DD272737A1 - METHOD FOR PRODUCING A NARROW (100) ORIENTED RECTANGULAR MEMBRANE OF MONOCRYSTALLINE SILICON - Google Patents

METHOD FOR PRODUCING A NARROW (100) ORIENTED RECTANGULAR MEMBRANE OF MONOCRYSTALLINE SILICON Download PDF

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DD272737A1
DD272737A1 DD31585788A DD31585788A DD272737A1 DD 272737 A1 DD272737 A1 DD 272737A1 DD 31585788 A DD31585788 A DD 31585788A DD 31585788 A DD31585788 A DD 31585788A DD 272737 A1 DD272737 A1 DD 272737A1
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Gerald Gerlach
Susanne Kuehne
Juergen Landgraf
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Teltov Geraete Regler
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    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81CPROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00388Etch mask forming
    • B81C1/00404Mask characterised by its size, orientation or shape

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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. 5The invention relates to a method for producing a narrow (100) -oriented rectangular membrane of monocrystalline silicon for a piezoresistive pressure transducer. Taskgemaess the invention is designed to increase the rigidity of the clamping frame. This is accomplished by depositing on the (100) -oriented silicon substrate an etching mask containing a master mask opening with 110 mask edges and paired 100 mask edges in pairs, and which further includes minor mask openings having four 110 mask edges, the minor mask openings lie in the 110-direction of the intersection of two 100-mask edges of Hauptaetzmaskenoeffnung and lying in the radial direction to these intersections 110 edges has a length of at least 1 / 2fachten Aetztiefe. The substrate is subsequently exposed to an anisotropic etching agent in a wet-chemical etching process to form a primary etching pit with (100) -oriented bottom surface and (111) and (100) -oriented lateral boundary surfaces, and sub-etching groups each having at least one of the 110 mask edge (111) -Seitenflaeche be formed. Fig. 5

Description

Hierzu 8 Seiten ZeichnungenFor this 8 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

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.The invention relates to the production of narrow rectangular membranes thinned by anisotropic wet chemical etching from a thick monocrystalline silicon substrate. The invention is applicable in micromechanics, microelectronics and sensor technology, in particular for pie * oresistive miniature pressure transducers for biomedical applications.

Charjk»eristik der bekannten technischen LösungenCharjk »eristik of the known technical solutions

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).The production of three-dimensional micromechanical structures in monocrystalline silicon substrates, in particular the production of right-handed membranes by means of anisotropic wet-chemical etching processes, is known and has found wide application in the art. I'KE Peterson: Silicon as a Mechanical Material. Proceedings of \\, e IEEE 70 [1982] 5, p.420-457). The main applications use (100j'oriented silicon wafers [DE 1.621.351].) An etch mask, ζ, for example, of silicon oxide or nitride, which has a rectangular opening, whose edges are oriented 110, is located on the dom silicon substrate. The wet-chemical etching process with sinamic anisotropic etchants, which is, for example, amine-containing (DE 1,963,665; EP 0,004,872; EP 0,009,677) or basic (DE 1,621,351; DE 1,806,225), produces silicon membranes , which are also (100) -oriented and have <110> -oriented misaligned edges. The laterally delimiting surfaces of the etch pit represent (111! -surfaces, those with the (100) -surfaces an angle of 54.7 ° For many applications, the part of the un-thinned silicon substrate around the thinned membrane serves as a chucking frame , where he the membr (protrudes and determined by its mechanical rigidity, the mechanical stability of the membrane and the influence of external disturbance forces or moments on the membrane. The size of the Einspannrahmens is limited by several factors, such. As the realization of a certain number of chips on a disc or the requirement of a certain degree of miniaturization of the structures, as occurs for example in biomedicine. The rigidity of the clamping frame or the rigidity of the webs, which hold the membrane directly, is decisively influenced by the stability of the clamping frame in the region of the corner points of the membrane. * 2 additional stabilization of these areas is usually not possible. Only measures are known which counteract a further loss of yield in these areas, in particular by undercutting of convex corners (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).However, high mechanical stability is required above all in sensor technology in order to achieve a drift-poor and long-term stable transmission behavior of micromethanic sensors, eg. B. Biomedical pressure transducer (see, for example, M. Esashi et al., Fabrication of Catheter-Tip and Sidwall Miniature Prossure Sensors, IEEE Transactions on Electron Devices ED-29 [1982] 1, pp. 57-63) to secure. Even after installation and obstruction, external interference that acts on the thin membrane via the clamping frame must not exceed a permissible limit value. For example, due to insufficient stability of miniaturized chips with very small and narrow membranes, elaborate design measures for reducing external mechanical disturbances are necessary (for example DD 216.467).

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung ist es, den Einfluß äußerer Störkräfte oder -momente über den Einspannrahmen auf die Membran zu reduzieren.The object of the invention is to reduce the influence of external disturbing forces or moments on the clamping frame on the membrane.

Wesen der ErfindungEssence of the invention

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,The object of the invention is to provide a method for producing (100) and <110> -oriented, narrow rectangular silicon membranes whose silicon clamping frame has increased rigidity. According to the invention, this object is achieved by

— 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,- In that on the (100) -oriented silicon substrate, an etching mask is applied, which has a Hauptätzmaskenöffnung with the following described shape and <110> and <100> -oriented mask edges and one or more side openings each having at least one <110> -oriented mask edge .

— daß daü Substrat in einem naßchemischen Ätzprozeß einem anisotrop wirkenden Ätzmittel ausgesetzt wird,That the substrate is exposed to an anisotropic etchant in a wet-chemical etching process,

— 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,In that a main etching pit is formed by the anisotropic etchant in the region of the main etching mask opening, which has a (100) -oriented bottom surface and (100) -oriented side surfaces, and in the region of the secondary openings r ', self-etching pits each having at least one formed by the <110> mask edge (111!

— 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, undThat in the etching process, as a result of the large etching speed R i of the lateral (100) faces of the main etching pit, the (100) etch faces strike the side faces of the necene etching pits, so that the etch pits are connected to form a resulting etch pit, and

— 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.That the ÄUprozeß is aborted, after which the rectangular shape of the (100) -oriented bottom surface, which forms the membrane surface, has formed, but before the etch pit laterally delimiting (100) surfaces are completely removed. The shape of the etch mask results from local coverage of the shape of the etch mask opening for conventional rectangular (100) membrane with lateral (111! -Oriented areas of the etch pit, the dimensions of the etch mask opening being the size of the membrane to be fabricated, taking into account the etch depth The enlargement of the membrane, which is inclined by 54.7 ° (111), and the enlargement of the membrane by the ablation of the lateral (111) surfaces, corresponds to two equal-sized isosceles triangular areas of this rectangular area with <111> -oriented canton Areas in the corner are partitioned so as to form a main etch mask opening having <110> mask edges and two <100> mask edges meeting at right angles, thus intersecting the jewel's two <100> mask edges within the original rectangular area the covered pages d in the original rectangular shape, minor openings are made in the etching mask having four <110> edges, with a <110> edge on the line of conventional rectangular ropes and the center of the side of the original rectangular shape on the <110> Edge of the secondary opening is located and the right angles to <110> edges has a length of at least 1 / \ / 2 times the etch depth d <100 >. The side openings of the mask are within the original rectangular shape. During the anisotropic wet chemical etch process, etch pits are formed in the silicon substrate which penetrate the <110> etch mask edges of the main and auxiliary etch mask openings through (11) faces and the <100> etch mask edges of the main etch mask opening by perpendicularly to the top and bottom faces. The ί 111! -Faces are thereby removed at an etching rate R <) , 1 >, which is negligibly small compared to the etching rate R <100> surfaces of the (100) surfaces. As a result of the ground and side surfaces with (100) orientation removed at the same etching rate R <, oo>, the (100) etch fronts reach the etch pits of the secondary etch mask openings and strike the slow etching (111) faces at their <110> mask edges , which are only eroded with Rm, thus forming the four (111) surfaces delimiting the membrane, and the (100) follicles are further removed by the etchant until the rectangular shape of the bottom surface of the remitent etching group has developed In this case, two laterally delimiting surfaces can enclose a lateral delimiting (100) surface in such a way that they intersect all three surfaces exactly at the corner of the bottom surface, or that the two (111) surfaces have a common edge and only the (111) surfaces in the vertex of the bottom surface intersect, and in the region of the corners Damii will greet the etch pit by two (111) and one lOOl-oriented surfaces Thus, there is less material compared to the boundary of only two (111) faces in the corner. etched out of the silicon substrate, so that the Einspannrahrnen is stiffened in this area.

Für die Herstellung derÄtzmaske und für den anisotropen naßchemischen Ätzprozeß sind übliche halbleitertechnologische und mikromecruinische Schichtabscheidungs- und Strukturierungs- sowie Ätzverfahren anwendbar.For the preparation of the etching mask and for the anisotropic wet-chemical etching process, conventional semiconductor-technological and micromechanical layer deposition and structuring and etching processes are applicable.

-3- 272 737 Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei zeigen:-3- 272 737 Embodiment The invention will be described below with reference to exemplary embodiments. Showing:

Fig. 1 bis Fig. 5: Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung scimaler rechteckiger Siliziummembranen, die in Draufsicht dargestellt sind,FIGS. 1 to 5 show steps of the method according to the invention for producing scimal rectangular silicon membranes, which are shown in plan view,

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 DraufsichtFIGS. 6 to 8: FIGS. 1, 3 and 5 in a three-dimensional view, FIGS. 9 to 14: a rectangular membrane produced by the method according to the invention according to FIGS. 1 and 5 in plan view

sowie Schnittdarstellungen, eine während des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzte Ätzmaske mit charakteristischen Abmessungen,and sectional views, an etching mask with characteristic dimensions used during the method according to the invention,

Fig. 15: wichtige geometrische Abmaße der Ätzmaske und Ausgangs-und Endzustand der Hörstellung15 shows important geometric dimensions of the etching mask and the initial and final state of the listening position

Fig. 16 und 17: quadratischer Membranen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.16 and 17: square membranes with the method according to the invention.

Figur 1 zeigt ein (lOO)-orientiertes monokristallines Siliziumsubstrat 1, auf dem eine Ätzmaske 2 mit üblichen1 shows a (100) -oriented monocrystalline silicon substrate 1, on which an etching mask 2 with conventional

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.Semiconductor technology and micromechanical process was generated. The etching mask 2 may for example consist of silicon oxide, nitride, of a metal or doped silicon. It has a Hauptätzmaskenöffnung 3 and a secondary opening 4. The shape of the etching mask results from the Ätmasmaskenform 5, dio conventionally for the production of (1 CO) -oriented membranes with <110> membrane edges and the etch pit laterally delimiting (111! -Flächen used becomes.

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.This Ätzmaskenform 5 results from the size of the membrane being produced plus the substrate broadening due to be realized etching depth d <1O o> Oei 54.7 ° inclined (111 -oriented faces derÄtzgrube and considering the almost negligible kloinen etch rate of the (111 (! - From this originally rectangular shape 5, two isosceles triangular parts 6 and 7 are additionally masked in the region of the corners in such a way that <100> -oriented mask edges 9 are formed to the existing <110> oriented mask edges 8 of the main etch mask opening. Further, in the thus masked area 6 and 7, a sub-etching mask opening 4 is made to have four <110> mask edges, of which a <110> -oriented mask edge is in the middle of the narrow one Page 10 of the original rectangular shape 5 with the narrow side 10 even higher and that the <110> edges lying at right angles thereto have a length of at least 1/2 times the etching depth d < 1 oo>, and that this opening 4 lies within the originally rectangular shape 5. Preferably, small square or rectangular minor openings 4 with four <110> -oriented mask edges are used. The arrangement of Figure 1 is shown spatially in Figure 6.

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 17The substrate 1 processed in accordance with FIG. 1 is subsequently exposed to an anisotropic etchant in a wet-chemical etching process. Such etchants may be, for example, basic aqueous solutions of potassium or sodium hydroxide or amine-containing mixtures of hydrazine and water or ethylenediamine, catechol and water. All anisotropically acting etchants wear (100) -oriented silicon surfaces with a large etching speed R <ioo> and (111) -oriented surfaces with a small etching speed R <in> <ä R <ioo>. In all representations of FIGS. 2 to 5, 7 to 15 and 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.the etching rate R <, n> is neglected because of its very small size. For better clarity, the etching mask 2 has been omitted from FIGS. 2 to 5, 7, 8 and 17 in FIGS.

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 .As a result of the action of the etchant, a main etching pit 11 in the region of the main etching mask opening 3 and a secondary etching pit 12 in the region of the auxiliary opening 4 are produced in the silicon substrate. The Hauptätzgrube in this case has a (100) bottom surface 13 and (111) side walls 15, which are inclined to the (100) plane 125.3 °, and (100) side walls 14, which is perpendicular both to.

(1 OO)-Fläche als auch aufeinander stehen, auf. Die Nebenätzgruben 12 weist vier (111 !-Seitenflächen 15 auf, so daß ein anisotroper Ätzstopp auftritt.(1 OO) surface as well as on each other, up. The auxiliary etching pits 12 have four (111! Side faces 15, so that an anisotropic etching stop occurs.

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).In the further course of the etching process with further removal of the side of the main etching pit bounding (100) surfaces 14, these (1001 surfaces 145 abut the auxiliary etching pit 12, so that a common etching pit 16 is formed (Figures 3 and 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.Due to the (111 (-oriented surface of the secondary etching pit 12, which represents a slow axis surface, a continuation of the etching in the <011> direction is no longer possible.) The (111! -Face thus increases in the further etching process, just as the (111) Surfaces 13 of the main etching pit 11, while the perpendicular to the (100) -Bodsnfläche 14 standing (100) -side surfaces 14 decrease.

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).According to FIGS. 4 and 5, as a result of the further removal of the (100) side faces 14 of the etching pit 16, the rectangular shape of the bottom face 13 is formed. For this purpose, the laterally delimiting (111) surfaces 15 and 17 may punctiformly collide with the bottom surface 13 and the (100) side surface 14 (FIG. 4), or later in the etching process the (111) surfaces 15 and 17 form a common edge 18 so that the (100) side surface 14 is separated from the (100) bottom surface 13 (Figures 5 and 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.Because the corner region 19 is bounded by lateral (100) -oriented surfaces 14, which is perpendicular to the bottom surface 13, and that therefore less material of the silicon substrate 1 has been etched out, the clamping frame 20 is substantially stiffer compared to the variants in which Corner area exclusively inclined surfaces, eg. B. (111 (surfaces) occur.

Fig. 9 zeigt Fig. 5 unter Berücksichtigung der Ätzmaske 2, Fig. 10 bis 14 zeigen zur besseren Veranschaulichung verschiedene Schnittdarstellungen durch Fig.9.Fig. 9 shows Fig. 5 taking into account the etching mask 2, Fig. 10 to 14 show for better illustration different sectional views through Fig.9.

Nachdem sind die rechteckige Bodenfläche 13 gemäß Fig.4 und 5 herausgebildet hat, wird der Ätzvorgang abgebrochen.After the rectangular bottom surface 13 according to Figures 4 and 5 has emerged, the etching process is stopped.

Anschließend kann die Ätzmaske entfernt werden.Subsequently, the etching mask can be removed.

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.Figure 15 shows important geometric dimensions of the etching mask 2, in particular the triangular areas 6 and 7 in the corner of the membrane to be created, described by the bottom surface 13. The distances d <m> correspond to the distance, with the (100) surfaces 13 and 14 were removed in the etching time by the etching rate R <ioo>.

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 19Fig. 15 shows the case that the depth of the etching pit 16 is limited by no etching stop mechanisms. In the case of limiting the vertical etch depth by etch stop mechanisms, in Fig. 15b and c, the value for d < ) O o> is to be replaced by the etch depth. According to FIG. 15, the criterion is the stiffening of the corner area 19

a = \/2ea = \ / 2e

bzw. damitor with it

V2 < -j-^— < 2 V2.V2 <-j - ^ - <2 V2.

Für die Ätzmaskenuffnung 3 gelten folgende Beziehungen d<ioo>The following relationships d <ioo> apply to the etching mask recess 3

Δ/ undΔ / and

tan 54,7°tan 54.7 °

2d<100> = tan 54,7°. 2d <100> = tan 54.7 °.

f-bf-b

Weiterhin ist erfindungsgemäß c s d<100.-/\/2.Furthermore, according to the invention csd <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.FIG. 16 shows the possibility of applying the method according to the invention to the production of small square-shaped membranes as shown in FIG. The manufacturing steps correspond to those of FIGS. 1 to 5, only distinguished by the fact that a small square Hauptätzmaskenöffnung 3 with <1 OO-oriented edges is required and find four Nachätzmaskenöffnungen 4 according to the square membrane shape.

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 gekennzeichnetA process for producing a narrow (100) -oriented rectangular monocrystalline silicon membrane with <110> -oriented membrane edges carried by a thick monocrystalline clamping frame having stiffeners around the corners of the membrane, characterized — 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,An etching mask is applied on the (100) -oriented silicon substrate, which comprises a main etching mask opening with <110> etching mask edges and pairwise mutually perpendicular <110> etching mask edges, and which also contains secondary etching mask openings having four (110) etching mask edges wherein the secondary etching mask openings are in the direction of the intersection of two <100> etching mask edges of the main etching mask openings and the <110> edges lying radially to this point of intersection have a length of at least 1/2 times the etching depth, — daß das Substrat in einem naßchemischen Ätzprozeß einem anisotrop wirkenden Ätzmittel ausgesetzt wird,That the substrate is exposed to an anisotropically acting etchant in a wet-chemical etching process, — 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,That a main etching pit is formed by the anisotropic etching agent in the region of the main etching mask opening, which has a (100) -oriented bottom surface and (111) and (100) -oriented side surfaces, and that in the region of the secondary opening auxiliary etching pits each having at least one of the <110> mask edges are formed on certain (111) side surfaces, — daß im Ätzprozeß die Ätzfronten der(100)-Seitenflächen der Hauptätzgrube auf die Seitenflächen der Nebenätzgruben treffen, so daß eine gemeinsame Ätzgrube entsteht und- That in the etching process, the etching fronts of the (100) side surfaces of the main etching pit meet the side surfaces of the Nebenätzgruben, so that a common etching pit is formed and — 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- That the etching process is stopped, after which the rectangular shape of the (100) -oriented bottom surface has formed, but before the etching pit laterally delimiting (100) surfaces are completely removed 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätztiefe der Membrangrube durch einen Ätzstoppmechanismus festgelegt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the etch depth of the membrane pit is determined by an etch stop mechanism. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an den Ätzprozeß die Ätzmaskierung entfernt wird.3. The method according to claim 1, characterized in that following the etching process, the Ätzmaskierung is removed. 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.4. The method according to claim 1, characterized in that the Hauptätzmaskenöffnung has a square shape with <100> edges and in square symmetry in each of the four <110> directions are the Nachätzmaskenöffnungen in the etching mask.
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