DE10161202C1 - Verfahren zur Reduktion der Dicke eines Silizium-Substrates - Google Patents
Verfahren zur Reduktion der Dicke eines Silizium-SubstratesInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Reduktion der Dicke eines insbesondere bereichsweise einseitig oberflächlich porösifizierten Silizium-Substrates (10) vorgeschlagen. Dabei ist vorgesehen, dass eine der porösifizierten Vorderseite (11) gegenüberliegende Rückseite (12) des Silizium-Substrates (10) derart insbesondere ganzflächig porösifiziert und das erzeugte poröse Material danach entfernt wird, dass die verbleibende Dicke des Substrates (10) zumindest in dem Bereich, in dem das poröse Material von der Rückseite entfernt wurde, einer gegenüber der ursprünglichen Dicke des Substrates (10) reduzierten vorgegebenen Dicke entspricht. Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich besonders bei der Herstellung eines thermisch arbeitenden Sensors auf Basis einer Technik mit porösem Silizium, eines Temperatursensors, eines Massenflusssensors, eines Luftgütesensors oder eines Gassensors.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion der Dicke
eines insbesondere bereichsweise oberflächlich porösifizier
ten Silizium-Substrates, sowie dessen Verwendung nach der
Gattung des Hauptanspruches.
In der Mikromechanik wird poröses Silizium vor allem als Op
ferschicht eingesetzt, um beispielsweise, wie in DE 197 52 208 A1
beschrieben, in oberflächenmikromechanischen Prozes
sen Kavitäten zu erzeugen, die einer thermischen Entkopplung
von darauf aufgebrachten Sensorstrukturen dienen. Daneben
kann poröses Silizium oder oxidiertes poröses Silizium auf
grund seiner niedrigen Wärmeleitfähigkeit auch selbst zur
thermischen Entkopplung von Sensorstrukturen dienen. In die
sem Fall wird auf das Herauslösen des erzeugten porösen Si
liziums bzw. oxidierten porösen Siliziums zu Gunsten einer
erhöhten Stabilität des Gesamtsystems verzichtet. Eine der
artige Vorgehensweise ist beispielsweise in der nicht vorveröffent
lichten Anmeldung DE 100 58 009 A1 beschrieben.
In der US 5,650,042 wird ein Verfahren beschrieben,
bei dem zum Dünnen eines Silizium-Substrates dieses zunächst porösifiziert
wird und danach das poröse Material durch Ätzen entfernt wird.
Generell wird zur Erzeugung von porösem Silizium vielfach
eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Flusssäure-
Elektrolyten und Silizium eingesetzt, mittels der eine
schwammartige Struktur in dem Silizium, beispielsweise im
Bereich der Oberfläche eines Siliziumwafers, erzeugt wird.
Dazu wird der Siliziumwafer in den Flusssäureelektrolyten
eingebracht bzw. eingetaucht, und die zu porösifizierende
Oberfläche des Wafers gegenüber dem Elektrolyten anodisch
gepolt.
Zur Herstellung von porösem Silizium eignen sich vor allem
dotierte Silizium-Wafer, wobei durch die Art und Stärke der
Dotierung die nach dem Porösifizieren erhaltenen Struktur
größen innerhalb des porösen Siliziums bestimmt werden. Be
vorzugt werden p-dotierte Silizium-Wafer mit unterschiedli
chen Dotierungsgraden eingesetzt.
Poröses Silizium zeichnet sich gegenüber herkömmlichem Sili
zium vor allem durch eine große innere Oberfläche aus, und
weist dadurch wesentlich andere chemische und physikalische
Eigenschaften, beispielsweise eine andere Ätzrate, eine an
dere Wärmeleitfähigkeit und eine andere Wärmekapazität, auf.
Insbesondere wird durch die Porösifizierung von Silizium
dessen Reaktivität deutlich gesteigert, wodurch ein selekti
ves Lösen von porösem Silizium mit hohen Ätzraten gegenüber
Bulk-Silizium möglich wird, und es werden auch andere chemi
sche Reaktionen innerhalb des porösen Siliziums ermöglicht
bzw. begünstigt, wie beispielsweise dessen Oxidation.
Bei thermischen Sensoren auf Basis einer Silizium-
Technologie kommt es vor allem auf eine möglichst gute ther
mische Entkopplung der Sensorstrukturen von einem darunter
befindlichen Silizium-Substrat an. Wird bei einem solchen
thermischen Sensor poröses Silizium oder oxidiertes poröses
Silizium in einem Oberflächenbereich des Silizium-Wafers
beispielsweise zur thermischen Entkopplung erzeugt, bestim
men neben der Dicke dieser thermisch isolierenden Schicht
auch die Dicke und die Wärmeleitfähigkeit des darunter lie
genden Silizium-Substrates die Güte der thermischen Entkopp
lung. Ist die Dicke der thermisch isolierenden porösen
Schicht zu niedrig oder die Dicke des Silizium-Substrates zu
hoch, kann es zu thermischen Kurzschlüssen kommen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es zunächst, mit Hil
fe einer Technik auf Basis von porösem Silizium die Schicht
dicke des thermisch nicht isolierenden Substrates bzw. der
unterhalb des porösen Bereiches befindlichen Schicht zu mi
nimieren, ohne dabei aufwändige zusätzliche Prozessschritte
einzuführen. Daneben ist es bei der Herstellung von mikrome
chanischen Strukturen vielfach wünschenswert, den ursprüng
lich vergleichsweise dicken Siliziumwafer aus Verpackungs
gründen abzudünnen. Insofern war es auch Aufgabe der vorlie
genden Erfindung, diesen zusätzlichen Abdünnungsschritt in
einen der ohnehin zur Herstellung von mikromechanischen
Strukturen bzw. Sensorelementen notwendigen Prozessschritte
zu integrieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reduktion der Dicke eines
insbesondere bereichsweise oberflächlich porösifizierten Si
lizium-Substrates hat gegenüber dem Stand der Technik den
Vorteil, dass es sich sehr einfach in bestehende Fertigungs
verfahren integrieren lässt, und dass zu dessen Durchführung
auf übliche Vorrichtungen zur Porösifizierung von Silizium
zurückgegriffen werden kann.
Insofern erfordert das erfindungsgemäße Verfahren weder In
vestitionen in Anlagentechnik noch wesentliche Eingriffe in
bestehende Fertigungsverfahren, d. h. mit dem erfindungsgemä
ßen Verfahren können Silizium-Substrate ohne größeren zu
sätzlichen Aufwand abgedünnt werden, um auf diese Weise bei
spielsweise Wärmeverluste durch die Wärmeleitung des Silizi
um-Substrates zu reduzieren.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
schließlich vorteilhaft, dass dieses gegenüber bisher übli
chen Verfahren zur Abdünnung von Silizium-Substraten ledig
lich eine sehr geringe Zeit zum Abätzen des erzeugten porö
sen Siliziums bzw. des oxidierten porösen Siliziums benö
tigt. Insbesondere werden aufgrund der hohen Reaktivität des
erzeugten porösen Materials auch dicke Schichten in wenigen
Sekunden bis Minuten, je nach Dicke und Porösität, abgeätzt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So ist besonders vorteilhaft, wenn das Silizium-Substrat auf
der Vorderseite bereichsweise und auf der Rückseite ganzflä
chig in poröses Silizium oder poröses Siliziumoxid überführt
wird. Die Vorderseite ist dabei in der Regel dadurch defi
niert, dass auf ihr insbesondere in Oberflächenmikromechanik
hergestellte Sensorelemente oder Strukturen erzeugt oder an
geordnet werden.
Weiter ist vorteilhaft, wenn das Porösifizieren der Rücksei
te durch Umpolen der Spannung während des ohnehin eingesetz
ten elektrochemischen Prozesses zur Erzeugung des Bereiches
aus porösem Silizium oder porösem Siliziumoxid auf der Vor
derseite des Silizium-Substrates eingesetzt wird. Dieses Um
polen kann dabei einmalig erfolgen, so dass Vorderseite und
Rückseite nacheinander porösifiziert werden, oder abwech
selnd, d. h. die Porösifizierung von Vorderseite und Rück
seite des Silizium-Substrates erfolgt in kleinen Schritten
abwechselnd. Im Übrigen kann in bekannter Weise über die
Dauer und den Grad der Porösifizierung der Rückseite des Si
lizium-Substrates die gewünschte Dicke der rückseitigen
Schicht aus porösem Silizium sehr einfach eingestellt wer
den, so dass dadurch eine definierte und über die Parameter
beim rückseitigen Porösifizieren einfach voreinstellbare
Dicke der rückseitig entfernten Schicht aus porösem Material
gegeben ist, was nach dem rückseitigen Entfernen des erzeug
ten porösen Materials zu einer entsprechend definierten Re
duktion der ursprünglichen Dicke des Silizium-Substrates
führt.
Im Übrigen ist vorteilhaft, dass auf der Vorderseite des Si
lizium-Substrates, beispielsweise über dem dort durch eine
Deckschicht oder Passivierschicht abgedeckten porösen Be
reich, alle denkbaren Formen von Mikrostrukturen zur Ausbil
dung von Sensorelementen, insbesondere von thermischen Sen
sorelementen, erzeugt werden können. Insofern eignet sich
das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz bei der Herstel
lung von allen thermisch arbeitenden Sensoren auf der Basis
einer Technik mit porösem Silizium, insbesondere bei der
Herstellung von Temperatursensoren, Massenflusssensoren,
Luftgütesensoren oder Gassensoren.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und in der nachfol
genden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen
Schnitt durch ein Silizium-Substrat mit einem vorderseitig
ausgebildeten porösen Bereich und einer rückseitig ausgebil
deten porösen Schicht, Fig. 2 in Weiterführung von Fig. 1
eine zusätzlich aufgebrachte Deckschicht und Fig. 3 in Wei
terführung von Fig. 2 das abgedünnte Silizium-Substrat nach
Entfernen der porösen Schicht auf der Rückseite.
Die Erfindung geht zunächst aus von dem aus DE 198 03 852 A1
bekannten Verfahren und der dort beschriebenen Vorrichtung
zur Porösifizierung eines Silizium-Wafers auf dessen Vorder
seite und Rückseite.
Fig. 1 zeigt ein übliches Silizium-Substrat 10, das bei
spielsweise aus p-dotiertem Silizium besteht, und das auf
seiner Vorderseite 11 bereichsweise mit Hilfe einer Maskier
schicht 16 maskiert worden ist.
Dieses Silizium-Substrat 10 wird dann in die Ätzvorrichtung
gemäß DE 198 03 852 A1 eingebracht, wobei zunächst die Vor
derseite 11 gegenüber dem in der Ätzvorrichtung befindlichen
Flusssäureelektrolyten anodisch gepolt ist, so dass im Be
reich der Vorderseite 11 des Silizium-Substrates 10 ein po
röser Bereich 13 entsteht, der aus porösem Silizium besteht.
Anschließend erfolgt ein Umpolen der beim Porösifizieren im
Rahmen des elektrochemischen Prozesses gemäß DE 198 03 852 A1
eingesetzten elektrischen Spannung, so dass nunmehr die
Rückseite 12 des Silizium-Substrates 10 gegenüber dem Fluss
säure-Elektrolyten anodisch gepolt ist, was dazu führt, dass
nun die Rückseite 12 des Silizium-Substrates 10 in poröses
Silizium überführt wird. Gleichzeitig stoppt durch das Umpo
len der elektrischen Spannung auch die Porösifizierung der
Vorderseite 11 des Silizium-Substrates 10 zumindest weitge
hend.
Da auf der Rückseite 12 des Silizium-Substrates 10 keine
Maskierschicht 16 vorgesehen ist, wird die Rückseite 12 im
erläuterten Beispiel ganzflächig porösifiziert.
Die Dicke der auf der Rückseite 12 entstehenden porösen
Schicht 14 ergibt sich in üblicher Weise durch die zeitliche
Dauer des elektrochemischen Ätzens, die Flusssäurekonzentra
tion im Elektrolyten und die Stromdichte. Eine geeignete
Wahl dieser Parameter ist ausführlich in DE 198 03 852 A1
beschrieben, so dass auf deren Wiederholung hier verzichtet
werden kann.
Im Übrigen sei noch betont, dass das Umpolen der beim elek
trochemischen Ätzen des Silizium-Substrates in dem Flusssäu
re-Elektrolyten in einer Vorrichtung gemäß DE 198 03 852 A1,
bei der Vorderseite 11 und Rückseite 12 mit dem Flusssäure-
Elektrolyten in Kontakt sind, sowohl einmalig als mehrfach
erfolgen kann. Im letzteren Fall entsteht dann der poröse
Bereich 13 auf der Vorderseite 11 und die poröse Schicht 14
auf der Rückseite 12 des Silizium-Substrates 10 allmählich
in kleinen Schritten. Weiter ist wichtig, dass zwischen dem
sich gegenüber liegenden porösen Bereich 13 und der porösen
Schicht 14 stets ein Restbereich 17 aus Silizium verbleibt,
der nicht porösifiziert worden ist, und der aus Stabilitäts
gründen eine Dicke von mindestens 10 µm aufweist.
Nachdem die Vorderseite 11 und die Rückseite 12 des Silizi
um-Substrates 10, wie mit Hilfe der Fig. 1 erläutert, porö
sifiziert worden sind, kann das erzeugte poröse Silizium op
tional durch eine nachfolgende Oxidation zunächst stabili
siert werden, d. h. in oxidiertes poröses Silizium überführt
wird.
Die Fig. 2 erläutert in Weiterführung von Fig. 1, wie der
poröse Bereich 13 auf der Vorderseite 11 des Silizium-
Substrates 10 durch eine übliche Deckschicht oder Passivier
schicht 15 abgedeckt wird. Die Deckschicht 15 ist beispiels
weise eine Siliziumnitrid-Schicht, die über ein CVD-Ver
fahren ("Chemical Vapour Deposition") abgeschieden worden
ist.
Die Fig. 3 zeigt schließlich, wie, ausgehend von Fig. 2,
die poröse Schicht 14 auf der Rückseite 12 des Silizium-
Substrates 10 entfernt wird, um auf diese Weise eine Abdün
nung des Silizium-Substrates 10 auf eine vorgegebene ge
wünschte Dicke zu erreichen. Dabei ist offensichtlich, dass
sich das Ausmaß der Reduktion der Dicke des Silizium-
Substrates 10 unmittelbar aus der Dicke der porösen Schicht
14 ergibt, die entfernt worden ist.
Das rückseitige, gemäß Fig. 3 ganzflächige Entfernen der
porösen Schicht 14, die entweder aus porösem Silizium oder
oxidiertem porösem Silizium besteht, erfolgt entweder durch
Ätzen des porösen Siliziums in einer KOH-Lösung oder durch
Ätzen des erzeugten porösen Siliziumoxides in einer Fluss
säure-Lösung. Im Bereich des Überganges der porösen Schicht
14 zum Silizium-Substrat 10 kommt es dabei aufgrund der
deutlich verminderten Ätzrate beim Ätzen mit der KOH-Lösung
oder der HF-Lösung zu einer starken Verlangsamung der Ätzung
bzw. sogar zu einem vollständigen Ätzstopp, so dass die
nicht porösifizierten Bereiche des Silizium-Substrates 10
zumindest nicht nennenswert angegriffen werden. Daneben wird
beim rückseitigen Entfernen der porösen Schicht 14 aufgrund
der Passivierschicht bzw. Deckschicht 15 auch die Vordersei
te 11 des Silizium-Substrates 10 nicht angegriffen.
Claims (10)
1. Verfahren zur Reduktion der Dicke eines bereichsweise oder ganzflächig einseitig o
berflächlich porösifizierten Silizium-Substrates (10), dadurch gekennzeichnet, dass
die einer porösifizierten Vorderseite (11) gegenüber liegende Rückseite (12) des Sili
zium-Substrates (10) derart ganzflächig oder bereichsweise porösifiziert und das er
zeugte poröse Material danach entfernt wird, dass die verbleibende Dicke des Sub
strates (10) zumindest in dem Bereich, in dem das poröse Material von der Rückseite
entfernt wurde, einer gegenüber der ursprünglichen Dicke des Substrates (10) redu
zierten vorgegebenen Dicke entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Silizium-Substrat (10) bereichsweise auf der Vorderseite
(11) und/oder bereichsweise oder ganzflächig auf der Rückseite
(12) in poröses Silizium oder poröses Siliziumoxid überführt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorderseite (11) und die Rückseite (12) nacheinander
oder abwechselnd porösifiziert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Wechsel zwischen der Porösifizierung der Vorderseite (11)
und der Porösifizierung der Rückseite (12) durch Umpolen einer
beim Porösifizieren im Rahmen eines elektrochemischen Prozesses
eingesetzten elektrischen Spannung erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das insbesondere bereichsweise Porösifizie
ren der Vorderseite (11) und das insbesondere ganzflächige Porö
sifizieren der Rückseite (12) des Substrates (10) derart er
folgt, dass zwischen zwei sich gegenüber liegenden porösen Be
reichen (13, 14) stets ein Bereich (17) aus Silizium mit einer
Dicke von mindestens 10 µm verbleibt.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass auf der Vorderseite (11) und/oder der Rück
seite (12) erzeugtes poröses Silizium in oxidiertes poröses Si
lizium überführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der vorderseitig erzeugte porösifizierte
Bereich (13) vor dem Entfernen des rückseitig erzeugten porösen
Materials (14) oder Bereiches mit einer Deck- oder Passivier
schicht (15), insbesondere einer Siliziumnitridschicht, abge
deckt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorderseite (11) bereichsweise mit Hil
fe einer Maskierschicht (16), insbesondere einer Siliziumnitrid
schicht, maskiert wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das rückseitig erzeugte poröse Material
(14) durch Ätzen mit einer KOH-Lösung oder Flußsäure-Lösung ent
fernt wird.
10. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden
Ansprüche bei der Herstellung eines thermisch arbeitenden Sen
sors auf Basis einer Technik mit porösem Silizium, eines Tempe
ratursensors, eines Massenflußsensors, eines Luftgütesensors
oder eines Gassensors.
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