DE10055872B4

DE10055872B4 - Verfahren zur Herstellung einer porösen Struktur für ein Sieb oder einen Filter und poröse Struktur für ein Sieb oder einen Filter

Info

Publication number: DE10055872B4
Application number: DE2000155872
Authority: DE
Inventors: Hubert Dr. Benzel; Heribert Weber; Frank Dr. Schaefer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2020-11-11
Also published as: DE10055872A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer porösen Struktur für ein Sieb oder einen Filter, wobei ein Siliziumsubstrat (1) einer Anodisierung unterzogen wird, bei der sich eine poröse Siliziumschicht (2) bildet, wobei das Substrat anodisiert wird, bis sich eine poröse Siliziumschicht (2) mit vorgegebener Dicke gebildet hat, wobei danach die Anodisierungsbedingungen geändert werden, so dass unterhalb der Schicht (2) das Siliziumsubstrat (1) geätzt wird, wobei bei der Ätzung des Siliziumsubstrats (1) unterhalb der porösen Schicht (2) ein Hohlraum entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche der porösen Siliziumschicht (2) mit einer Deckelschicht (23) versehen werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren bzw. einer Struktur nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Es sind bereits poröse Kunststoffmembranen bekannt, die für Filterstrukturen bzw. Siebe eingesetzt werden. Diese Kunststoffmembranen weisen nur eine geringe Temperaturbeständigkeit auf und sind nicht für jedes Medium geeignet. Keramische Filter sind demgegenüber für hohe Temperaturen geeignet und sehr beständig gegenüber den meisten Medien. Keramische Filter sind jedoch relativ teuer in der Herstellung.

Aus der WO 99/45583 A1 geht ein Verfahren zum elektrochemischen Ätzen eines Halbleitermaterials hervor; wobei durch alternierendes Anlegen verschiedener Stromdichten eine spezielle Halbleiterstruktur erhalten wird, die poröse Schichten und Hohlräume aufweist.

Aus der DE 42 02 454 C1 geht ein Verfahren zur Herstellung eines perforierten Werkstückes hervor, bei dem durch elektrochemisches Ätzen Löcher senkrecht zur Oberfläche einer Substratscheibe gebildet werden. Beim Erreichen einer vorgegebenen Tiefe werden die Ätzparameter geändert, so dass durch Zusammenwachsen der Löcher am Boden der Löcher das perforierte Werkstück von der Substratscheibe abgelöst wird.

Die WO 9905344 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Filters, wobei feine Löcher in einem Halbleitermaterial hergestellt werden.

Die DE 43 10 205 C1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer mikroporösen Siliziumstruktur, bei der die Poren bereichsweise mit einer Maskenschicht oder einer Polysiliziumschicht abgedeckt oder verschlossen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die poröse Struktur mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben den Vorteil, dass sehr kostengünstig mikroporöse Strukturen für Siebe oder Filter geschaffen werden, die aus Silizium bestehen. Aufgrund des Materials sind diese Strukturen für Temperaturen bis 1000°C verwendbar. Die Dicke kann flexibel gewählt werden. Der Herstellungsprozeß ist besonders günstig. Weiterhin ist Silizium gegen viele Materialien resistent. Durch die erfindungsgemäß Verwendung von Deckelschichten können Bereiche geschaffen werden, in denen eine seitliche Zuführung oder Abfluss eines Mediums erreicht wird.

Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Besonders einfach erfolgt das Anodisieren durch Eintauchen in Flußsäure und Anlegen einer Spannung. Durch Beeinflussung der Flußsäurekonzentration, der Stromdichte und der Dotierung der Siliziumschicht können die Porengröße und die Häufigkeit der Poren beeinflusst werden. Besonders einfach kann die poröse Siliziumschicht durch Änderung der Anodisierungsbedingungen unterätzt werden, so dass sich diese Schichten leicht von dem darunterliegenden Substrat ablösen lassen. Dieser Prozess kann mehrfach nacheinander ausgelöst werden, so dass sich mehrere übereinander angeordnete poröse Siliziumschichten bilden. Durch Maskierung einzelner Bereiche kann dort die Anodisierung verhindert werden, so dass Bereiche entstehen, mit denen die porösen Siliziumschichten noch mit dem Substrat verbunden sind. Diese Verbindungsbereiche können zweckmäßigerweise im Randbereich aber auch im Mittelbereich eines Siliziumsubstrats angeordnet werden. Sofern eine Ablösung der porösen Schicht vom Substrat gewünscht ist, so kann dies auch mechanisch erfolgen.

In den Zeichnungen werden Beispiele und Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die 1 bis 3 ein erstes Verfahren zur Herstellung einer porösen Struktur, 4 und 5 ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer porösen Struktur, 6 und 7 ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren und die 8 bis 10 jeweils weitere Ausführungsformen der porösen Struktur.
Beschreibung
In der 1 wird ein Querschnitt durch ein Siliziumsubstrat 1 gezeigt, auf dessen Oberseite eine poröse Siliziumschicht 2 erzeugt wurde. Diese poröse Siliziumschicht wurde durch Anodisieren des Siliziumsubstrats 1 erzeugt, d.h. bei der Schicht 2 handelt es sich um entsprechend umgewandeltes, d.h. anodisiertes einkristallines Silizium des Siliziumsubstrats 1. Für die Anodisierung wird das Siliziumsubstrat 1 in eine wässrige Flußsäurelösung getaucht, und es wird eine elektrische Spannung zwischen dem Substrat 1 und einer Elektrode angelegt oder eine Spannung wird zwischen zwei Elektroden angelegt, zwischen denen sich das Substrat befindet.
Bei richtiger Wahl der Prozeßbedingungen, d.h. der Konzentration der Flußsäurelösung, der Stromdichte und des Materials des Siliziums bildet sich bei diesem Anodisierungsprozeß eine mikroporöse Siliziumschicht auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 aus, die mit fortlaufender Zeitdauer des Anodisierungsprozesses in die Tiefe des Siliziumsubstrats 1 hereinwächst. Durch die Länge des Anodisierungsprozesses kann somit die Dicke der porösen Siliziumschicht 2 kontrolliert werden. Dabei kann in Abhängigkeit von den Anodisierungsbedingungen die Dichte der Poren und auch die Größe der Poren kontrolliert werden. Es lassen sich so Poren mit Größen zwischen 2 nm bis ca. 1μm durch Umwandlung des einkristallinen Siliziumsubstrats 1 erzeugen.
Weiterhin gibt es einen Bereich der Anodisierungsbedingungen, bei denen das Silizium vollständig aufgelöst wird (Elektropolitur). Der Prozeß kann auch sc geführt werden, dass sich zunächst eine poröse Schicht nit definierter Porendichte und -größe herausbildet und dann nach einer Änderung der Anodisierungsbedingungen unterhalb der bereits gebildeten Schicht das Siliziumsubstrat 1 aufgelöst wird. Das Ergebnis einer solchen bereits aus der DE 42 02 454 C1 bekannten Prozeßfolge wird in der 2 gezeigt.
In der 2 wird ein Querschnitt durch ein Siliziumsubstrat 1 und eine durch Umwandlung des Siliziumsubstrats 1 mittels Anodisierung poröse Siliziumschicht 2 gezeigt. Zwischen dem Siliziumsubstrat 1 und der porösen Siliziumschicht 2 ist ein Hohlraum 3 angeordnet, der dadurch gebildet wurde, dass nach der Erzeugung der porösen Siliziumschicht 2 durch Veränderung der Anodisierungsbedingungen das Siliziumsubstrat 3 unterhalb der Schicht 2 aufgelöst wurde.
Dieser Wechsel der Anodisierungsbedingungen kann auch mehrfach hintereinander erfolgen. Das Ergebnis wird in der 3 in einem Querschnitt durch ein Siliziumsubstrat gezeigt, nach einem dreimaligen Wechsel der Anodisierungsbedingungen von poröser Anodisierung zu Elektropolitur. Wie im Querschnitt der 3 zu erkennen ist, sind so drei poröse Siliziumschichten 2 gebildet, die jeweils untereinander bzw. zum Substrat hin einen Hohlraum 3 aufweisen. Die vorstehende Vorgehensweise ist in der WO 99/45583 A1 offenbart.
Bei dem in der 3 gezeigten Verfahren ist es nicht erforderlich, dass jede der porösen Siliziumschichten 2 die gleiche Porösität aufweist. Es ist beispielsweise möglich, dass die oberste Schicht 2 relativ große Poren und die unterste Schicht sehr feine Poren aufweist. Dies kann durch entsprechende Wahl der Anodisierungsbedingungen realisiert werden.
Wenn die Schichten 2 jeweils in der Größenordnung von einigen 10μm sind, so verhält sich das Material nicht spröde, sondern ist ausgesprochen flexibel und kann also ähnlich wie eine dünne Folie gehandhabt werden. Die maximale seitliche Ausdehnung dieser porösen Siliziumfolien hängt einzig und allein von der Größe der Siliziumsubstrate ab. Zur Zeit sind Substrate bis zu einem Durchmesser von 30 cm erhältlich.
Sofern nur die Herstellung von mikroporösen Siliziumschichten 2 gewünscht ist, können ausgehend von einem Siliziumsubstrat 1 sukzessive nacheinander mehrere Siliziumschichten 2 in der Dicke von einigen μm oder einigen 10 μm erzeugt werden. Um für die Erzeugung jeder neuen porösen Siliziumschicht 2 jeweils eine ideale Ausgangsoberfläche zu schaffen, kann vorgesehen werden, nach dem Ablösen der porösen Siliziumschicht 2 einen chemisch mechanischen Politurprozeß vorzusehen, durch den wieder eine hochwertige glatte Oberfläche auf dem Siliziumsubstrat hergestellt wird.
Die in den 1 bis 3 gezeigten Prozesse sind geeignet, um freie, d.h. vollständig vom Substrat abgelöste, poröse Siliziumschichten 2 zu erzeugen. In den 4 und 5 wird ein weiteres Verfahren gezeigt, welches zu porösen Siliziumschichten 2 führt, die immer noch mit dem Substrat verbunden sind.
In der 4 wird ein Querschnitt durch ein Siliziumsubstrat 1 gezeigt, bei dem durch einen Anodisierungsschritt, wie er bereits zu 1 erläutert wurde, auf der Oberfläche eine poröse Siliziumschicht 2 gebildet wird. Im Unterschied zu 1 sind jedoch oberflächliche Verbindungsbereiche 4 des Substrats mit einer Maskierschicht 5 bedeckt. Bei dieser Maskierschicht 5 handelt es sich um ein Material, welches nicht anodisiert wird, beispielsweise einen Fotolack, Metall oder Siliziumnitrid. Unterhalb der Maskierungsschichten 5 wird das Siliziumsubstrat 1 in den Verbindungsbereichen 4 nicht anodisiert, so dass sich in diesen Bereichen auch keine poröse Siliziumschicht 2 ausbildet. Da jedoch die poröse Siliziumschicht 2 in lateraler Richtung immer noch mit den Verbindungsbereichen 4 verbunden ist, wird die poröse Siliziumschicht 2 auch nach einer Entfernung des Siliziumsubstrats 1 unterhalb der porösen Schicht 2 von den Verbindungsbereichen 4 gehalten. Dieser Zustand wird in der 5 gezeigt. Ausgehend von der 4 erfolgt wieder ein Anodisierungsschritt, bei dem das Siliziumsubstrat 7. gelöst wird, so dass sich unterhalb der Siliziumschicht 2 ein Hohlraum 3 bildet. Die 5 entspricht somit der 2, mit dem Unterschied, dass die poröse Siliziumschicht 2 noch mit den Verbindungsbereichen 4 des Siliziumsubstrats 1 verbunden ist. Es wird so eine poröse Siliziumschicht 2 geschaffen, die in einem gewissen Abstand, der durch den Hohlraum 3 definiert wird über dem Siliziumsubstrat 1 gehalten wird. Ausgehend von der 5 können dann unterschiedliche Weiterverarbeitungen erfolgen, beispielsweise können weitere Öffnungen oder dergleichen. in das Substrat 1 eingebracht werden. Weiterhin sind die porösen Siliziumschichten so leicht handhabbar und können durch mechanische Mittel von dem Träger getrennt werden.
In den 6 und 7 wird ein Beispiel für eine derartige Struktur gegeben, bei der eine poröse Siliziumschicht 2 von Verbindungsbereichen 4 gehalten wird. In der 6 wird eine Aufsicht auf ein Siliziumsubstrat 1 gezeigt, wobei durch eine entsprechende Maskierung und einen Anodisierungsprozeß in der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 ein ellipsenförmiger Bereich 21 und ein länglicher Bereich 22 einer porösen Siliziumschicht gebildet sind. In der 7 wird ein Querschnitt durch das Substrat 1 nach der 6 entlang der Linie VII-VII gezeigt. Wie zu erkennen ist, ist unterhalb der porösen Siliziumschicht 21 und 22 ein Hohlraum 3 durch einen entsprechenden Anodisierungsprozeß geschaffen worden. Die poröse Siliziumschicht 21 und 22 sind rundherum durch einen Verbindungsbereich 4 gehalten. Wie in der Aufsicht auf die 5 bzw. im Querschnitt der 6 zu erkennen ist, ist die poröse Siliziumschicht in ihrem länglichen Bereich 22 gemäß der Erfindung mit einem Deckel 23 nach oben hin abgedeckt. Durch den Deckel 23 und den unter der porösen Siliziumschicht 22 angeordneten Hohlraum 3 wird somit eine seitliche Medienzuführung gebildet, durch die seitlich ein Medium zugeführt oder abgeführt werden kann. Die Struktur nach den 6 und 7 kann beispielsweise als Filterstruktur verwendet werden, wobei der Medienzu- oder -abfluß seitlich erfolgt. Der Deckel 23 kann alternativ durch Aufbringen eines Plättchens oder durch Abscheiden einer Schicht erzeugt werden. Das Aufbringen eines Plättchens 23 kann beispielsweise durch Kleben, Löten oder anodisches Bonden erfolgen. Alternativ können auch Schichten, beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Phosphorsilikatschichten abgeschieden werden, durch die eine Abdeckung 23 realisiert wird.
In den Figuren 8 bis 10 werden weitere Ausführungen der Struktur gezeigt, wobei bei all diesen Strukturen aus der vollen Dicke des Siliziumsubstrats 1 eine Rahmenstruktur 31 geschaffen wird, die die poröse Siliziumschicht 2 trägt. In der 8 wird ein Querschnitt durch ein Siliziumsubstrat 1 gezeigt, bei der ein Rahmenbereich 31 mit einer Maskierschicht 5 bedeckt war und bei der der Anodisierungsprozeß solange durchgeführt wurde, bis sich die poröse Siliziumschicht 2 von der Oberseite bis zur Unterseite des Substrats 1 erstreckt. Durch die Maskierung 5 wird so ein Rahmenbereich 31 geschaffen, der die poröse Siliziumschicht 2 trägt. In der 9 wird eine ähnliche Struktur wie in der 8 gezeigt mit dem Unterschied, dass nachdem eine Siliziumschicht 2 erzeugt wurde, das restliche darunterliegende Material des Siliziumwafers 1 mit einem entsprechenden Ätzprozeß entfernt wurde. Es wird so eine Rahmenstruktur 31 geschaffen, die an ihrer Oberseite eine poröse Siliziumschicht 2 trägt, die in ihrer Dicke geringer ist als das Siliziumsubstrat 1.
In der 10 wird ein weiteres Beispiel gezeigt, bei dem ein Rahmen 31 in etwa in der Mitte eine poröse Siliziumschicht 2 trägt, die in ihrer Dicke geringer ist als das Siliziumsubstrat 1. Die Struktur nach der 10 kann dadurch gebildet werden, dass zunächst in die Ober- und Unterseite des Siliziumsubstrats Ausnehmungen eingeätzt werden, wobei dies auch mit anderen Ätzprozessen erfolgen kann als dem Anodisieren in Flußsäure. Beispielsweise können alkalische Ätzprozesse verwendet werden, die zu anisotropen Ätzungen von Siliziumwafern führen. Danach erfolgt dann die Anodisierung der in der Mitte des ursprünglichen Siliziumsubstrats 1 verbliebenen Schicht, um so die poröse Siliziumschicht 2 zu bilden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer porösen Struktur für ein Sieb oder einen Filter, wobei ein Siliziumsubstrat (1) einer Anodisierung unterzogen wird, bei der sich eine poröse Siliziumschicht (2) bildet, wobei das Substrat anodisiert wird, bis sich eine poröse Siliziumschicht (2) mit vorgegebener Dicke gebildet hat, wobei danach die Anodisierungsbedingungen geändert werden, so dass unterhalb der Schicht (2) das Siliziumsubstrat (1) geätzt wird, wobei bei der Ätzung des Siliziumsubstrats (1) unterhalb der porösen Schicht (2) ein Hohlraum entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche der porösen Siliziumschicht (2) mit einer Deckelschicht (23) versehen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Anodisierung des Siliziumsubstrat in eine wässerige Flußsäurelösung getaucht wird und eine Spannung zwischen dem Siliziumsubstrat und einer Elektrode oder zwischen zwei Elektroden, zwischen denen sich das Siliziumsubstrat befindet, angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Porendichte und -größe durch die Konzentration der Flußsäure, die Stromdichte und die Dotierung des Siliziummaterials bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) vor der Anodisierung mit einer strukturierten Maskierung (5) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierung (5) in einem Randbereich des Substrats (1) vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maskierung (5) in einem Mittelbereich des Siliziumsubstrats (1) vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Siliziumschicht (2) mechanisch vom Substrat (1) getrennt wird.
Poröse Struktur für ein Filter oder ein Sieb, wobei die Struktur eine poröse Siliziumschicht (2) aufweist, wobei die poröse Siliziumschicht (2) mit einem Siliziumsubstrat (1) verbunden ist, wobei zwischen der porösen Siliziumschicht (2) und dem Substrat (1) ein Hohlraum (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der porösen Siliziumschicht (2) mit einem Deckel (23) bedeckt sind.
Poröse Struktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Siliziumschicht (2) von einem Rahmen aus Silizium (31) gehalten wird.