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Die
Erfindung betrifft ein Bauelement sowie ein Verfahren zum Herstellen
eines derartigen Bauelementes. Das Bauelement kann insbesondere
ein mikromechanischer Sensor sein.
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Die
DE 103 34 238 A1 beschreibt
einen mikromechanischen Sensor mit einem Aufnahmebereich für eine zu
untersuchende Substanz und einem Zugangskanal, durch den ein Austausch
der Substanz ermöglicht
ist. Die Wand des Zugangskanals erhält durch einen Ätz- oder
Prägeprozess
eine Behandlung, bei der eine Oberflächenstrukturierung, insbesondere
im Mikro- oder Nanometermaßstab, aufgebracht
wird, die eine hydrophobe bzw. ultrahydrophobe Wirkung aufweist,
um entsprechend dem sogenannten Lotus-Effekt eine Selbstreinigung der Oberfläche zu ermöglichen.
Hierdurch kann es Tröpfchen
von Kondenswasser und Schmutzpartikeln ab einer bestimmten Größe ermöglicht werden,
sich entlang der zu Oberfläche
zu bewegen. Die Oberflächenstrukturierung
wird hierbei durch Aufbringen einer organischen Substanz auf die
Oberfläche
erreicht, wobei die Substanz nachfolgend ggf. ausgehärtet werden
kann, z. B. durch eine LTV-Bestrahlung. Als Substanz können insbesondere
Polymere oder Kunststoffe aufgebracht werden, die nachträglich verarbeitet
werden können.
Die genauen Prozessschritte zur Ausbildung der Oberflächenstruktur bzw.
Rauigkeit im Mikro- oder Nanomaßstab
für den Lotus-Effekt
werden nicht näher
beschrieben.
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Die
Ausbildung der Oberflächenstrukturierung
auf den Bauelementen ist jedoch im Allgemeinen nicht unproblematisch.
So sind entsprechende organische Lacke weder mechanisch beanspruchbar noch
chemisch langzeitbeständig.
Mikromechanische Bauelemente können
z.T. auch nicht großflächig mit
beliebigen Lacken benetzt werden, ohne ggf. Beeinträchtigungen
der Bauelementfunktionen oder Zerstörungen zu riskieren. Weiterhin
muss zum Ausbilden eines sicheren Lotus-Effektes eine hinreichend
feine Strukturierung erzielt werden, die im Allgemeinen bereits
unter den Mikrometer-Bereich reicht.
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Das
erfindungsgemäße Bauelement
und das erfindungsgemäße Verfahren
zu dessen Herstellung weisen demgegenüber einige Vorteile auf. Das
Bauelement kann insbesondere ein Sensor sein.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, eine Oberflächenstruktur
mit Mikroskalierung oder vorteilhafterweise Nanoskalierung (d.h.
lateralen Skalierung im Mikrobereich oder Nanobereich) für einen
Selbstreinigungseffekt mittels Dünnschichttechnologie
auszubilden. Hierbei wird eine strukturierte Schicht aus einem nicht-organischen
Material ausgebildet. Somit kann die Ausbildung der Oberflächenstrukturierung
in den Herstellungsprozess des Bauelementes eingebunden werden,
so dass der Mehraufwand und die Mehrkosten relativ gering sind.
Weiterhin können
die so strukturierten bzw. beschichteten Bereiche genau definiert
werden, so dass ein unbeabsichtigtes Strukturieren bzw. Beschichten
weiterer Funktionsflächen
oder Funktionsbereiche des Bauelementes verhindert werden kann;
es ist somit eine genaue lokale Beschichtung bzw. Strukturierung möglich, die
einen sicheren selbstreinigenden Effekt bei geringen Zusatzkosten
und geringem zusätzlichen
Aufwand ermöglicht.
Somit kann der Sensor großflächig mit
der Funktions-Beschichtung
versehen werden, so dass Verschmutzungen selbsttätig entfernt werden können und
somit eine verschmutzungsbedingte Sensordrift verhindert oder klein
gehalten werden kann.
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Die
erfindungsgemäßen mittlere
Rauigkeitstiefe ist vorteilhafterweise größer als 50 nm, insbesondere
größer als
100 nm, da ab diesem Bereich ein guter Abperleffekt bzw. Lotus-Effekt
erreicht wird.
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Erfindungsgemäß wird gemäß einigen
Ausführungsformen
auf dem Bauelement, d. h. dem Substrat oder einer das Substrat bedeckenden
Schicht, zunächst
eine Deckschicht aufgebracht, die nachfolgend strukturiert oder
mit einer zusätzlichen
strukturierten Schicht versehen wird. Hierzu kann gemäß einer
Ausführungsform
zunächst
ein Lack als Dünnschicht
aufgetragen werden, der mehrphasig vorliegende Komponenten, d. h.
mindestens zwei nicht homogen gemischte oder gelöste, sondern getrennte Komponenten
aufweist. Die mehreren Phasen können
insbesondere als Emulsion, Suspension oder kolloidale Dispersion
vorliegen. Indem erfindungsgemäß nachfolgend
eine oder mehrere der Komponenten aus dem Lack entfernt werden und
zumindest eine der Komponenten der Lackschicht zurück bleibt, wird
somit eine Mikro- oder Nanoskalierung der verbleibenden Komponente
erzielt. Die verbleibende Komponente kann nachfolgend als Maske
zum Ätzen der
darunter liegenden Deckschicht dienen und nach dem Ätzvorgang
entfernt werden.
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Hierbei
können
als mehrphasige Lackkomponente z. B. eine Emulsion zweier Flüssigkeiten
mit Tröpfchengrößen im Mikro-
oder Nanometerbereich verwendet werden, die vorab durch entsprechende mechanische
Verfahren, z. B. Rühren
usw., erzeugt werden. Es ergibt sich eine stochastische bzw. unregelmäßige Strukturierung
der beiden Phasen in der Emulsion und somit nachfolgend eine entsprechende stochastische
Oberflächenstrukturierung,
wie sie auch bei natürlichen
Oberflächen
mit gutem Lotus-Effekt bekannt ist. Eine derartige Emulsion kann z.
B. mit einer hydrophilen und einer hydrophoben bzw. lipophilen Phase
ausgebildet werden, da sich die beiden Phasen ohne wesentliche chemische
Lösung
gut emulgieren lassen und nachfolgend ein selektives Heraustrennen,
insbesondere durch chemisches Lösen
bzw. Herauswaschen ermöglicht
wird. Weiterhin kann eine Lackkomponente bereits ein Lösungsmittel
sein, das nachfolgend selbsttätig
verdampft. Die verbleibende Lackkomponente kann nach dem Ätzen jeweils
mit einem Plasmastripper entfernt werden.
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Alternativ
zu einer Emulsion kann auch eine Suspension bzw. kolloidale Dispersion
von Partikeln mit entsprechender Mikro- oder Nanoskalierung in einer
Lack-Komponente – z.
B. auch einem Lösungsmittel-
aufgetragen werden, wobei die Partikel nach oben aus der weiteren
Lackkomponente herausragen; somit wird im Allgemeinen eine Dünnschicht
mit einer Dicke im Bereich von oder unterhalb der zu erreichenden
Skalierung aufgetragen.
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Aus
der Suspension oder kolloidalen Dispersion können nun gemäß einer
Ausführungsform nachfolgend
die Partikel durch ein selektives Lösungsmittel herausgelöst werden,
das die weitere Lack-Komponente nicht angreift. Alternativ hierzu kann
die flüssig
aufgebrachte, weitere Lack-Komponente herausgelöst werden, so dass die Partikel
verbleiben. In beiden Fällen
ergibt sich eine Mikro- oder Nanoskalierung, die wiederum als Maske
für den nachfolgenden Ätzvorgang
zur Ausbildung der Strukturierung in der Deckschicht dient.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
auch eine vorgegebene Strukturierung ausgebildet werden; somit sind
insbesondere regelmäßige Strukturierungen
bzw. zweckmäßige Strukturierungsmuster
möglich.
Hierzu kann insbesondere eine Opferschicht aus der Deckschicht eines
Sensors ausgebildet oder auf dem Sensorsubstrat selbst abgeschieden
und nachfolgend derartig strukturiert werden, dass sich senkrechte
Flanken ausbilden; auf der so im Mikro- oder Nanometerbereich skalierten
Opferschicht wird nachfolgend eine dünne, konforme Schicht durch
z. B. Oxidation ausgebildet, und nachfolgend in einem anisotropen Ätzschritt
die dünne, konforme
Schicht von ihren waagerechten Flächen entfernt. Bei nachfolgendem
selektivem Opferschichtätzen
bleiben somit lediglich die senkrechten Flanken der konformen Schicht übrig, die
sehr feine Strukturierungen ermöglichen.
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Bei
einer derartigen gezielten Strukturierung mit vorgegebenen Strukturierungsmustern
können insbesondere
in lateraler Richtung Strukturierungsmuster ausgebildet werden,
z. B. eine Verstärkung des
oleophoben Effektes bzw. Abperl-Effektes lateral nach außen hin,
so dass auf die Oberfläche
gelangte Flüssigkeitströpfchen oder
Teilchen lateral nach außen
befördert
werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen
an einigen Ausführungsformen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1a bis
d den erfindungsgemäßen Herstellungsprozess
für ein
erfindungsgemäßes Bauelement
gemäß einer
ersten Ausführungsform;
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2a bis c einen Herstellungsprozess gemäß einer
weiteren Ausführungsform;
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3a bis c einen Herstellungsprozess gemäß einer
weiteren Ausführungsform;
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4a bis d einen Herstellungsprozess eines
erfindungsgemäßen Bauelementes
gemäß einer weiteren
Ausführungsform
der Erfindung.
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Gemäß dem in
den 1a bis 1d gezeigten Herstellungsprozess
wird auf einem Sensorsubstrat 1 – im Allgemeinen Silizium – zunächst eine
Deckschicht 2, z. B. Poly-Silizium oder SiO2, aufgetragen bzw.
ausgebildet. Auf der Oberfläche 2.1 der
Deckschicht 2 wird nachfolgend eine Lackschicht 3 aufgetragen,
die eine erste Lack-Komponente 3.1 und eine zweite Lack-Komponente 3.2 aufweist.
Die Lackschicht 3 ist hierbei eine Lackemulsion aus – mindestens – zwei getrennten
Phasen, wobei sich in der Lackemulsion jeweils Bereiche mit Breiten
im wesentlichen unter 100 nm der ersten Lack-Komponente 3.1 und der zweiten
Lack-Komponente 3.2 ausbilden, die in unterschiedlichen
Lösungsmitteln
lösbar
sind. Hierbei können
z. B. PMMA (Polymethylmethacrylat) als Lack-Komponente 3.1 und
PS (Polystyrol) als Lack-Komponente 3.2 gewählt werden.
Weiterhin können
z. B. auch eine hydrophile und eine hydrophobe bzw. lipophile Phase
gewählt
werden, da sich hierdurch in der Lackschicht 3 eine Emulsion
ohne Mischung ausbildet. Hierbei kann die erste Lack-Komponente 3.1 z.
B. auch ein Lösungsmittel sein.
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Nachfolgend
wird gemäß 1b die
erste Lack-Komponente 3.1 selektiv chemisch herausgelöst, ohne
die zweite Lack-Komponente 3.2 zu entfernen. Hierzu kann
z. B. Cyclohexan zum selektiven Herauslösen von PMMA als Lack-Komponente 3.1 verwendet
werden. Falls die erste Lack-Komponente 3.1 wasserlöslich ist
und die zweite Lack-Komponente 3.2 nicht wasserlöslich ist,
kann entsprechend Wasser oder eine wässrige Lösung verwendet werden; entsprechend
kann ein lipophiles bzw. hydrophobes Lösungsmittel verwendet werden,
wenn die erste Lack-Komponente 3.1 lipophil ist und die
zweite Lack-Komponente 3.2 nicht. Wenn als erste Lack-Komponente 3.1 ein
Lösungsmittel
verwendet wird, das nach Aufbringen der Emulsion verdampft, so kann
der Schritt 1b selbsttätig
erfolgen.
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Im
Schritt 1c wird ein trockenchemischer oder nasschemischer Ätzprozess
durchgeführt,
bei dem die verbleibenden Bereiche der Lack-Komponente 3.2 als Maske wirken,
so dass sich in der Deckschicht 2 eine Rauigkeit bzw. Oberflächenstruktur 2.2 ausbildet.
Die Rauigkeit bzw. Oberflächenstruktur 2.2 weist
somit eine Skalierung von unter 100 nm auf. Die mittlere Tiefe t
der Rauigkeit liegt hierbei vorzugsweise im Bereich größer 50 nm,
z. B. auch größer als 100
nm. Als nasschemisches Ätzverfahren
kann z. B. mit KOH oder HF geätzt
werden, als trockenchemisches Ätzverfahren
z. B. mit SF6, falls als Deckschicht 2 Si oder Si3N4 verwendet
wird, oder auch z. B. mit ClF3 oder mit HF-Dampf im Falle einer
Deckschicht 2 aus SiO2.
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Nachfolgend
wird gemäß Schritt 1d die Lack-Komponente 3.1 selektiv
entfernt, ohne die strukturierte Deckschicht 2 zu verändern; dies
kann z. B. durch Lösen
der Lackkomponente 3.2 mit einem geeigneten Lösungsmittel
erfolgen. Es bildet sich somit gemäß 1d ein
Bauelement 4, insbesondere ein mikromechanischer Sensor 4,
mit einer oberen Schicht 1, insbesondere dem Sensorsubstrat 1,
und einer strukturierten Deckschicht 2 mit einer Oberflächen Rauigkeit 2.2 mit
Strukturen kleiner 100 nm aus. Wie in 1d ge zeigt,
werden aufgebrachte Tröpfchen 5 einer
Flüssigkeit,
z. B. auch Öltröpfchen 5 mit größerem Durchmesser
als die Strukturbreiten, aufgrund ihrer Oberflächenspannung nicht die raue Oberfläche der
Deckschicht 1 benetzen; sie perlen somit entsprechend dem
Lotus-Effekt zur Seite hin ab.
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Ergänzend kann
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
in einem weiteren Prozessschritt die Oberflächenstruktur 2.2 mit
einer dünnen
Schicht 2.3 aus einem hydrophoben Material, z. B. Polytetrafluorethylen
(PTFE) oder Perfluordecyltrichlorsilan (PFDTCS) beschichtet werden.
Das PTFE kann hierbei z. B. aus der Gasphase abgeschieden werden,
so dass sich lediglich eine molekulare Monoschicht von z. B. 15
nm Dicke ausbildet.
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Gemäß der Ausführungsform
der 2 wird auf der Deckschicht 2 als Lackschicht 13 eine
Suspension oder kolloidale Dispersion mit einer Lack-Komponente 13.2 – die auch
ein Lösungsmittel sein
kann – und
Partikeln 13.1 als weiterer Lack-Komponente aufgetragen.
Hierbei ragen die Partikel 13.1 vorteilhafterweise nach
oben aus der Lack-Komponente 13.2 heraus. Hierbei werden
Partikel 13.1 mit einer Größe entsprechend der gewünschten
Strukturbreite, z. B. 50 nm oder kleiner 100 nm gewählt und
weiterhin eine Dicke der ersten Lackschicht 13.2 unterhalb
dieses mittleren Durchmessers gewählt
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Nachfolgend
werden gemäß Schritt 2b die Partikel 13.1 selektiv
aufgelöst;
hierzu können
als Partikel 13.1 z. B. Glaspartikel bzw. SiO2-Partikel und
als Ätzgas
Fluorwasserstoff HF verwendet werden, die sich selektiv ohne Ätzen der
ersten Lack-Komponente 13.2 oder der Deckschicht 2 ätzen lassen.
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Nachfolgend
wird gemäß 2c wiederum ein Prozessschritt des Rauätzens der
Deckschicht 2, insbesondere durch einen trockenchemischen
oder nasschemischen Ätzprozess
durchgeführt,
bei den die Lack-Komponente 13.2 der Lackschicht 13 als Maske
wirkt, entsprechend dem Prozessschritt der 1c. Nachfolgend
wird somit wiederum durch Auflösen
bzw. Ablösen
der ersten Lack-Komponente 13.2 das in 1d gezeigte
Bauelement 4 ausgebildet, bei dem wiederum wahlweise die
Beschichtung 2.3 aufgebracht wird.
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Gemäß der Ausführungsform
der 3a bis c wird auf der Deckschicht 2 wiederum
eine Lackschicht 23 mit einer ersten Lack-Komponente 23.1, die
auch ein Lösungsmittel
sein kann, und Partikeln als zweite Lack-Komponente 23.2 aufgetragen.
Hierbei können
die Partikel 23.2 kleiner als in der Ausführungsform
der 2 sein und von der ersten Lack-Komponente 23.1 auch
ganz bedeckt werden. Auch hier wird somit eine Suspension oder kolloidale Dispersion 23 aufgebracht.
Nachfolgend wird in 3b die Lack-Komponente 23.1 selektiv
entfernt, z. B. mittels superkritischem CO2. Die Partikel 23.2 bleiben
auf der Oberfläche 2.1 der
Deckschicht 2 zurück.
Nachfolgend wird wiederum ein Rauätzen der Deckschicht 2 mit
den Partikeln 23.2 als Maskierung entsprechend dem Schritt
der 1c oder 2c durchgeführt, so
dass die Deckschicht 2 mit der Oberflächenstruktur bzw. Oberflächen-Rauigkeit 2.2 ausgebildet
wird. Die lose aufliegenden Partikel 23.2 können nachfolgend
mit einer geeigneten Flüssigkeit weggewaschen
werden, wozu eine Flüssigkeit
aufgebracht werden kann, so dass die Partikel 23.2 unter
Nutzung des Lotus-Effektes entfernt werden. Somit wird wiederum
das Bauelement 4 der 1d ausgebildet
wird.
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Bei
den Ausführungsformen
der 1 bis 3 kann statt des Sensorsubstrates 1 auch
eine andere Schicht 1 vorgesehen sein.
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Bei
der Ausführungsform
der 4 wird auf einer oberhalb des Substrates 1 vorgesehenen
Abdeckschicht 32 aus einem anderen Material als Silizium,
z. B. SiO2 oder Si3N4, zunächst
eine Opferschicht 31 aus Silizium, z. B. Poly-Silizium,
aufgetragen, die nachfolgend strukturiert wird. Hierzu wird z. B.
ein Lack 33 aufgetragen und photolithographisch strukturiert;
nachfolgend wird die Opferschicht 31 durch z. B. trockenchemisches
oder nasschemi sches Ätzen
unterhalb der Lackschicht 33 strukturiert und nachfolgend
die Lackschicht 33 entfernt. Hierbei werden senkrechte
Flanken 31.1 in der Opferschicht 31 ausgebildet.
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Gemäß 4b wird auf der strukturierten Opferschicht 31 eine
dünne,
konforme Schicht 34, z. B. aus SiO2, ausgebildet. Dies
kann durch Abscheidung oder Ausbildung aus der Schicht 31 heraus,
d. h. insbesondere Oxidation bzw. lokale Oxidation erfolgen. Die
konforme Schicht 34 ist hierbei derartig ausgebildet, dass
sie die Struktur der Opferschicht 31 nicht verändert, insbesondere
auch die Zwischenräume
nicht auffüllt.
Somit bedeckt die konforme Schicht 34 auch die steilen
Flanken 31.1 der strukturierten Opferschicht 31.
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Nachfolgend
wird gemäß 4c ein anisotroper Ätzschritt durchgeführt, wie
er z. B. bei CMOS-Prozessen zur Ausbildung von Poly-Si-Gate-Spacern
bekannt ist. Hierzu kann z. B. ein Plasmaätzschritt durchgeführt werden,
der lediglich die horizontalen Flächen ätzt und somit die konforme Schicht 34 in
ihren horizontalen Bereichen entfernt, nicht jedoch die vertikal
verlaufenden Flanken 34.1 der konformen Schicht 34.
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Nachfolgend
wird gemäß Schritt 4d das Silizium der Opferschicht 31 in
den verbleibenden Bereichen zwischen den Flanken 34.1 der
konformen Schicht 34 selektiv geätzt, z. B. mittels ClF3, ohne dass
die Abdeckschicht 32 angegriffen wird. Somit verbleibt
eine Oberflächenstruktur
der konformen Schicht 34, die gemäß der gewählten Maskierung strukturiert
ist.
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Bei
dieser Ausführungsform
kann die Strukturierung der Opferschicht 34 entsprechend
gewählt werden,
da sie sich nicht zufällig
aus der Verteilung eines Kolloids oder einer Suspension ergibt.
Somit können
bewusst Muster mit lateraler Variation gewählt werden, z. B. zu einer
Seite hin abnehmende Strukturabstände d oder von der Mitte nach
außen hin
variierende Strukturabstände
d, so dass ein laterales Abperlen aufgebrachter Tröpfchen und Staubteile
erreicht werden kann.
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Bei
allen Ausführungsformen
werden vorteilhafterweise Rauigkeits-Tiefen bzw. mittlere Rauigkeitstiefen
t von größer 50 nm,
vorzugsweise größer 100
nm erreicht, die sich somit funktionelle deutlich von Rauigkeiten
von rau abgeschiedenen Schichten mit Tiefen von etwa 10 nm und bis
zu 20 nm unterscheiden.