DE10154361A1

DE10154361A1 - Verfahren zum Durchführen eines Rapid-Prototyping-Prozesses zur Herstellung von Mikrostrukturen

Info

Publication number: DE10154361A1
Application number: DE10154361A
Authority: DE
Inventors: Peter Woias
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2001-11-06
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2003-05-15

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen und insbesondere auf ein Verfahren zum Durchführen eines Rapid-Prototyping-Prozesses in der Mikrotechnik. Um ein Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen anzugeben, das eine Beschleunigung des Herstellungsprozesses mikrotechnischer Bauelemente bei gleichzeitiger Beibehaltung aller relevanter Funktionseigenschaften eines entsprechenden mikrotechnischen Serienteils gewährleistet, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte: DOLLAR A (a) Aufbringen einer ätzresistenten Beschichtung auf ein Substrat, DOLLAR A (b) selektives Abtragen der ätzresistenten Beschichtung mittels Laserstrahlung, wodurch mindestens ein offengelegter Bereich erzeugt wird, DOLLAR A (c) Ätzen des in Schritt (b) offengelegten Bereichs.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen und insbesondere auf ein Verfahren zum Durchführen eines Rapid-Prototyping-Prozesses in der Mikrotechnik.
Rapid-Prototyping- und Rapid-Tooling-Verfahren bilden seit geraumer Zeit wesentliche und sehr effiziente Verfahren zur schnellen Herstellung von Prototypen und Werkzeugen. Diese Technik wird heute vielfach standardmäßig im Konstruktionsprozess eingesetzt: Sie zielt darauf ab, die beim Design erzeugte CAD-Beschreibung (CAD = "Computeraided-Design") einer Komponente direkt und schnell in ein reales Teil umzusetzen. Beim verwandten Rapid-Tooling-Verfahren wird nicht das Teil selbst, sondern ein Werkzeug, das zu seiner Herstellung erforderlich ist (z. B. eine Pressform), möglichst schnell und effizient hergestellt.
Der wesentliche Wert der o. g. Verfahren besteht darin, dass bereits in einer frühen Phase des Konstruktionsprozesses und am realen Objekt, dem Prototypen, Aussagen über die spätere Funktion und die Design-Eigenschaften eines Produktes gewonnen werden können. Dies erfolgt unter Umgehung des üblichen Herstellungsprozesses, d. h. Investitionen in Fertigungsanlagen sowie der Aufwand einer Fertigungsüberführung treten nicht auf. Die Verfahren sind zudem CAD-kompatibel, d. h. die im Konstruktionsprozess ohnehin generierten CAD-Daten können ohne großen Aufwand verwendet werden.
Bezüglich der Verwendung unterscheidet man zwischen Gestaltungs-Prototypen und funktionellen Prototypen. Gestaltungs-Prototypen werden zur Darstellung der Haptik eines Objektes (z. B. für Design-Studien, Untersuchungen zur Farbwahl, Ergonomie, etc.) benötigt. Funktionelle Prototypen werden für reale Testuntersuchungen eingesetzt und müssen, im Unterschied zum Gestaltungs-Prototypen in wesentlichen funktionellen Eigenschaften (z. B. mechanische Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, etc.) dem späteren Endprodukt möglichst weitgehend gleichen.
In der konventionellen Technik ist eine Vielzahl von verschiedenen Rapid-Prototyping- und Rapid-Tooling-Verfahren im Einsatz. Man unterscheidet z. B.

- Stereolithographie,
- Lasersintern,
- dreidimensionales Drucken,
- laminated-object-manufacturing,
- mechanische Bearbeitung.

Die oben genannten konventionellen Techniken des Rapid-Prototyping und Rapid- Tooling sind jedoch aus verschiedenen Gründen nur äußerst begrenzt für die Herstellung von Mikrostrukturen, insbesondere für gebräuchliche Materialiender Mikrotechnik, wie Silizium oder Glas, verwendbar:

Begrenzte Auflösung

Das derzeit beste Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen, die Stereolithographie, erreicht Auflösungen von minimal etwa 10 µm. Da die Herstellung der Strukturen überwiegend additiv erfolgt, resultieren bei allen genannten Verfahren sehr lange Prozesszeiten (bis zu 24 Stunden und mehr), um einzelne Mikrostrukturen zu erzeugen.

Inkompatibilität der Materialien

Mikrostrukturen werden häufig aus Silizium, das als einkristalliner Wafer vorliegt, oder Glas hergestellt. Diese Materialien können durch keines der genannten Verfahren, weder direkt noch in einem Umformprozess, bearbeitet werden. Die funktionellen Eigenschaften von Mikrokomponenten sind zudem unmittelbar und in hohem Maße mit Materialeigenschaften verbunden, die der Prototyp hier bis in die Mikro- bis Nanodimension (z. B. Kristallstruktur) abbilden muss. Da bereits die üblichen Ausgangswerkstoffe für verschiedenste Mikrokomponenten nicht prozessierbar sind, können zwar u. U. Gestaltungsprototypen, aber keinesfalls funktionelle Prototypen hergestellt werden. Durch die verwendeten Materialien (Photoresist, Pulverwerkstoffe) sind die realisierten Bauteile z. T. äußerst fragil.

Inkompatibilität des Aufbauprozesses

Alle o. g. Verfahren arbeiten, mit Ausnahme der mechanischen Bearbeitung, additiv. Die Herstellung von Mikrostrukturen geschieht dagegen häufig subtraktiv, d. h. ausgehend von einem Rohmaterial, z. B. einem Siliziumwafer, wird die Struktur durch gezieltes Entfernen von Material herausgebildet.
Da die obigen konventionellen Verfahren, wie erläutert, nicht kompatibel zur Bearbeitung planarer Substrate aus Silizium oder Glas sind, ist ein Rapid-Prototyping auf Waferlevel hierbei nicht denkbar. Das bedeutet, dass Mikrostrukturen gegenwärtig ausschließlich mit den herkömmlichen, auch für die Serienfertigung eingesetzten, Verfahren hergestellt werden. Diese herkömmlichen Verfahren der Mikrostrukturierung sollen im folgenden näher beschrieben werden.

Ein- und mehrstufige Mikrostrukturierung auf photolithographischer Basis

Die konventionelle Herstellung von mikrotechnischen Bauelementen erfolgt häufig auf der Basis von Wafern aus Silizium oder Glas, die einseitig oder von beiden Seiten durch Ätzprozesse strukturiert werden. Zur Übertragung einer Struktur in das Ausgangsmaterial wird in der Regel ein photolithographisches Verfahren eingesetzt, wie es in den Fig. 19 bis 26 schematisch dargestellt ist. Je nach verwendetem Ätzprozess wird bei Bedarf zunächst auf den Waferoberflächen eine dünne ätzresistente Schicht 102 als Ätzmaske erzeugt. Auf der Ätzmaske wird eine dünne geschlossene Schicht aus photosensitivem Material (üblicherweise ein Photolack 104) erzeugt. Der Photolack 104 wird, z. B. mittels UV-Strahlung 107, durch eine Photomaske 106 hindurch belichtet, die ein Positiv- oder Negativabbild der später gewünschten Struktur trägt. Dadurch entsteht in den belichteten Bereichen eine chemische Veränderung des Photolackes 104 (je nach Lacksystem eine chemische Vernetzung bzw. Dekomposition), die in einem nachfolgenden nasschemischen Entwicklungsprozess die partielle Entfernung der Lackschicht vom Substrat 100 ermöglicht. In weiteren nass- oder trockenchemischen Ätzprozessen wird die Struktur der Lackschicht in die Ätzmaske 102 übertragen. Die Photolackschicht 104 wird nachfolgend entfernt. Anschließend erfolgt der eigentliche Strukturierungsprozess des Substrates 100 mit Hilfe eines geeigneten weiteren nass- oder trockenchemischen Ätzprozesses. Dabei kann es durchaus auch der Fall sein, dass der Photolack 104 selbst als Ätzmaske zur Durchführung des Substrat-Strukturierungsprozesses dienen kann. In diesem Fall ist die Herstellung und Strukturierung einer separaten Ätzmaske 102 nicht erforderlich. Abschließend wird die Ätzmaske 102 von der Substratoberfläche entfernt.
In der Mikrotechnik sind verschiedentlich Ätzprozesse erforderlich, die eine Strukturierung in mehreren Tiefenebenen eines Wafers durchführen. Dies erfordert prinzipiell eine sequentielle Anwendung von Maskierungs- und Ätzprozessen. Das Problem bei konventionellen photolithographischen Verfahren besteht nun darin, dass nach der Ausführung der ersten Ätzung unter Umständen keine hinreichend plane Substratoberfläche mehr vorliegt. Dadurch kann keine homogene Beschichtung mit Photoresist mehr erzielt werden. Desgleichen ist keine maskenbasierte Belichtung mehr möglich, da durch den Abstand zwischen Photomaske und tiefengeätzter Stufe Unterstrahlung auftritt.
Um diese Schwierigkeit zu umgehen, werden verschiedentlich photolithographische Mehrstufenprozesse durchgeführt, die auf ätzresistenten Masken mit Stufenprofil beruhen. Ein Beispiel ist in den Fig. 27 bis 33 dargestellt. Hierbei wird mit mehreren Photolithographieschritten zunächst in die ätzresistente Maske ein Stufenprofil eingebracht, das alle lateralen Abmessungen der späteren Stufen festlegt. Durch allmähliches Abätzen der Ätzmaske wird jede dieser Stufen sequentiell bis zum Substrat entfernt, worauf jeweils der zugehörige Tiefenätzprozess folgt.
Die beschriebenen Verfahren bilden die Basis von Standard-Herstellungsprozessen für Mikrostrukturen. Bei einer Anwendung für eine Herstellung von Prototypen entsteht jedoch keinerlei Zeitvorteil und die erforderliche zeitraubende und kostenintensive Herstellung von Photomasken ist insbesondere im Konstruktionsprozess hinderlich.
Bei der beschriebenen mehrstufigen Strukturierungstechnik ist darüber hinaus von Nachteil, dass die einzelnen Ätzprozesse nicht unabhängig voneinander sind, da früher hergestellte Stufen in allen nachfolgenden Ätzprozessen weiter abgesenkt werden. Zum anderen kann die Anzahl der möglichen Stufen aus technologischen Gründen nicht beliebig erhöht werden.

Mikrostrukturierung auf laserlithographischer Basis

In der Mikrotechnik und in der Leiterplattenfertigung werden Laserbelichtungsverfahren als Alternative zu photolithographischen Verfahren auf Maskenbasis eingesetzt.
Der Einsatz der Lasertechnik zielt bei diesem Verfahren lediglich auf die Substitution der Maskenlithographie durch einen schreibenden oder abbildenden Laserstrahl. Konventionelle Systeme belichten z. B. das gesamte Substrat durch ein zeilenweises Abrastern der gesamten Oberfläche mit einem fokussierten Laserstrahl. Alternative Systeme verwenden, analog zur Laserbearbeitung nach N. Rizvi, Micro Engineering Applications of Pulsed Lasers, Proc. of the Microengineering 99, 29.09.-01.10.1999, Stuttgart, pp. 161- 168, wiederum Photomasken, die mit Hilfe eines aufgefächerten Laserstrahles durch Projektion auf den Photolack abgebildet werden. Ein ähnliches Verfahren der Lasertechnik zur Strukturierung von Metallschichten ist in der US-Patentschrift 5,364,493 gezeigt.
Laserbelichtungsverfahren sind vollständig kompatibel zu gängigen mikrotechnischen Fertigungsverfahren, da sie lediglich einen Prozessschritt, die maskenbasierte Photolithographie, durch ein äquivalentes maskenloses Verfahren ersetzen. Direktschreibende Verfahren nach dem Stand der Technik haben jedoch den Nachteil, dass je nach Laserstrahldurchmesser, zu belichtender Fläche und Substratgröße sehr lange Belichtungszeiten entstehen können, wodurch der effektive Durchsatz des Verfahrens stark abnimmt. Maskenprojektionsverfahren bieten im Vergleich zum reinen Maskenverfahren nur eine geringfügig höhere Flexibilität, da je nach Struktur u. U. wiederum spezielle Masken gefertigt werden müssen.

Kombinierter Masken- und Laserbearbeitungsprozess

In M. Alavi et al. Fabrication of Microchannels by Laser Machining and Anisotropic Etching of Silicon, Proc. of the Eurosensors V Conference, 30.09.-02.10.1991, Rom, Italien, Seite 170, wird ein Verfahren zur Herstellung von Mikrokanälen beschrieben, das auf der kombinierten Anwendung konventioneller Maskentechnik und lokaler Laserbearbeitung beruht. Hierbei wird zunächst mit üblichen Verfahren der Photolithographie ein Fenster in einer dünnen Schicht aus ätzresistentem Material erzeugt, das die Abmessungen eines Mikrokanals an der Oberfläche eines monokristallinen Siliziumwafers festlegt. Anschließend wird im Bereich der Fensteröffnungen durch Laserbearbeitung die Kristallstruktur des Siliziumwafers in der Tiefe des Siliziummaterials gezielt zerstört. In einem anschließenden anisotropen Ätzprozess werden diese zerstörten Zonen beschleunigt abgeätzt, wodurch ein beschleunigtes Tiefenwachstum des Kanals erfolgt. Die Begrenzung des Ätzprozesses und somit der Kanalgeometrie erfolgt, wie beim konventionellen Ätzverfahren, durch unzerstörte ätzresistente Kristallebenen in der Umgebung der Laserbearbeitungszone. Diese Kristallebenen werden zum einen durch die Geometrie der Ätzmaske, zum anderen durch die Tiefe des Laserbearbeitungsprozesses bestimmt.
Der beschriebene Prozess erbringt jedoch keinerlei Zeitvorteil, da vor dem Laserbearbeitungsschritt ein konventionelles photolithographisches Verfahren durchgeführt wird, um eine ätzresistente Maske auf der Substratoberfläche zu erzeugen. Die Kombination von Silizium-Laserbearbeitung und anisotropem Ätzverfahren dient lediglich der Herstellung einer neuartigen Kanalstruktur. Das Verfahren ist somit kein Ersatz für einen Standard-Strukturierungsprozess, sondern eine Ergänzung bereits bekannter Verfahren. Von Nachteil ist dabei des weiteren, dass Kanaltiefe und Kanalbreite bereits durch kleine Toleranzen des Bearbeitungsprozesses beeinflusst werden, da die jeweils tiefste unverletzte ätzbeständige Kristallebene die Abmessungen des gesamten Kanals bestimmt.

Lasermikrobearbeitung zur Oberflächen- und Volumenstrukturierung

Es finden des weiteren verschiedenste Methoden der Lasermikrobearbeitung Anwendung, die ohne die Verwendung lithographischer oder anderer Verfahren das Ausgangsmaterial direkt bearbeiten. In M. Kohl, E. Just, W. Pfleging, S. Miyazaki: SMA microgripper with integrated antagonism, Sensors and Actuators 83 (2000), pp. 208-213, wird z. B. ein Verfahren zur Herstellung von planaren Mikrostrukturen aus Formgedächtnismetall beschrieben. Die Fertigung erfolgt durch Laserschneiden mit fokussiertem Strahl aus Folienmaterial. Ähnliche Methoden sind heute verschiedentlich Stand der Technik, so werden z. B. Siebdruckmasken für die Leiterplattenfertigung durch Laserstrukturierung von Metallfolien erstellt. Alternative Systeme der Mikrobearbeitung verwenden einfachere Masken, die mit Hilfe eines aufgefächerten Laserstrahles durch Projektion auf ein Substrat abgebildet werden und so lokal zum Materialabtrag führen.
Die Lasermikrobearbeitung ist zur Erzeugung verschiedener Mikrostrukturen geeignet. Ein genereller Nachteil dieser Technik für das Rapid-Prototyping besteht darin, dass das bearbeitete Material durch Einwirkung des Laserstrahles in der Regel physikalische bzw. chemische Veränderungen erfährt. Ein Ersatz von Standardprozessen durch Laserbearbeitung ist dadurch nur sehr eingeschränkt möglich, da der Standardprozess in der Regel keine bzw. andere Modifikationen von Materialeigenschaften mit sich bringt.

Laserstrukturierung dünner Funktionsschichten

Die gezielte Strukturierung von dünnen Funktionsschichten auf planaren Substraten findet in der Leiterplattentechnik Anwendung. Übliche Verfahren verwenden Laser, um das Leiterbild einer gedruckten Schaltung zu erzeugen. Das Ausgangsmaterial ist z. B. ein vollflächig mit Kupfer beschichtetes Epoxid-Glasharzgewebe. Durch Laserbearbeitung werden Teile der Kupferschicht und z. T. auch das Substrat selbst abgetragen, wodurch die vollflächige Kupferschicht in einzelne Leiterbahnzüge separiert wird. Das Verfahren ersetzt hier photolithographische Methoden, die, wie in M. Achternbosch, D. Brune: Stoffströme bei der Herstellung von Leiterplatten, Forschungszentrum Karlsruhe, Wissenschaftliche Berichte, FZKA 5854, 1996, dort insbesondere pp. 16-23, beschrieben, in der konventionellen Leiterplattenfertigung weitverbreitet Einsatz finden.
Ein weiterer Einsatz der Lasertechnik besteht in der Herstellung von Durchkontaktierungen zwischen verschiedenen Leiterbahnebenen einer mehrlagigen Leiterplatte. Hierbei wird, zusätzlich zur Bearbeitung der Funktionsschichten (Kupfer-Leiterbahnen), das Substratmaterial selbst mit dem Laser abgetragen.
Ein in J. Krause: Feinstarbeit, Elektronik Praxis, Nr. 24, 14. Dezember 1999, pp. 132- 134, beschriebenes Verfahren verwendet Laserbearbeitung, um die sogenannte Metall- Resist-Technologie der konventionellen Leiterplattenfertigung in Richtung auf Feinstleiterstrukturen zu erweitern. Dazu wird die geschlossene Kupferschicht auf dem Leiterplattensubstrat wie im konventionellen Metall-Resist-Verfahren zunächst mit einer dünnen ätzresistenten Schicht aus Zinn beschichtet. Durch Laserbearbeitung werden anschließend in der geschlossenen Metall-Verbundschicht Gräben eingebracht, die die einzelnen Leiterbahnen partiell separieren. Der Laser bearbeitet dabei sowohl die Ätzmaske als auch partiell die darunter liegende Funktionsschicht aus Kupfer. In einem anschließenden nasschemischen Ätzprozess werden Reste der freigelegten Kupferschicht bis zur Substratoberfläche entfernt und so die Kupfer-Funktionsschicht vollständig in Leiterbahnen aufgeteilt. Die ätzresistente Zinnschicht schützt dabei die nichtbearbeitete Oberfläche kurzfristig gegen Ätzangriff. Die Zinnschicht kann abschließend bei Bedarf entfernt werden.
Die beschriebenen Verfahren erlauben eine prozesskompatible Integration des Laserbearbeitungsverfahrens in Produktionsabläufe der Leiterplattenfertigung, die hauptsächlich auf photolithographischer Maskentechnik und nasschemischem Ätzen dünner Schichten beruhen. Zudem ist eine Beschleunigung konventioneller Verfahren möglich.
In Hinblick auf die Herstellung von Dünnschicht-Mikrostrukturen besteht ein schwerwiegender Nachteil der beschriebenen Techniken darin, dass wiederum die funktionelle Struktur selbst weitgehend bzw. vollständig durch Laserbearbeitung strukturiert wird. Dadurch besteht auch hier die Gefahr, dass relevante Eigenschaften des mikrotechnischen Funktionselementes zumindest in der Randzone der Bearbeitung durch die Lasereinwirkung verändert werden (z. B. durch Aufschmelzen, Zerstören der Kristallstruktur, die Bildung von Mikrorissen, Legierungsbildung, Oxidation und dergleichen). Somit besteht ein funktioneller Unterschied zwischen einer Mikrostruktur, die im Rapid-Prototyping- Verfahren hergestellt ist und einem späteren Serienteil, das durch konventionelle Verfahren realisiert wird.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht daher darin, ein Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen anzugeben, das eine Beschleunigung des Herstellungsprozesses mikrotechnischer Bauelemente bei gleichzeitiger Beibehaltung aller relevanter Funktionseigenschaften eines entsprechenden mikrotechnischen Serienteils gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Durchführen eines Rapid-Prototyping- Prozesses zur Herstellung von Mikrostrukturen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand mehrerer Unteransprüche.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für ein Mikrostrukturierungsverfahren, das alle notwendigen Eigenschaften eines Rapid-Prototyping-Verfahrens für die Herstellung von Mikrostrukturen aufweist, der Schritt der Strukturierung einer ätzresistenten Beschichtung auf besonders effiziente Weise durch ein selektives Abtragen der ätzresistenten Beschichtung mittels Laserstrahlung erfolgt. Dadurch bietet das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber den konventionellen Verfahren den Vorteil, dass der Fertigungsprozess durch Einsatz eines maskenlosen Laserbearbeitungsverfahrens deutlich beschleunigt werden kann, da die Herstellung einer Photomaske und alle photolithographischen Schritte entfallen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist außerdem vollständig kompatibel zu den üblichen Mikrofertigungsprozessen, da die eigentliche Strukturierung der funktionellen Strukturen völlig analog zum Standardprozess (z. B. durch Ätzen) verläuft. Da der Laserstrukturierungsprozess der Ätzmaske vollkommen vom Strukturierungsprozess der funktionellen Strukturen getrennt ist, beeinflusst der erfindungsgemäße Rapid-Prototyping-Prozess die späteren Eigenschaften der funktionellen Mikrostruktur nicht.
Besonders gut lassen sich ätzresistente Beschichtungen aus Metall, vorzugsweise Platin oder Gold aufbringen und über Laser strukturieren.
Organische Polymerschichten weisen dagegen den Vorteil einer weitgehenden Kompatibilität mit üblichen Halbleiterprozessschritten auf und können bei niedrigeren Prozesstemperaturen abgeschieden werden. Insbesondere die störende Wirkung als Rekombinationszentren, die bei Metallschichten auftreten kann, wird durch den Einsatz organischer Polymerschichten vermieden.
Eine besonders stabile, mit üblichen Verfahren der Planartechnik kompatible ätzresistente Beschichtung erhält man bei Verwendung eines anorganischen Dielektrikums, vorzugsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid.
Ein in der Mikrotechnik weit verbreitetes Ätzverfahren stellt anisotropes Ätzen, vorzugsweise mittels Kaliumhydroxid-Ätzlösung dar.
Beispielsweise für Glassubstrate ist dagegen die isotrope Ätzung, vorzugsweise mittels Flusssäure, verbreitet.
Um zu verhindern, dass Reaktionsprodukte, die durch die Laserbearbeitung in dem offengelegten Bereich zurückbleiben können, die nachfolgenden Prozessschritte störend beeinflussen, kann ein Entfernen solcher Restschichten mittels eines Ätzprozesses, vorzugsweise eines nasschemischen oder trockenchemischen Prozesses, vorgesehen werden.
Falls die ätzresistente Beschichtung bei der späteren Funktion oder beim Durchführen weiterer folgender Schritte störend in Erscheinung tritt, kann diese abschließend entfernt werden.
Für die Durchführung eines mehrstufigen Strukturierungsprozesses kann im Anschluss an den einstufigen Prozess eine weitere ätzresistente Beschichtung auf die bereits geätzten Bereiche des Substrats aufgebracht werden und nach Strukturierung mittels Laserstrahlung erneut anisotrop geätzt werden. Mit diesem Verfahren kann ein herkömmlicher Mehrstufenprozess im Sinne eines Rapid-Prototyping-Verfahrens nachgebildet werden, wobei bei jedem Ätzprozess das gesamte restliche Substrat geschützt ist.
Eine noch kürzere Prozessführung für einen Mehrstufenprozess erhält man, wenn man die im ersten Schritt aufgebrachte ätzresistente Beschichtung in einem zweiten Bereich mittels Laserstrahlung strukturiert und anschließend anisotrop ätzt.
Da die Herstellung von Mikrostrukturen häufig eine Strukturierung beider Substratseiten erfordert, erreicht man eine weitgehende Nachbildung des Serienteils dadurch, dass das Verfahren auch auf der Rückseite des Substrats durchgeführt wird und dass auf der Rückseite hergestellte Strukturen in Bezug auf Strukturen auf der Vorderseite justiert sind.
Die weitgehende Kompatibilität zum Serienteil erhält man außerdem durch Verwendung von in der Mikrotechnik üblichen Substratmaterialien, wie Silizium oder Glas.
Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Substrats mit beidseitig aufgebrachter ätzresistenter Beschichtung;
Fig. 2 die Laserstrukturierung der ätzresistenten Beschichtung;
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung des Substrats nach Entfernen von Restschichten aus dem offengelegten Bereich;
Fig. 4 den Schritt des anisotropen Ätzens in Kaliumhydroxid;
Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung der fertigen Mikrostruktur nach Entfernen der ätzresistenten Beschichtung;
Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung nach dem Aufbringen einer weiteren ätzresistenten Beschichtung;
Fig. 7 eine schematische Darstellung der Laserstrukturierung der weiteren ätzresistenten Beschichtung;
Fig. 8 eine schematische Schnittdarstellung des Substrats nach dem Entfernen von Restschichten;
Fig. 9 den Schritt des anisotropen Ätzens in Kaliumhydroxid;
Fig. 10 eine schematische Schnittdarstellung der Mikrostruktur nach dem Entfernen der weiteren ätzresistenten Beschichtung;
Fig. 11 eine schematische Schnittdarstellung eines beidseitig mit ätzresistenter Beschicht versehenen unstrukturierten Substrats;
Fig. 12 eine schematische Darstellung der Laserstrukturierung der ätzresistenten Beschichtung;
Fig. 13 eine schematische Schnittdarstellung eines Substrats nach dem Entfernen von Restschichten in einem offengelegten Bereich;
Fig. 14 den Prozessschritt des anisotropen Ätzens in Kaliumhydroxid;
Fig. 15 die Laserstrukturierung der ätzresistenten Beschichtung aus Fig. 11 in einem anderen als dem in Fig. 12 strukturierten Bereich;
Fig. 16 eine schematische Schnittdarstellung des Substrats nach dem Entfernen von Restschichten;
Fig. 17 den Schritt eines erneuten anisotropen Ätzens in Kaliumhydroxid;
Fig. 18 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Mikrostruktur nach Abschluss eines mehrstufigen Verfahrens zum Durchführen eines Rapid-Prototyping- Prozesses;
Fig. 19 eine schematische Schnittdarstellung eines beidseitig mit ätzresistenter Beschichtung versehenen Substrats nach dem Stand der Technik;
Fig. 20 eine schematische Schnittdarstellung des Substrats aus Fig. 19 nach Aufbringen einer photosensitiven Schicht;
Fig. 21 eine Maskenbelichtung der Struktur aus Fig. 20;
Fig. 22 eine schematische Schnittdarstellung des Substrats aus Fig. 21 nach dem Entwickeln der photosensitiven Schicht;
Fig. 23 eine schematische Schnittdarstellung des Substrats aus Fig. 22 nach dem Plasmaätzen der ätzresistenten Beschichtung;
Fig. 24 eine schematische Schnittdarstellung der Struktur aus Fig. 23 nach dem Entfernen der photosensitiven Schicht;
Fig. 25 den Schritt des anisotropen Ätzens in Kaliumhydroxid;
Fig. 26 eine schematische Schnittdarstellung einer Mikrostruktur nach dem Stand der Technik;
Fig. 27 eine schematische Schnittdarstellung durch ein beidseitig mit ätzresistenter Beschichtung versehenes Substrat als Ausgangsbasis für einen mehrstufigen Herstellungsprozess nach dem Stand der Technik;
Fig. 28 einen schematischen Querschnitt durch die Struktur der Fig. 27 nach dem Erzeugen einer ersten Maskenstufe;
Fig. 29 eine schematische Schnittdarstellung der Struktur aus Fig. 28 nach dem Erzeugen der zweiten Maskenstufe;
Fig. 30 den Schritt des ersten anisotropen Ätzens in Kaliumhydroxid zur Erzeugung zur ersten Substratstufe;
Fig. 31 die Struktur aus Fig. 30 nach dem Dünnen der Ätzmaske;
Fig. 32 den Schritt des zweiten Ätzens in Kaliumhydroxid zur Erzeugung der zweiten Substratstufe;
Fig. 33 eine schematische Schnittdarstellung einer mehrstufigen Mikrostruktur nach dem Stand der Technik.
Anhand der Fig. 1 bis 5 wird im folgenden das erfindungsgemäße Verfahren zum Durchführen eines Rapid-Prototyping-Prozesses zur Herstellung von Mikrostrukturen im Detail beschrieben. Dabei wird beispielhaft eine anisotrope Ätzung mittels Kaliumhydroxid als Ätzschritt beschrieben.
Die Ausgangsstruktur besteht in dem in den Fig. 1 bis 5 schematisch dargestellten Beispiel aus einem Silizium-Substrat 100, das bedingt durch seine Kristallstruktur ätzresistente Kristallebenen aufweist, die einem nasschemischen Ätzangriff 112 standhalten können.

1. Aufbringen der Ätzmaske

In einem ersten Schritt (Fig. 1) wird auf der zu ätzenden Oberfläche und gegebenenfalls auch auf der gegenüberliegenden Waferseite eine geschlossene Schicht 102 aus ätzresistentem Material erzeugt. Geeignet sind hierfür alle Materialien, die gut auf dem Substrat haften, der anisotropen Ätze standhalten und die Laserstrahlung ausreichend absorbieren, beispielsweise:

- Metalle (vorzugsweise Gold oder Platin, aber auch Wolfram und Titan),
- Polymere,
- anorganische Schichten (vorzugsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid),
- Mehrschichtsysteme aus den o. g. Materialien: Insbesondere ist ein Zweischichtaufbau aus einer ätzresistenten Maskenschicht und einer darunter liegenden Pufferschicht denkbar.

2. Selektive Laserdirektbearbeitung der Ätzmaske

In einem zweiten Schritt (siehe Fig. 2) wird durch Bearbeitung mittels eines Lasers 108 die ätzresistente Beschichtung 102 an den gewünschten Bereichen 110 abgetragen. Dabei wird sichergestellt, dass das letztendlich zu strukturierende Substrat 100 (hier Silizium) möglichst geringfügig mechanisch verletzt wird. Dies ist durch folgende Maßnahmen einzeln oder in Kombination möglich:

- Anpassung der Laserleistung an die Dicke der Maskierungsschicht 102, so dass ein Abtrag nur teilweise oder maximal nur bis zur Tiefe der Maskierungsschicht 102 erfolgt.
- Wahl einer Laserwellenlänge, die selektiv nur von der Maskierungsschicht 102, jedoch vom Substrat 100 nicht übermäßig absorbiert wird. Es kann beispielsweise ein YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm verwendet werden. Sehr gute Resultate liefert für ein Siliziumsubstrat auch ein CO₂-Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von 10 µm bis 1 µm, da Silizium in diesem Bereich vollständig transparent ist.
- Einbringen einer Pufferschicht zwischen Maskenschicht 102 und Substrat 100, die unerwünschte Tiefeneffekte der Laserbearbeitung auffängt und so verhindert, dass das Substrat 100 mechanisch verletzt wird.

3. Entfernung von störenden Reaktionsprodukten oder Restschichten

In einem dritten Schritt (siehe Fig. 3) werden Reaktionsprodukte 109, die durch die Laserbearbeitung auf dem offengelegten Bereich 110 der Silizium-Oberfläche entstehen können (z. B. Oxidschichten oder Legierungen) durch nasschemische oder trockenchemische Behandlung abgetragen. Ebenso wird eine eventuell vorhandene Pufferschicht oder ein Rest der Maskierungsschicht 102 bis zum Substrat 100 abgetragen.

4. Durchführung des Standard-Ätzprozesses zur Herstellung der gewünschten Siliziumstruktur

Das in Fig. 3 gezeigte Ergebnis der Schritte 1 bis 3 ist eine ätzresistente Maske 102 analog zu dem in Fig. 22 dargestellten Resultat eines konventionellen Photolithographieprozesses. Das Ätzen des Substrates 100 durch Angriff der anisotropen Ätzlösung 112 kann dementsprechend analog zum konventionellen Prozess erfolgen (siehe Fig. 4). Die Geometrie der geätzten Struktur, im Beispiel eine Kavität, wird wie im Standardprozess lediglich durch die Abmessungen der laserstrukturierten ätzresistenten Maske 102 bestimmt.

5. Entfernung der Ätzmaske und eventuell vorhandener weiterer Schichten

Durch geeignete nass- oder trockenchemische Verfahren werden alle noch auf dem Substrat verbliebenen ätzresistenten Schichten und Pufferschichten entfernt und man erhält die in Fig. 5 gezeigte Mikrostruktur.
Das in erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch neuartige Verfahren zur Herstellung von Mehrstufenstrukturen:
Gemäß einer ersten Ausführungsform eines Mehrstufenprozesses werden zunächst die in den Fig. 1 bis 5 gezeigten Prozessschritte vollständig durchgeführt. Anschließend wird das strukturierte Substrat 100 erneut vollständig mit einer ätzresistenten Beschichtung 102 bedeckt (siehe Fig. 6). Dies ist bei den verwendeten Materialien und Technologien (Aufdampfen, Oxidation, Gasphasenabscheidung, elektrophoretische Abscheidung, Sputtern) ohne Probleme auch auf Tiefenprofilstufen möglich. Da der Laserstrahl gleichfalls an einer beliebigen vertikalen Position des Substrates fokussiert werden kann, ist auch die Strukturierung der Ätzmaske 102 in der Tiefe des Substrates 100 zur Offenlegung des Bereichs 114 möglich (Fig. 7 und 8). Im Unterschied zu dem anhand der Fig. 27 bis 33 beschriebenen Verfahren mit gestufter Ätzmaske ist bei jedem Ätzprozess das gesamte restliche Substrat 100 geschützt, wodurch alle Ätzprozesse unabhängig voneinander ablaufen können (Fig. 8 bis 10).
Gemäß einer zweiten Ausführungsform eines mehrstufigen Prozesses gemäß der vorliegenden Erfindung wird zunächst, wie in den Fig. 11 bis 14 gezeigt, ein erster Prozesslauf bis zum Abschluss der ersten Substratätzung ausgeführt. Anschließend wird die verbliebene Ätzmaske 102 ein zweites Mal mittels Laserbearbeitung strukturiert (Fig. 15). Nach Entfernung von Restschichten (Fig. 16) erfolgt eine zweite Substratätzung (Fig. 17). Dieser Prozess kann auch mehrfach wiederholt werden um mehrere Stufen in einem Substrat zu erhalten. Nach Abschluss aller Ätzungen wird die Ätzmaske entfernt (Fig. 18).
Der Vorteil dieses Verfahrens besteht in einer deutlich kürzeren Prozessführung als bei dem Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform. Als prinzipieller Nachteil ist zu nennen, dass hier die Stufentiefen wiederum nicht mehr unabhängig voneinander eingestellt werden können. Für den Fall, dass ein konventioneller Mehrstufenprozess mit der gleichen Eigenschaft im Rapid-Prototyping nachgebildet wird, ist dieser Nachteil jedoch nicht wesentlich.
Die Herstellung von Mikrostrukturen erfordert häufig eine Strukturierung beider Waferseite, wobei die auf Vorder- und Rückseite erstellten Strukturen in der Regel zueinander justiert sein müssen. In der konventionellen Photolithographie wird der Wafer hierzu, in der Regel nacheinander, auf beiden Seiten photolithographisch strukturiert, die Justierung der Strukturen zueinander geschieht mit geeigneten optischen Verfahren. Ein analoges Vorgehen ist mit dem hier vorgestellten Laserverfahren möglich: Es können nach Belieben auf beiden Seiten eines Wafers einstufige und mehrstufige Strukturierungen in beliebiger Kombination durchgeführt werden.

Claims

1. Verfahren zum Durchführen eines Rapid-Prototyping-Prozesses zur Herstellung von Mikrostrukturen mit den folgenden Schritten:

a) Aufbringen einer ätzresistenten Beschichtung auf ein Substrat,

b) Selektives Abtragen der ätzresistenten Beschichtung mittels Laserstrahlung, wodurch mindestens ein offengelegter Bereich erzeugt wird,

c) Ätzen des in Schritt (b) offengelegten Bereichs.

2. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt (a) hergestellte ätzresistente Beschichtung eine Metall-Schicht, vorzugsweise Platin oder Gold ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt (a) hergestellte ätzresistente Beschichtung eine organische Polymerschicht ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt (a) hergestellte ätzresistente Beschichtung ein anorganisches Dielektrikum, vorzugsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen in Schritt (c) ein anisotropes Ätzen, vorzugsweise mittels einer Kaliumhydroxid- Ätzlösung, ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen in Schritt (c) ein isotropes Ätzen, vorzugsweise mittels einer Flusssäure- Ätzlösung, ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (b) weiterhin das Entfernen von Restschichten, die nach der Laserbearbeitung in dem offengelegten Bereich zurückbleiben können, mittels eines Ätzprozesses, vorzugsweise eines nasschemischen oder trockenchemischen Prozesses, umfasst.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den folgenden Schritt aufweist:

a) Entfernen der ätzresistenten Beschichtung.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin folgende Schritte aufweist:

a) Aufbringen einer weiteren ätzresistenten Beschichtung auf den im Schritt (c) geätzten Bereich des Substrats,

b) Selektives Abtragen der weiteren ätzresistenten Beschichtung mittels Laserstrahlung, wodurch mindestens ein offengelegter Bereich erzeugt wird,

c) Ätzen des in Schritt (f) offengelegten Bereichs.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den folgenden Schritt aufweist:

a) Entfernen der weiteren ätzresistenten Beschichtung.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen in Schritt (g) ein anisotropes Ätzen, vorzugsweise mittels einer Kaliumhydroxid-Ätzlösung, ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen in Schritt (g) ein isotropes Ätzen, vorzugsweise mittels einer Flusssäure- Ätzlösung, ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin folgende Schritte aufweist:

a) Selektives Abtragen der ätzresistenten Beschichtung in einem zweiten Bereich mittels Laserstrahlung, wodurch mindestens ein weiterer offengelegter Bereich erzeugt wird,

b) Ätzen der in den Schritten (b) und (d) offengelegten Bereiche.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den folgenden Schritt aufweist:

a) Entfernen der ätzresistenten Beschichtung.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen in Schritt (g) ein anisotropes Ätzen, vorzugsweise mittels einer Kaliumhydroxid-Ätzlösung, ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen in Schritt (g) ein isotropes Ätzen, vorzugsweise mittels einer Flusssäure- Ätzlösung, ist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (d) weiterhin das Entfernen von Restschichten, die nach der Laserbearbeitung in dem offengelegten Bereich zurückbleiben können, mittels eines Ätzprozesses, vorzugsweise eines nasschemischen oder trockenchemischen Prozesses, umfasst.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auch auf einer Rückseite des Substrats durchgeführt wird und dass es weiterhin den Schritt des Justierens von auf der Rückseite herzustellenden Strukturen bezüglich auf einer Vorderseite hergestellten Strukturen umfasst.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Siliziumwafer ist.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Glassubstrat ist.