DE102004037128A1

DE102004037128A1 - Laserbearbeitung von mikromechanischen Strukturen

Info

Publication number: DE102004037128A1
Application number: DE102004037128A
Authority: DE
Inventors: Walter Emili; Helmut Skapa
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2006-03-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strukturierung eines mikromechanischen Bauelements mittels einer Laserbearbeitung bzw. ein durch ein derartiges Verfahren oder eine derartige Vorrichtung hergestelltes mikromechanisches Bauelement. Dabei ist vorgesehen, dass die Strukturierung durch die Laserbearbeitung mittels eines Materialabtrags von dem mikromechanischen Bauelement erfolgt. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass mittels der Laserbearbeitung wenigstens eine Membran in dem mikromechanischen Bauelement erzeugt wird. Der Vorteil gegenüber dem gängigen Verfahren liegt vor allem in einer Ersparnis von Produktionszeit und Produktionskosten. Die Entwicklung profitiert von kürzeren Entwicklungszeiten, da die Erstellung von Chrommasken entfällt und die Layotdaten direkt an den Laser, der die Strukturen erstellt, übertragen werden können. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung von Prototypen.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Strukturierung eines mikromechanischen Bauelements mittels einer Laserbearbeitung bzw. ein durch ein derartiges Verfahren oder eine derartige Vorrichtung hergestelltes mikromechanisches Bauelement nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

Bei den typischen in mikromechanischer Bauweise hergestellten Sensorbauelementen (Drucksensoren, Luftmassensensoren, Drehratensensoren und Beschleunigungssensoren) bestimmen Kavitäten bzw. Kavernen und dünne Membranen aus Halbleiterbauelementen wie Si, Si-Nitrid oder Si-Oxid entscheidend die Funktionalität. Dabei werden die Membranen vornehmlich mittels Ätzverfahren (Plasmaätzverfahren, Naßätzverfahren z.B. mit Kalilauge) aus dem Halbleitersubstrat herausgeätzt Notwendig ist dabei jedoch das teilweise aufwendige Aufbringen von Ätzschutzschichten auf das Halbleitersubstrat, beispielsweise durch photolithografische Verfahren. Die Strukturierung des Halbleitersubstrats kann dann beispielsweise mittels Plasmaätzverfahren erfolgen, wobei regelmäßig mehrere Arbeitsschritte erforderlich sind. Aus diesem Grund ist ein derartiger Herstellungsprozess bzw. eine derartige Strukturierung kosten- und zeitintensiv mit einem großen Verbrauch an Ätzmaterialien. Darüber hinaus bestehen durch die vielen Handlingsschritte die latente Gefahr einer Beschädigung des zu erzeugenden Sensorelements auf dem Halbleiterbauelement während des Herstellungsprozesses.

Als Abhilfe für derartige Probleme können Laser verwendet werden, wobei bereits bekannt ist, wasserstrahlgeführte Laser für das Trennen, Bohren, Markierung und die Mikrobearbeitung von Wafern einzusetzen. Weiterhin ist bekannt, mit Lasern Gräben einzuschneiden, Wafer zu dünnen und beliebige Konturen zu schneiden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein kosten- und zeitgünstigeres Laserverfahren für die Herstellung von Membranen in der Mikromechanik einzusetzen.

Vorteile der Erfindung

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strukturierung eines mikromechanischen Bauelements mittels einer Laserbearbeitung bzw. ein durch ein derartiges Verfahren oder eine derartige Vorrichtung hergestelltes mikromechanisches Bauelement. Dabei ist vorgesehen, dass die Strukturierung durch die Laserbearbeitung mittels eines Materialabtrags von dem mikromechanischen Bauelement erfolgt. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass mittels der Laserbearbeitung wenigstens eine Membran in dem mikromechanischen Bauelement erzeugt wird. Der Vorteil gegenüber dem gängigen Verfahren liegt vor Allem in einer Ersparnis von Produktionszeit und Produktionskosten.

Die Entwicklung profitiert von kürzeren Entwicklungszeiten, da die Erstellung von Chrommasken entfällt und die Layoutdaten direkt an den Laser, der die Strukturen erstellt, übertragen werden können. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung von Prototypen.

In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt der Materialabtrag durch den Laser selektiv, beispielsweise in Abhängigkeit von der Wellenlänge, der Energie und/oder der Pulsbreite des Lasers. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Laser unterschiedliche Materialien auf und in dem mikromechanischen Bauelement selektiv herauslöst und somit eine Strukturierung ermöglicht.

Vorteilhafterweise wird der Laserstrahl innerhalb eines Wasserstrahls bis zur Bearbeitungsstelle geführt, um den Materialabtrag, der sich bei der Laserbearbeitung ergibt, mittels des Wassers abtransportieren zu können.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird die Laserbearbeitung an einem Substrat durchgeführt, welches eine Vielzahl von mikromechanischen Bauelementen aufweist. Somit kann mittels eines Layouts auf jedem Bauelement wenigstens eine Membran erzeugt werden. Der Vorteil bei einer derartigen Bearbeitung eines beispielsweise aus einem Halbleiterelement bestehenden Substrats besteht darin, dass eine Vielzahl von mikromechanischen Bauelementen in einem Schritt erzeugt werden können, die in einem nachfolgenden Schritt vereinzelt werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass je nach Bearbeitungsschritt oder zu erzeugendem mikromechanischen Bauelement unterschiedliche Layouts eingesetzt werden können.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist zur Steuerung des Lasers ein Mittel vorgesehen, welches den Laser präzise über die Oberfläche des mikromechanischen Bauelements steuert. Dabei können beispielsweise x/y-Stellantriebe oder Spiegelanordnungen verwendet werden.

Um abzuwägen, ob ein Batch- oder Singlechip-Prozess rentabler ist, muss die Anzahl der Membranen bzw. die Anzahl der zu erzeugenden mikromechanischen Bauelemente pro Substrat berücksichtigt werden. Beim Laserstrukturierungsverfahren bzw. Laserablationsverfahren wird jeder Chip einzeln bearbeitet, was je Membran im Sekundenbereich geschieht. Beim Ätzverfahren werden alle Kavernen auf dem Wafer auf einmal geätzt, was aber mehrere Stunden dauert. Dadurch können Produkte mit einigen 100 Membranen pro Wafer mittels Laserablation durchaus kostenkünstiger als mit klassischer Technik hergestellt werden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnungen
In den 1a bis g ist ein herkömmliches Ätzverfahren zur Strukturierung eines Halbleitersubstrats dargestellt. 2 zeigt die Strukturierung durch einen Laserstrahl innerhalb eines Wasserjets.
Ausführungsbeispiel
In einem typischen Herstellungsverfahren zur Erzeugung einer Membran und/oder einer Kaverne wird mittels eines Ätzverfahrens zunächst ein (Halbleiter-)Substrat 100, beispielweise aus Silizium, in einer vorgegebenen Dicke erzeugt. Danach wird wie in 1b dargestellt, auf das Halbleitersubstrat 100 eine Schicht 110 aufgebracht, die aus einer dünnen Si- Nitrid Schicht besteht. Im folgenden Strukturierungsschritt, der in 1c dargestellt ist, wird die Schicht 110 im Bereich 120 bzw. 135 des zukünftigen Durchgangslochs und im Bereich 130 der zukünftigen Kaverne entsprechend herausgearbeitet. Anschließend wird das Halbleitersubstrat 100 thermisch oxidiert, so dass eine dicke Oxid-Schicht 140 entsteht, die lediglich im Bereich der strukturierten Si-Oxid/Si-Nitrid-Schicht Aussparungen aufweist (lokale Oxidation → LOCOS-Prozess) (1d). In 1e wird die Entfernung des Si-Nitrids gezeigt, wodurch die spätere Kaverne 150 definiert wird. Zum Schutz vor dem nachfolgenden Si-Ätzschritt wird im Kavernenbereich 150 eine zweite Si-Oxid-Schicht erzeugt. Anschließend wird durch einen ersten Si-Ätzschritt das Durchgangsloch 155 erzeugt. Im zweiten Si-Ätzschritt, welches in 1f dargestellt ist, wird die Kaverne 160 im Substrat 100 erzeugt. Abschließend wird dann das Oxid entfernt, so dass nun noch das strukturierte Substrat 100 übrig bleibt, wie es in 1g dargestellt ist.
Mit der vorgeschlagenen Erfindung lassen sich jedoch sowohl für Drucksensoren, Luftmassensensoren, Drehratensensoren und Beschleunigungssensoren (Sensorelement-) Strukturen aus mikromechanischen Bauelementen innerhalb weniger Verfahrensschritte ohne Ätzschritte erzeugen, wobei vorteilhafterweise die Strukturierung von Membranen und Kavernen bzw. Kavitäten aus einem Halbleitersubstrat vorgesehen sind. Dazu werden energiereiche Laserstrahlen 210 mittels hochpräziser x/y-Stellantriebe über die Oberfläche des Halbleitersubstrats 200 beispielsweise aus Si geführt, so dass wenigstens eine Membran 240 und/oder eine Kavität bzw. Kavernen 230 oder auch ein Durchgangsloch 250 durch Abtrag des Halbleitermaterials an den vorgesehenen Stellen herausgebildet wird. Dabei kann die Fertigungsanlage mit den jeweiligen Layoutdaten des herzustellenden mikromechanisches Bauelements gespeist werden, so dass die erforderlichen Strukturen automatisch erzeugt werden. Die Strukturtiefe wird über die Energie des Laserstrahls und bei einem gepulsten Laser über die Pulsbreite eingestellt. Durch die Abhängigkeit des Absorptionsvermögens von der Wellenlänge des Laserlichts kann die Laserenergie bei Mehrschichtsystemen gezielt in eine bestimmte Lage des Halbleitersubstrats bzw. des zu erzeugenden mikromechanischen Bauelements eingebracht und somit selektiv entfernt werden. So lässt sich beispielsweise bei einem Luftmassensensor eine Si-Schicht selektiv gegenüber einer Si-Nitridschicht entfernen.
Damit der vom Laserstrahl erzeugte Materialabtrag abtransportiert werden kann, wirkt auf die mit dem Laser bearbeitete Stelle gleichzeitig ein Wasserjet 220 mit hohem Druck ein (ca. 50 bis 200 bar). Darmit wird die zu bearbeitenden Stelle gleichzeitig gekühlt. Über Totalreflexion wird der Laserstrahl 210 in dem Wasserjet geführt.
Das beschriebene Verfahren wird insbesondere die Herstellung von Kappen- und Sockelwafern ganz erheblich vereinfachen, da hier das Aufwachsen der Oxid- und Nitridschichten, sowie 3 Fotoebenen und der Nassätzschritt mit Kaliumlauge entfallen würden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann auch ein Mix und Match zwischen konventioneller Lithographie und Laserbearbeitung bzw. Laserablation berücksichtigt werden. So können einige Strukturen mittels Photolithographie und Ätztechnik erzeugt werden, während andere, auf dem gleichen Chip, mit Laserablation hergestellt werden.

Claims

Verfahren zur Strukturierung eines mikromechanischen Bauelementen mittels einer Laserbearbeitung, wobei die Strukturierung durch einen Materialabtrag erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitung wenigstens eine Membran (240) in dem mikromechanischen Bauelement (200) erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabtrag durch den Laser selektiv erfolgt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Materialabtrag in Abhängigkeit von der Wellenlänge, der Energie und/oder der Pulsbreite des Lasers erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauelement unterschiedliche Materialien aufweist, wobei die Strukturierung in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Materialien erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtransport des Materialabtrags von der Bearbeitungsstelle mittels eines Wasserstrahl (220) erfolgt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Laserstrahl (210) des Lasers in dem Wasserstrahl zu der Bearbeitungsstelle geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung des mikromechanischen Materialabtrags mittels eines vorgebbaren Layouts erfolgt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass eine Mehrzahl von Membranen auf einem eine Vielzahl von mikromechanischen Bauelemente bildenden Substrat erzeugt werden.
Vorrichtung zur Strukturierung eines mikromechanischen Bauelements mittels einer Laserbearbeitung, wobei die Strukturierung mittels eines Materialabtrags durch den Laser erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die den Laser derart steuern, dass durch die Laserbearbeitung eine Membran (240) in dem mikromechanischen Bauelement (200) erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die die Wellenlänge, die Energie und/oder die Pulsbreite des Lasers variieren.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (210) des Lasers in einem Wasserstrahl (220) zur Bearbeitungsstelle geführt wird.
Mikromechanisches Bauelement hergestellt nach einem der Verfahren 1 bis 5.