Silicon. RCA Review 31 !'.97O], S. 271-274). Für viele Anwendungsfälle dient der Teil des unabgedünnten Siliziumsubstrates um die abgedünnte Membran als Einspannrahmon, wobei er die Membran (ragt 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, wirci durch dio Stabilität des Einspannrahmens fm Bereich der Eckpunkte der Membran entscheidend beeinflußt. *2\ne zusätzliche Stabilisierung dieser Bereiche erfolgt üblicherweise nicht. Es sind lediglich Maßnahmen bekannt, die einer weiteren Gtabilitätsabnahme in diesen Bereichen entgegenwirken, insbesondere durch Unterätzungen konvexer Ecken (DE 1.621.532; DD 241.976).

Eine hohe mechanische Stabilität wird jedoch vor allem in der Sensorik gefordert, um ein driftarmes und langzeitstabiles Übertragungsverhalten mikromethanischer Sensoren, z. B. biomedizinischer Druckwandler (vgl. z. B. M. Esashi u.a.; Fabrication of Catheter-Tip and Sidwall Miniature Prossure Sensors. IEEE Transactions on Electron Devices ED-29 [1982] 1, S. 57-63), zu sichern. Dabei dürfen auch nach Montage und Verkepselung äußere Störeinflüsse, die über den Einspannrahmen auf die dünne Membran wirken, einen zulässigen Grenzwert nicht überschreiten. Beispielsweise sind infolge nicht ausreichender Stabilität miniaturisierter Chips mit sehr kleinen und schmalen Membranen aufwendige konstruktive Maßnahmen zur Verringerung äußerer mechanischer Störeinflüsse notwendig (z.B. DD 216.467).

Ziel der Erfindung

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

Wesen der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von (100)- und <110>-orientierten, schmalen rechteckigen Siliziummembransn, deren Silizium-Einspannrahmen eine erhöhte Steifigkeit aufweist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst,

— daß auf dem (lOO)-orientierten Siliziumsubstrat eine Ätzmaske aufgebracht wird, die eine Hauptätzmaskenöffnung mit nachfolgend beschriebener Form und <110>-und <100>-orientierten Maskenkanten und eine oder mehrere Nebenöffnungen mit jeweils mindestens einer <110>-orientierten Maskenkante aufweist,

— daß daü Substrat in einem naßchemischen Ätzprozeß einem anisotrop wirkenden Ätzmittel ausgesetzt wird,

— daß durch das anisotrope Ätzmittel im Bereich der Hauptätzmaskenöffnung eine Hauptätzgrube gebildet wird, die eine (100)-orientierte Bodenfläche sowie (111)- und (lOO)-orientierts Seitenflächen besitzt, und im Bereich der Nebenöffnungen r,'ebenätzgruben mit jeweils mindestens einer von der <110>-Maskenkante bestimmten (111 !-Seitenfläche gebildet werden,

— daß im Ätzprozeß infolge der großen Ätzgeschwindigkeit R<ioo> der seitlichen (100)-Flächen der Hauptätzgrube die (100)-Ätzfronten auf die Seitenflächen der Neöenätzgruben treffen, so daß die Ätzgruben zu einer resultierenden Ätzgrube verbunden sind, und

— daß der ÄUprozeß abgebrochen wird, nach dem sich die Rechteckform der (100)-orientierten Bodenfläche, die die Membranfläche bildet, herausgebildet hat, jedoch bevor die die Ätzgrube seitlich begrenzenden (100)-Flächen vollständig abgetragen sind. Die Form der Ätzmaske ergibt sich durch lokale Bedeckung aus der Form der Ätzmaskenöffnung für übliche rechteckige (lOO)-Membranon mit seitlichen (111 !-orientierten Flächen der Ätzgrube, wobei deren Abmessungen der Ätzmaskenöffnung der Größe der herzustellenden Membran unter Berücksichtigung der durch die Ätztiefe bei 54,7° geneigten (111 !-Seitenflächen eintretenden Verkleinerung der Membran und der durch die Abtragung der seitlichen (111 !-Flächen geringfügig hervorgerufene Vergrößerung der Membran entspricht. Von diesem rechteckigen Gebiet mit <111 >-orientierten Kanton cind jeweils zwei gleichgroße gleichschenklige dreieckige Gebiete im Eckbereich so abgeteilt, daß sich eine Hauptätzmaskenöffnung bildet, die <110>-Maskenkanten und jeweils zwei rechtwinklig aufeinandertreffende <100>Maskenkanten aufweisen. Der Schnittpunkt der jewel's zwei <100>-Maskenkanten liegt damit innerhalb der ursprünglichen rechteckigen Gebietes. In der Mitte der abgedeckten Seiten der ursprünglichen rechteckigen Form werden Nebenöffnungen'in die Ätzmaske eingebracht, die vier <110>-Kanten besitzen, wobei eine <110>-Kante auf der Linie der herkömmlichen rechteckigen Seilen und der Mittelpunkt der Seite· der ursprünglichen rechteckigen Form auf der_<110>-Kante der Nebenöffnung liegt und die rechtwinklig dazu liegenden <110>-Kanten eine Länge von mindestens dem 1 /\/2fachen der Ätztiefe d_<100> aufweist. Dabei befinden sich die Nebenöfmungen derÄtzmaske innerhalb der ursprünglichen rechteckigen Form. Während des anisotropen naßchemischen Ätzprozesses bilden sich im Siliziumsubstrat Ätzgruben heraus, die an den <110>Ätzmaskenkanten der Haupt- und Nebenätzmaskenöffnung durch (11 !-Flächen und an den <100>-Ätzmaskenkanten der Hauptätzmaskenöffnung durch senkrecht auf der Ober- und Bodenfläche stehenden (100)-Flächen seitlich begrenzt werden. Die ί 111 !-Flächen werden dabei mit einer Ätzgeschwindigkeit R_<),₁> abgetragen, die vernachlässigbar klein gegenüber der Ätzgeschwindigkeit R<ioo> der (100)-Flächen ist. Infolge der mit gleicher Ätzgeschwindigkeit R<,oo> abgetragenen Boden- und Seitenflächen mit (100)-Orientierung erreichen die (100)-Ätzfronten die Ätzgruben der Nebenätzmaskenöffnungen und treffen auf die langsam ätzenden (111 !-Flächen an deren <110>-Maskenkanten, die nur noch mit R<m> abgetragen werden. Damit sind die vier die Membran begrenzenden (111 !-Flächen entstanden. Die (100)-Fläciien werden vom Ätzmittel solange weiter abgetragen, bis sich die Rechteckform der Bodenfläche der remitierenden Ätzgruppe herausgebildet hat. Dabei können jeweils zwei seitlich begrenzende ΙΊ11 !-Flächen eine seitliche begrenzende (100)-Fläche so einschließen, daß sie alle drei Flächen genau im Eckpunkt der Bodenfldche schneiden, oder daß die beiden (111 !-Flächen eine gemeinsame Kante aufweisen und sich nur die (111 !-Flächen im Eckpunkt der Bodenfläche schneidet. Damii wird die Ätzgrube im Bereich der Ecken durch jeweils zwei (111)- und eine (lOOl-orieMierte Fläche begrenzt. Dadurch ist gegenüber der Begrenzung durch nur zwei (111 )-Flächen im Eckbereich weniger Materia! des Siliziumsubstrates herausgeätzt, so daß der Einspannrahrnen in diesem Bereich versteift ist.

Für die Herstellung derÄtzmaske und für den anisotropen naßchemischen Ätzprozeß sind übliche halbleitertechnologische und mikromecruinische Schichtabscheidungs- und Strukturierungs- sowie Ätzverfahren anwendbar.

-3- 272 737 Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 bis Fig. 5: Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung scimaler rechteckiger Siliziummembranen, die in Draufsicht dargestellt sind,

Fig. 6 bis Fig. 8: die Fig. 1,3 und 5 in räumlicher Ansicht, Fig. 9 bis Fig. 14: eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Rechteckmembran nach Fig. 1 und 5 in Draufsicht

sowie Schnittdarstellungen, eine während des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzte Ätzmaske mit charakteristischen Abmessungen,

Fig. 15: wichtige geometrische Abmaße der Ätzmaske und Ausgangs-und Endzustand der Hörstellung

Fig. 16 und 17: quadratischer Membranen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Figur 1 zeigt ein (lOO)-orientiertes monokristallines Siliziumsubstrat 1, auf dem eine Ätzmaske 2 mit üblichen

halbleitertechnologischen und mikromechanischen Verfahren erzeugt wurde. Die Ätzmaske 2 kann beispielsweise aus Siliziumoxid, -nitrid, aus einem Metall oder dotiertem Silizium bestehen. Sie hat eine Hauptätzmaskenöffnung 3 und eine Nebenöffnung 4. Die Form der Ätzmaske ergibt sich aus der Ätzmaskenform 5, dio herkömmlich für die Herstellung (1 CO)-orientierter Membranen mit <110>-Membrankanten und die Ätzgrube seitlich begrenzenden (111 !-Flächen verwendet wird.

Diese Ätzmaskenform 5 ergibt sich aus der Größe der herzustellenden Membran zuzüglich der Substratverbreiterung durch die zu realisierende Ätztiefe d_<1Oo_> Oei 54,7° geneigten (111 !-orientierten Seitenflächen derÄtzgrube und unter Berücksichtigung der nahezu Vernachlässigbar kloinen Ätzgeschwindigkeit der (111 (-Seitenflächen. Von dieser ursprünglich rechteckigen Form 5 sind im Bereich der Ecken zwei gleichschenklige dreieckige Teile 6 und 7 zuzüglich so maskiert, daß zu den vorhandenen <110>orientierten Maskenkanten 8 der Hauptätzmaskenöffnung <100>-orientierte Maskenkanten 9 gebildet werden, die paarweise so ,'iisammentreffen, daß zwischen ihnen ein rechter Winkel gebildet wird. Weiterhin ist im so maskierten Bereich 6 und 7 eine Nebenätzmaskenöffnung 4 so eingebracht, daß sie vier <110>-Maskenkanten besitzt, wovon eine <110>-orientierte Maskenkante in der Mitte der schmalen Seite 10 der ursprünglich rechteckigen Form 5 mit der schmalen Seite 10 selbst übereinstimmt, und daß die rechtwinklig dazu liegenden <110>-Kanten eine Länge von mindestens dem 1/\/2fachen der Ätztiefe d<_;1oo> aufweist, und daß diese Öffnung 4 innerhalb der ursprünglich rechteckigen Form 5 liegt. Vorzugsweise werden kleine quadratische oder rechteckige Nebenöffnungen 4 mit vier <110>-orientierten Maskenkanten verwendet. Die Anordnung von Figur 1 wird räumlich in Figur 6 dargestellt.

Das entsprechend Figur 1 bearbeitete Substrat 1 wird anschließend in einem naßchemischen Ätzverfahren einem anisotrop wirkenden Ätzmittel ausgesetzt. Derartige Ätzmittel können beispielsweise basisch wäßrige Lösungen aus Kalium- oder Natriumhydroxid oder aminhaltige Gemische a'is Hydrazin und Wasser oder Ethylendiamin, Pyrocatechol und Wasser sein. Alle anisotrop wirkenden Ätzmittel tragen (100)-orientierte Siliziumflächen mit einer großen Ätzgeschwindigkeit R<ioo> und (111)-orientierte Flächen mit einer kleinon Ätzgeschwindigkeit R<in> <ä R<ioo> ab. In allen Darstellungen der Fig. 2 bis 5,7 bis 15 und 17

ist die Ätzgeschwindigkeit R<,n> aufgrund ihrer sehr kleinen Größe vernachlässigt. Zur besseren Anschaulichkeit wurde in den Fig. 2 bis 5,7,8 und 17 auf die Ätzmaske 2 darstellungsmäßig verzichtet.

Durch die Einwirkung des Ätzmittels wird im Siliziumsubstrat eine Hauptätzgrube 11 im Bereich der Hauptätzmaskenöffnung 3 und eine Nebenätzgrube 12 im Bereich der Nebenöffnung 4 erzeugt. Die Hauptätzgrube weist dabei eine (100)-Bodenfläche 13 sowie (111)-Seitenwände 15, die zur (100)-Ebene 125,3° geneigt sind, und (lOO)-Seitenwände 14, die senkncht sowohl zur .

(1 OO)-Fläche als auch aufeinander stehen, auf. Die Nebenätzgruben 12 weist vier (111 !-Seitenflächen 15 auf, so daß ein anisotroper Ätzstopp auftritt.

Im weiteren Verlauf des Ätzprozesses bei weiterer Abtragung der seitlich die Hauptätzgrube begrenzenden (100)-Flächen 14 stoßen diese (1001-Flächen 145 auf die Nebenätzgrube 12, so daß eine gemeinsame Ätzgrube 16 gebildet wird (Fig.3 und 7).

Durch die (111 (-orientierte Fläche der Nebenätzgrube 12, die eine LangsamäUfläche darstellt, ist eine Fortführung der Ätzung in <011 >-Richtung nicht mehr möglich. Die (111 !-Fläche vergrößert sich dadurch im weiteren Ätzprozeß, genauso die (111)-Flächen 13 der Hauptätzgrube 11, während sich die senkrecht auf der (100)-Bodsnfläche 14 stehenden (100)-Seitenflächen 14 verkleinern.

Gemäß Fig. 4 und Fig. 5 bildet sich durch die weitere Abtragung der (100)-Seitenflächen 14 derÄtzgrube 16 die Rechteckform der Bodenfläche 13 heraus. Dazu können die seitlich begrenzenden (111 (-Flächen 15 und 17 punktförmig mit der Bodenfläche 13 und der (100)-Seitenflache 14 zusammenstoßen (Fig.4), oder im Ätzprozeß später die (111)-Flächen 15 und 17 bilden eine gemeinsame Kante 18, so daß die (100)-Seitenflache 14 von der (100)-Bodenflache 13 getrennt ist (Fig. 5 und 8).

Dadurch, daß der Eckbereich 19 durch seitliche (lOO)-orientierte Flächen 14, die senkrecht zur Bodenfläche 13 steht, begrenzt ist, und daß damit weniger Material des Siliziumsubstrates 1 herausgeätzt wurde, ist der Einspannrahmen 20 gegenüber den Varianten wesentlich steifer, bei denen im Eckbereich ausschließlich geneigte flächen, z. B. (111 (-Flächen, auftreten.

Fig. 9 zeigt Fig. 5 unter Berücksichtigung der Ätzmaske 2, Fig. 10 bis 14 zeigen zur besseren Veranschaulichung verschiedene Schnittdarstellungen durch Fig.9.

Nachdem sind die rechteckige Bodenfläche 13 gemäß Fig.4 und 5 herausgebildet hat, wird der Ätzvorgang abgebrochen.

Anschließend kann die Ätzmaske entfernt werden.

Bild 15 zeigt wichtige geometrische Abmaße der Ätzmaske 2, insbesondere der dreieckförmigen Gebiete 6 und 7 im Eckbereich der zu schaffenden Membran, beschrieben durch die Bodenfläche 13. Die Abstände d_<m> entsprechen der Strecke, mit der die (100)-Flächen 13 und 14 in der Ätzzeit durch die Ätzgeschwindigkeit R<ioo> abgetragen wurden.

Fig. 15 zeigt den Fall, daß die Tiefe derÄtzgrube 16 durch keine Ätzstoppmechanismen begrenzt wird. Für den Fall der Begrenzung der vertikalen Ätztiefe durch Ätzstoppmechanismen ist in Fig. 15 b und c der Wert für d<_)Oo> durch die Ätztiefe zu ersetzen. Entsprechend Fig. 15 gilt als Kriterium der Versteifung des Eckbereiches 19

a = \/2e

bzw. damit

V2 < -j-^— < 2 V2.

Für die Ätzmaskenuffnung 3 gelten folgende Beziehungen d<ioo>

Δ/ und

tan 54,7°

^2d<100> = tan 54,7°.

f-b

Weiterhin ist erfindungsgemäß c s d_<100.-/\/2.

Fig. 16 zeigt die Möglichkeit der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Herstellung sehi kleiner quadratischer Membranen wie in Fig. I7 dargestellt. Die Herstellungsschritte entsprechen denen von Fig. 1 bis 5, nur dadurch unterschieden, daß eine kleine quadratische Hauptätzmaskenöffnung 3 mit <1 OO-ausgerichteten Kanten erforderlich ist und entsprechend der quadratischen Membranform vier Nebenätzmaskenöffnungen 4 Anwendung finden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung einer schmalen (lOO)-orientierten rechteckigen Membran aus monokristallinem Silizium mit <110>-orientierten Membrankanten, die von einem dicken Einspannrahmen aus monokristallinem getragen wird, der Versteifungen im Bereich der Membranecken aufweist, dadurch gekennzeichnet

— daß auf dem (100)-orientierten Siliziurnsubstrat eine Ätzmaske aufgebracht wird, die eine Hauptätzmaskenöffnung mit <110>-Äizmaskenkanten und paarweise senkrecht aufeinander stehenden <110>-Ätzmaskenkanten enthält, und die weiterhin Nebenätzmaskenöffnungen enthält, die vier (110)-Ätzmaskenkanten aufweisen, wobei die Nebenätzmaskenöffnungen in <11O>-Richtung des Schnittpunktes jeweils zweier <100>-Ätzmaskenkanten der Hauptätzmaskenöffnungen liegen und die in radialer Richtung zu diesen Schnittpunkton liegenden <110>-Kanten eine Länge von mindestens der 1/\/2fachen Ätztiefe aufweist,

— daß das Substrat in einem naßchemischen Ätzprozeß einem anisotrop wirkenden Ätzmittel ausgesetzt wird,

— daß durch das anisotrope Atzmittel im Bereich der Hauptätzmaskenöffnung eine Hauptätzgrube gebildet wird, die eine (lOO)-orientiarte Bodenfläche und (111)- und (lOO)-orientierte Seitenflächen besitzt, und daß im Bereich der Nebenöffnung Nebenätzgruben mit jeweils mindestens einer von der <110>-Maskenkanten bestimmten (111 )-Seitenflächen gebildet werden,

— daß im Ätzprozeß die Ätzfronten der(100)-Seitenflächen der Hauptätzgrube auf die Seitenflächen der Nebenätzgruben treffen, so daß eine gemeinsame Ätzgrube entsteht und

— daß der Ätzprozeß abgebrochen wird, nach dem sich die Rechteckform der (100)-orientierten Bodenfläche herausgebildet hat, jedoch bevor die die Ätzgrube seitlich begrenzenden (100)-Flächen vollständig abgetragen sind

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätztiefe der Membrangrube durch einen Ätzstoppmechanismus festgelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an den Ätzprozeß die Ätzmaskierung entfernt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptätzmaskenöffnung eine quadratische Form mit <100>-Kanten aufweist und sich in quadratischer Symmetrie jeweils in den vier <110>-Richtungen die Nebenätzmaskenöffnungen in der Ätzmaske befinden.