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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von kommunizierenden
Hohlräumen.
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Nach
dem Erfolg der Mikroelektronik und der Mikromechanik setzt sich
seit einigen Jahren der Trend der Miniaturisierung auch bei Strukturen
zum Handling und zur Analyse kleinster Flüssigkeits- oder Gasmengen (Mikrofluidik)
durch, zunehmend auch mit kommerziellem Erfolg. Als Materialsysteme
kommen hauptsächlich
Silizium/Glas und Kunststoffe zum Einsatz. Die bisherigen „kommerziell
verträglichen" Verfahren zur Strukturierung
beider Materialsysteme erlauben es jedoch nur, eine Ebene zur Steuerung
von Flüssigkeiten
unabhängig
zu gestalten. Weitere Funktionalität oder das Deckeln der Kanäle lässt sich
nur durch Verbinden mehrerer getrennt strukturierter Ebenen erreichen.
Neben Kosten- und Materialaufwand bringt dies zusätzlich Ausbeuteverluste
mit sich.
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Einzelprozessschritte
der Mikromechanik zur Erzeugung von Bauelementen für die Mikrofluidik sind
in einigen Veröffentlichungen
bereits beschrieben.
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In
der deutschen Patentanmeldung
DE 100 32 579 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung
eines mehrschichtigen mikromechanischen Halbleiterbauelements, wie
eines Drucksensors gezeigt, der ein Halbleitersubstrat aus Silizium
aufweist. Das Verfahren beinhaltet, dass in einem ersten Schritt
eine poröse
Schicht in dem Halbleiterbauelement gebildet wird, und in einem
zweiten Schritt ein Hohlraum unter oder aus der porösen Schicht
gebildet wird, wobei der Hohlraum mit einer externen Zugangsöffnung versehen
sein kann.
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Die
deutsche Patentanmeldung
DE
102 41 066 offenbart ein Halbleiterbauelement und ein Herstellungsverfahren
mit einem Halbleitersubstrat, wobei ein erster und ein zweiter Teilbereich
vorgesehen sind, wobei sich die Porenstruktur des ersten Teilbereichs
von der Porenstruktur des zweiten Teilbereichs unterscheidet.
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In
der deutschen Patentanmeldung
DE 101 49 139 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung
von Hohlräumen
mit optisch transparenter Wandung gezeigt. Dabei wird ein Siliziumbereich
mit einer Mantelschicht umgeben, die Mantelschicht geöffnet und durch
diese Öffnung
das Silizium aus dem Inneren herausgelöst, so dass ein Hohlraum entsteht.
Die Mantelschicht wirkt hierbei als Ätzstoppschicht. Auf diese Weise
können
auch Kanäle
mit durchsichtigen Wänden
erzeugt werden.
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Die
deutsche Patentanmeldung
DE
103 34 240 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung
eines mikromechanischen Bauteils für fluidische Anwendungen und
eine Mikropumpe mit einer Pumpmembran aus einer epitaktisch hergestellten
Polysiliziumschicht (Epipoly oder Doppel-Epipoly). Die Mikropumpe
besteht aus einer Schichtstruktur, die durch ein Verfahren mit von
der Oberseite und von der Unterseite einwirkenden Prozess-Schritten
hergestellt wird (Bulk-Mikromechanik).
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VORTEILE DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von kommunizierenden
Hohlräumen.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass alle Prozess-Schritte
im Wesentlichen von einer Seite auf das Siliziumsubstrat angewendet
werden, d.h. in Oberflächen-Mikromechanik
ausgeführt
werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
hat den Vorteil, dass die Strukturierung des Siliziumsubstrats nur
von einer Waferseite erforderlich ist. Damit ist kein Waferdurchgang
nötig,
was Prozesskosten und Zeit spart. Außerdem wird die Handhabung
des Wafers vereinfacht, weil ein nur einseitig bearbeiteter Wafer
stabiler ist.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
das Abdecken der erzeugten Hohlräume
durch anodisches Bonden einer Glasschicht darauf erfolgt. Vorteilhaft werden
so die Kanäle,
Hohlräume
oder sonstige, insbesondere fluidische Elemente abgedeckt. Die Glasschicht
ist vorteilhaft schon mit den notwendigen Zugangsöffnungen
zu den fluidischen Strukturen versehen.
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Vorteilhaft
ist, dass nach dem Strukturieren des Siliziumsubstrats ein etwaiges
auf dem Siliziumsubstrat befindliches Oxid in einer Wasserstoffatmosphäre reduziert
wird. Dadurch wird das Substrat für darauf folgende Prozess-Schritte
gereinigt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
nach dem Abscheiden einer Epitaxieschicht eine Oxidschicht aufgebracht
und strukturiert wird, anschließend
eine weitere Epitaxieschicht aufgebracht wird, und die Epitaxieschicht
und die weitere Epitaxieschicht strukturiert werden. Vorteilhaft
lassen sich so in zwei oder mehreren Epitaxieschichten kompliziertere
Strukturen, wie beispielsweise kreuzende Kanalstrukturen schaffen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
nach dem Strukturieren des Siliziumsubstrats eine thermische Oxidation
der porös
geätzten
Bereiche des Siliziumsubstrats und der Oberflächen des übrigen Siliziumsubstrats erfolgt.
Vorteilhaft lässt
sich so eine Ätzstoppschicht
aus Siliziumoxid für
ein selektives Ätzen von
Silizium schaffen.
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Vorteilhaft
ist dabei weiter, dass nach der thermischen Oxidation zunächst eine
Epitaxie-Oxidschicht
und darauf eine Epitaxie-Startschicht aufgebracht wird, bevor eine
Epitaxieschicht aufgewachsen wird. Vermittels dieser Schichten kann
die Epitaxieschicht leicht aufgebracht werden.
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Vorteilhaft
ist dabei weiter, dass nach dem Aufbringen einer Epitaxieschicht
eine weitere Epitaxie-Oxidschicht aufgebracht wird, darauf eine
weitere Epitaxie-Startschicht aufgebracht wird, darauf eine weitere
Epitaxieschicht aufgebracht wird, und die Epitaxieschicht und die
weitere Epitaxieschicht strukturiert werden, wobei die Epitaxie-Oxidschicht, die weitere
Epitaxie-Oxidschicht und ein durch die thermische Oxidation erzeugtes
thermisches Oxid wenigstens teilweise freigelegt werden. Durch geschicktes Anordnen
der Oxidschichten und selektives Ätzen von Silizium gegenüber Siliziumoxid
können komplizierte
fluidische Strukturen definiert und freigelegt werden.
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Vorteilhaft
ist dabei weiterhin, dass nach dem Strukturieren der Epitaxieschichten
die Epitaxie-Oxidschicht, die weitere Epitaxie-Oxidschicht und das
thermische Oxid durch Gasphasenätzen
wenigstens teilweise entfernt werden. Vorteilhaft können hierdurch
unter anderem bewegliche Elemente freigelegt werden.
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Weitere
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind eine mögliche
kompakte Realisierung von Fluidikstrukturen durch platzsparende
vertikale Anordnung. In der Folge bedeutet dies einen geringeren
Platzbedarf auf der Waferfläche
für diese Strukturen
und damit je Wafer eine höhere
Anzahl realisierbarer Strukturen. Weiterhin eröffnet sich die Möglichkeit
neuartige Fluidikelemente zu realisieren, die in Einzel- oder Teilprozessen
nicht umsetzbar sind: z.B. bewegliche Elemente wie Ventile und Pumpen.
Realisierbar ist auch die Möglichkeit,
mechanische Anschläge
für bewegliche
Teile vorzusehen. In dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist keine
oder weniger Waferverbindungstechnik nötig, als in Verfahren im Stand
der Technik. Durch den Entfall dieses Herstellungsschrittes ist
eine höhere
Ausbeute erzielbar. Mit dem Verfahren können bei gleicher Ausrüstung eine
Vielzahl unterschiedlicher Strukturen hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
ist IC-kompatibel. Hierdurch ist eine Integration mit Elektronikprozessen möglich. Es
können
zum Beispiel auf demselben Substrat neben den fluidischen Strukturen
auch Heizer, Sensoren, oder sonstige Analysefunktionen, Aktuatoren
usw. vorgesehen werden.
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Vorteilhaft
erfolgt die Strukturierung eines Halbleiterwafers, insbesondere
bevorzugt Silizium, durch „Anodisieren" (elektrochemisches
poröses Ätzen, bzw.
Entfernen – also
porös Ätzen mit
100% Porosität)
durch Anlegen einer Spannung in einer HF-Lösung). Durch Variation der
Porosität
in unterschiedlichen Tiefen können
Hohlräume,
Kavernen oder Kanäle
in den Wafer eingebracht werden, die von einer mehr oder weniger
dünnen
Schicht porösen
Materials, einer Membran gedeckelt werden. Optional kann eine Durchoxidierung
des mehr oder weniger porösen
Materials an bestimmten Teilen der Membran erfolgen, um ihre Auflösung durch
Gasphasenätzen
zu ermöglichen.
Vorteilhaft zur Herstellung fluidischer Strukturen ist das Aufbringen
einer oder mehrerer Epitaxieschichten, die ihrerseits z.B. durch Ätzen (Trenchen)
strukturiert werden können.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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ZEICHNUNG
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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1 zeigt die Herstellung von kreuzenden Kanalstrukturen
als erstes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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2 zeigt die Herstellung einer beweglichen
Struktur in der Form eines Ventils als zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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3 zeigt
eine Mikropumpe wie sie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist.
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4 stellt
das erfindungsgemäße Verfahren
schematisch dar.
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BESCHREIBUNG
VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Anhand
der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindung
detailliert dargestellt werden.
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1 zeigt die Herstellung von kreuzenden Kanalstrukturen
als erstes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zunächst
wird eine Ebene mit Kanälen
strukturiert. Diese Schritte sind ähnlich denen, mit denen bei
einem Drucksensor mit porösem
Silizium die Kaverne erzeugt wird, wie im Stand der Technik
DE 100 32 579 A1 offenbart
ist.
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Gemäß der Darstellung
in 1.1 wird in einem ersten Prozess-Schritt A ein
Siliziumsubstrat 100 bereitgestellt. Die Bearbeitung dieses
Substrates ist hier und in allen folgenden Prozess-Schritten in Schnittdarstellung
gezeigt. Anschließend
wird in einem Prozess-Schritt B eine erste Maske 110 in
das Siliziumsubstrat 100 eingebracht, in diesem Beispiel eine
sogenannte Implantationsmaske 110 mit n+-Dotierung.
Das Siliziumsubstrat 100 ist in diesem Beispiel p-dotiert.
Die Maske 110 dient dazu, die Bereiche des Substrates 100 zu
definieren, die nach einem folgenden Prozess-Schritts des Anodisierens stehen
bleiben sollen.
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Gemäß 1.2 wird in einem folgenden Prozess-Schritt C
eine zweite Maske 120 (beispielsweise aus Nitrit) auf das
Siliziumsubstrat 100 aufgebracht. Die zweite Maske 120 ist
ein Schutz der Oberfläche
des Siliziumsubstrats 100 um den Ätzangriff auf die dotierten
Bereiche 110 zu verhindern. Falls erforderlich können undotierte
Bereiche zur Realisierung weiterer Funktionalität ebenfalls maskiert werden,
wie weiter unten in einem zweiten Ausführungsbeispiel noch dargestellt
wird.
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Wie
in
1.3 dargestellt ist, wird in einem nächsten Prozessschritt
D der Wafer, also das Siliziumsubstrat
100 anodisiert,
d.h. unter elektrischer Spannung porös geätzt. Die Porositäten in den
verschiedenen Tiefen müssen
je nach Anforderung angepasst werden. Im dargestellten Beispiel
wird der in der deutsche Patentanmeldung
DE 102 41 066 beschriebene Schichtaufbau
empfohlen, d.h. an der Oberfläche
wird eine gering poröse
Schicht
140 erzeugt, und darunter wird eine hochporöse Schicht
130 erzeugt.
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Die
Oberseite des Siliziumsubstrats 100 wird dazu elektrochemisch
unter Verwendung eines geeigneten Ätzmediums derart geätzt, dass
das Ätzmedium
kleine Öffnungen
oder Poren in dem Siliziumsubstrat 100 erzeugt. Durch Anpassung
der Ätzparameter
entsteht eine Siliziumschicht 140 mit geringer Porosität. Durch
diese kleinen Öffnungen
bzw. Poren der Siliziumschicht 140 gelangt das Ätzmedium
in tiefer gelegene Bereiche des Siliziumsubstrats 100 und bildet
ebenfalls Poren mit dem dort befindlichen Silizium. Hierbei entsteht
eine hochporöse
Siliziumschicht 130 unterhalb der gering porösen Siliziumschicht 140.
Bei dem Ätzmedium
zum elektrochemischen Ätzen,
handelt es sich bevorzugt um Flusssäure (HF) oder um ein Ätzmediumn,
das u.a. Flusssäure
(HF) enthält.
Zum elektrochemischen Ätzen
oder Anodisieren wird bevorzugt ein elektrisches Feld zwischen der
Oberseite und der Unterseite des Siliziumsubstrats 100 erzeugt,
wobei über
die Ätzparameter, nämlich die
eingestellte elektrische Feldstärke
bzw. die eingestellte elektrische Stromdichte die Ausdehnungsgeschwindigkeit
und Größe der Poren
bzw. Öffnungen
bzw. Hohlräume
beeinflusst wird.
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Nachdem
das Ätzmedium
die poröse
Siliziumschicht 140 durchdrungen hat, wird im weiteren Verlauf
bevorzugt die Stromdichte im Vergleich zur Stromdichte zur Bildung
der oberflächlicheren
porösen
Siliziumschicht 140 erhöht,
wodurch die Poren vergrößert bzw.
die Hohlraumausdehnungsgeschwindigkeit gesteigert wird und größere Poren
in der tiefer gelegenen Siliziumschicht 130 im Vergleich zu
den Poren in der oberflächlicheren
porösen
Siliziumschicht 140 entstehen. Das von dem Ätzmedium zersetzte
Silizium wird während
des Ätzvorgangs und/oder
nachfolgend über
die Öffnungen
bzw. Poren in der porösen
Siliziumschicht 140 entfernt und „frisches" Ätzmedium
herangeführt.
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Gegebenenfalls
können
weitere Prozessschritte des Anodisierens ergänzt werden, um beispielsweise
ineinander verschachtelte Kanäle,
Filterschichten oder größere Oberflächen zu
realisieren. Anschließend
kann – wie
in den oben zitierten Schriften beschrieben – sich auf dem Wafer befindliches Oxid
in einer Wasserstoffatmosphäre
reduziert werden.
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Wie
in 1.4 gezeigt ist, wird in einem anschließenden Prozess-Schritt
E eine Schicht aus epitaktisch aufgewachsenem monokristallinem Silizium, eine
sogenannte Epitaxieschicht 150 erzeugt. Zu Beginn dieses
Prozess-Schrittes wird der Epitaxiereaktor aufgeheizt. Die Aufheizphase
des Epitaxiereaktors bei Anwesenheit von Wasserstoff bewirkt ein Tempern
des Siliziumsubstrats in reduzierender Atmosphäre. Dabei wird die hochporöse Schicht 130 immer
grobporiger bis zur Bildung eines ersten Hohlraumes 135.
Gleichzeitig verfließt
die gering poröse Schicht 140 zu
einer Membran mit immer weniger Poren. Darauf wird epitaktisch Silizium
aufgewachsen. Während
des Epitaxieprozesses lagert sich also das hochporöse Silizium
aus der hochporösen Schicht 130 um
und es bildet sich ein durch die Epitaxieschicht 150 bedeckter
erster Hohlraum 135, bei dem es sich beispielsweise um
einen Kanal oder eine sonstige Kaverne handeln kann. Der erste Hohlraum 135 bzw.
die erste Kanalebene ist somit im Wesentlichen verschlossen. Alternativ
können
die Prozess-Schritte Tempern und Epitaxie auch getrennt voneinander
nacheinander durchgeführt
werden.
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Wie
in
1.5 gezeigt ist, kann optional auf der Epitaxieschicht
150 eine
Oxidschicht
160, beispielsweise ein thermisches Oxid, aufgebracht
und strukturiert werden. Optional kann nun eine Epitaxie-Startschicht
162 aufgebracht
werden. Anschließend
wird eine weitere Epitaxieschicht
155, wie bereits in der
deutschen Patentanmeldung
DE
103 34 240 A1 beschrieben ist.
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Gemäß 1.6a wird auf 1.4 folgend
in einem Prozess-Schritt F eine dritte Maske 180, beispielsweise
eine Lackmaske auf die Epitaxieschicht 150 aufgebracht.
Anschließend
wird die Epitaxieschicht 150 in einem Prozess-Schritt G
mittels Ätzen
strukturiert und somit ein zweiter Hohlraum 250 geschaffen.
Der zweite Hohlraum 250 stellt in diesem Beispiel einen
Querkanal 250 dar, der mit dem ersten Hohlraum 135,
welcher nunmehr als Längskanal 260 bezeichnet
wird, in Verbindung steht.
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Abschließend wird
gemäß 1.7a in einem Prozess-Schritt H der zweite Hohlraum 250,
in diesem Beispiel die obere Kanalebene, durch Aufbringen einer
weiteren Schicht 190 abgedeckt. Dies kann beispielsweise
durch einen Verbindungsschritt, z.B. durch anodisches Bonden einer
Glasschicht 190 auf die Epitaxieschicht 150 geschehen.
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In
einer optionalen Ausführungsform
wird gemäß 1.6b auf 1.5 folgend
eine dritte Maske 180, z.B. eine Lackmaske aufgebracht.
Anschließend
werden die Epitaxieschichten 150 und 155 mittels Ätzen strukturiert.
Die zu schaffenden Kanäle, nämlich der
Querkanal 250 und der Längskanal 260, werden
hierzu mittels der Oxidschicht 160 und der dritten Maske 180 definiert.
Im Falle der hier hergestellten sogenannten Doppel-Epi-Schicht stoppt
das Ätzen
auf der Oxidschicht 160 zwischen den beiden Epitaxieschichten 150 und 155 und
wird nur dort fortgeführt,
wo das Oxid bei der Strukturierung entfernt wurde. Diese Prozessierung
erlaubt die Realisierung erweiterter Fluidik-Funktionalität, durch
Schaffung von zwei oder mehr Hohlräumen, die miteinander in Verbindung
stehen können.
Dort, wo die obere Kanalebene mit dem darin befindlichen Querkanal 250 die
untere Kanalebene mit dem darin befindlichen Längskanal 260 kreuzt,
wird durch das Ätzen
eine Verbindung der beiden Ebenen hergestellt und damit des ersten
Hohlraums 250 mit dem zweiten Hohlraum 260 hergestellt.
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Abschließend wird
gemäß 1.7b in einem Prozess-Schritt H die obere Kanalebene
durch Aufbringen einer weiteren Schicht 190 abgedeckt.
Dies kann beispielsweise durch einen Verbindungsschritt, z.B. durch
anodisches Bonden von einer Glasschicht 190 auf die weitere
Epitaxieschicht 155 geschehen.
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2 zeigt die Herstellung einer beweglichen
Struktur in der Form eines Ventils als zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Wie bereits zuvor im ersten Ausführungsbeispiel
beschrieben, wird gemäß der Darstellung
in 2.1 in einem ersten Prozess-Schritt A ein Siliziumsubstrat 100 bereitgestellt.
Die Bearbeitung dieses Substrates ist hier und in allen folgenden
Prozess-Schritten in Schnittdarstellung gezeigt. Anschließend wird
in einem Prozess-Schritt B eine erste Maske 110 in das
Siliziumsubstrat 100 eingebracht. Diese erste Maske 110 (im
Beispiel wieder eine Implantationsmaske mit n+-Dotierung)
dient dazu, die Bereiche des Substrates 100 zu definieren,
die nach dem Anodisieren stehen bleiben sollen.
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In
allen Abbildungen der 2 sind jeweils zwei
Schnitte AA' und
BB' durch den beispielhaft
gewählten
Gegenstand des Herstellungsverfahrens gezeigt. 2.2b zeigt eine Draufsicht auf diesen Gegenstand
und die Anordnung der beiden Schnitte. Dargestellt sind Strukturen
für die
Herstellung eines Ventils am Schnitt AA' und ein Lüftungsloch am Schnitt BB'.
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Gemäß 2.2a wird in einem folgenden Prozess-Schritt C
eine zweite Maske 120 auf das Siliziumsubstrat 100 aufgebracht.
Die zweite Maske 120 (hier z.B. Nitrit) ist einerseits
ein weiterer Schutz dieser Bereiche an der Oberfläche. Andererseits
können
Teile der undotierten Bereiche ebenfalls mit Nitrit geschützt werden.
In diesem Fall wird das Silizium nur bei isotropen Anodisierschritten
wie beispielsweise Elektropolieren vom Maskenrand her angegriffen. Durch
geeignete Ätzschritte
können
Bereiche mit einer solchen Maske entfernt werden (s. z.B. Schritt B2).
Dies ist insbesondere notwendig, um Lüftungslöcher in der Membran vorzusehen.
Diese erlauben den Druckausgleich bei den folgenden ersten Epitaxie-Schritten,
während
derer die Membran noch nicht stabil genug ist. Druckunterschiede
könnten
sonst durch Prozessdrücke
oder auch durch Temperaturunterschiede während und nach der Prozessierung erzeugt
werden. Die Lüftungslöcher sind
möglichst weit
entfernt von den oxidierten Membranen (s. Schritt B3) anzubringen,
um ein Überwachsen
mit Halbleiterschichten während
der Epitaxie zu vermeiden. Wo es sinnvoll erscheint sind Schikanen
vorzusehen, welche die Diffusion verhindern.
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Wie
in 2.3 dargestellt ist, wird in einem nächsten Prozessschritt
D der Wafer 100 anodisiert. Der Wafer wird dabei durch
unterschiedliche elektrische Ströme
porös geätzt und
elektropoliert. Hierbei werden auch Lüftungslöcher 270 hergestellt.
Die Porositäten
in den verschiedenen Tiefen müssen
je nach Anforderung angepasst werden. Für bewegliche Elemente können beispielsweise
zwei Schichten anodisiert werden, eine gering poröse Schicht 140 an der
Oberfläche
und eine darunter liegende hochporöse Schicht 130. Die
gering poröse
Schicht 140 an der Oberfläche dient zum Erzeugen einer
die folgenden Epitaxieschichten tragenden porösen Membran 140, die
darunter liegende hochporöse
Schicht 130 dient zum Erzeugen wenigstens eines ersten
Hohlraumes 135, beispielsweise in Form einer Kaverne oder
eines Kanals, mittels Elektropolitur. Die Porosität der Membran 140 muss
den Wert überschreiten,
den eine Oxidation an Volumenzunahme bewirkt (z.B. 46% Porosität für Silizium).
Ansonsten würden
bei einem nachfolgenden Oxidationsschritt Druckspannungen in der
Membran aufgebaut werden, die diese zum Reißen bringen könnten.
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Falls
erforderlich wird optional, wie in 2.4 gezeigt,
anschließend
der Wafer thermisch oxidiert. Wichtig ist hierbei, dass die poröse Membran 140 vollständig durchoxidiert
wird und somit im Ergebnis eine oxidierte Membran 200 bildet.
Für die Herstellung
eines Ventils ist dieser Schritt zur Realisierung der Öffnungen
für das
Fluid sowie der benötigten
Dichtflächen
notwendig. Weiterhin werden auch die Oberflächen 160 des übrigen zugänglichen Siliziumsubstrats
thermisch oxidiert.
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Die
folgenden Herstellungsschritte sind Epitaxie-Schritte.
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Falls
eine thermische Oxidation gemäß 2.4 durchgeführt
wurde, wird nun zunächst
eine Epitaxie-Oxidschicht 210 (PECVD, TEOS, ...) hinreichender
Dicke aufgebracht. So können
später
durch Gasphasenätzen
Strukturen freigestellt werden.
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Anschließend wird
auf die Epitaxie-Oxidschicht 210 eine Epitaxie-Startschicht 170 für das epitaktische
Aufwachsen von polykristallinem Silizium aufgebracht. Das im Prozess-Schritt D erzeugte Lüftungsloch 270 muss
hinreichend groß sein,
um auch nach Aufbringen dieser Epitaxie-Startschicht 170 nicht
komplett zugewachsen zu sein. Erst die folgende Epitaxie mindestens
einiger Mikrometer des Halbleitermaterials darf das Lüftungsloch 270 überwachsen
und eine geschlossene polykristalline Epitaxieschicht 152 bilden.
Diese Schritte sind in 2.5 dargestellt.
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Gemäß
2.6 wird auf die Epitaxieschicht
152 eine
weitere Epitaxie-Oxidschicht
215 in Form eines thermischen
Oxids aufgebracht, strukturiert und vermittels einer weiteren Epitaxie-Startschicht
175 eine
zweite Epitaxieschicht
155 aufgewachsen. Dies ist bereits
in der deutschen Patentanmeldung
DE 103 34 240 A1 beschrieben.
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Dann
wird, wie ebenfalls dort beschrieben, im Prozess-Schritt F eine
Maske 180, z.B. eine Lackmaske, aufgebracht und strukturiert.
Danach werden im Prozess-Schrit G beide Epitaxieschichten 152 und 155 geätzt und
somit ein zweiter Hohlraum 230 geschaffen. Durch geeignete
Lack- und Oxidmasken (für
den dargestellten Fall, gegebenenfalls auch andere Masken) kann
ein Kontakt zu der aufgebrachten Epitaxie-Oxidschicht 210 hergestellt
werden. Diese Schritte sind in 2.7 dargestellt.
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Wie
in 2.8 dargestellt können mittels anschließendem Gasphasenätzen die
Oxidschicht 210 genauso wie verbundene durchoxidierte Membranteile 140 und
zugängliche
Teile der thermischen Oxidschicht 160 entfernt werden.
Es ergibt sich ein Zugang vom zweiten Hohlraum 230 zum
ersten Hohlraum 135 und ein bewegliches Element in diesem Zugang,
in diesem Beispiel ein Ventil 220. Der Ventilamboss wird
durch seitliche Arme gehalten. Diese sind im Schnitt nicht gezeichnet,
sind aber in der Struktur durch die erste und zweite Maske angelegt, wie
in der 2.2b zu erkennen ist.
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Durch
die Federkraft des Halbleitermaterials wird der bewegliche Amboss
in seiner Position gehalten. Wenn im dargestellten Fall von oben
ein Fluid anströmt,
wird der Amboss aus seiner Ruheposition gedrückt und gibt die Öffnung frei.
Mit entsprechender Auslegung des Kanals kann der Kanalboden als mechanischer
Anschlag fungieren. Wenn das Fluid mit höherem Druck von unten heranströmt, wird
der Amboss gegen die Dichtfläche
der Epitaxieschicht 152 gedrückt und schließt das Ventil.
Bei Nachlassen des Druckes drückt
die Federkraft des Halbleitermaterials in beiden Fällen den
Amboss wieder in die Ruhelage zurück.
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Die
Ruhelage des Ambosses (Vorspannung) kann durch die Art der für die Dotierung
verwendeten Dotierstoffe und durch die Stärke der Dotierung modifiziert
werden. Falls erforderlich, muss die Implantation an entsprechenden
Stellen (z.B. Aufhängung des
Ventils) angepasst werden.
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Optional
kann das zuvor z.B. durch Trenchätzen
ebenfalls geöffnete
Lüftungsloch 270 als zweiter
Zugang zum Gasphasenätzen
verwendet werden. Dies kann sowohl zu einer Beschleunigung des Prozessschrittes
als auch zur Freistellung vergrabener Strukturen genutzt werden.
In diesem Fall muss das Lüftungsloch 270 nachträglich verschlossen
werden, wie beispielsweise durch anodisches Bonden. Das Lüftungsloch 270 kann
zur Funktionsprüfung
beweglicher Elemente bei der Bearbeitung eines Wafers genutzt werden,
indem beispielsweise mit einer geeigneten Vorrichtung Über- oder
Unterdruck auf das Lüftungsloch 270 gegeben
wird und die Funktion des Elementes optisch (beispielsweise unter
dem Mikroskop oder mit automatisierten Verfahren wie Laserstrahlablenkung) überprüft wird.
Im Falle des Ventils 220 kann die Prozesskontrolle z.B. über die
Bewegung des Ventildeckels (Amboss) durchgeführt werden. Durch Vertauschen
der Strukturierung von bulk-Material und Epitaxieschicht 152 kann
die Richtung des Ventils getauscht werden, wie im dritten Ausführungsbeispiel
noch dargestellt wird. Die Ruhelage des Ambosses lässt sich
auch in diesem Fall analog zum vorhergehenden anpassen durch Modifikation
der Dotierung der Epitaxieschicht 152.
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Durch
abschließendes
anodisches Bonden wie in der 2.9 dargestellt,
lassen sich die Kanäle in
der oberen Epitaxieschicht 155 ebenfalls bis auf Zugangslöcher verschließen und
es ergibt sich ein stabiles, abgeschlossenes System aus verbundenen,
voneinander unabhängig
strukturierten Kanälen auf
verschiedenen Ebenen mit beweglichen Zwischenstrukturen.
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3 zeigt
eine Mikropumpe wie sie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist.
Diese Mikropumpe kann in der oben dargestellten erweiterten Oberflächen-Mikromechanik realisiert
werden. Gleich bezeichnete Elemente sind bereits aus der oben stehenden
Beschreibung bekannt. Das Funktionsprinzip ist ähnlich der in der deutschen
Patentanmeldung
DE
103 34 240 A1 beschriebenen Mikropumpe. Durch Betätigen einer
Membran
300 mittels eines Aktuators
310 (z.B.
eines Piezoaktuators) wird eine Pumpkammer
320 zusammengedrückt und
ein Überdruck
erzeugt. Dieser schließt
ein Einlassventil
330 und drückt eine in der Kammer
320 befindliche Flüssigkeit
aus einem weit geöffneten
Auslassventil
340 heraus. Bei entgegengesetzter Betätigung oder bei
Ausschalten des Aktuators und Zurückfedern der Kammermembran
300 durch
Silizium-Federkräfte wird
ein entsprechender Unterdruck erzeugt, der das Auslassventil
340 schließt und durch
das nun geöffnete
Einlassventil
330 Flüssigkeit
ansaugt.
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4 stellt
das erfindungsgemäße Verfahren
schematisch dar: Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst wenigstens
die Verfahrensschritte:
- (A) Bereitstellen eines
Siliziumsubstrats 100,
- (B) Einbringen einer ersten Maske 110 in das Siliziumsubstrat 100,
- (C) Aufbringen einer zweiten Maske 120 auf das Siliziumsubstrat 100,
- (D) Erzeugen von wenigstens zwei unterschiedlich porösen Bereichen 130, 140 in
dem Siliziumsubstrat 100 durch elektrochemisches Ätzen,
- (E) Bilden wenigstens eines ersten Hohlraums 135, 260 durch
Umlagern von porösem
Silizium, und Aufbringen einer Epitaxieschicht 150, 152 auf das
Siliziumsubstrat (100), wenigstens über einen Teil des ersten Hohlraums 135, 260
- (F) Aufbringen einer dritten Maske 180,
- (G) Strukturieren der Epitaxieschicht 150, 152 durch Ätzen, und
Bilden wenigstens eines zweiten Hohlraumes 230, 250,
der mit dem ersten Hohlraum 135, 260 in Verbindung
steht,
- (H) Abdecken der Strukturen durch Aufbringen einer weiteren
Schicht 190 auf wenigstens Teile der strukturierten Epitaxieschicht,
wobei
alle Prozess-Schritte in Oberflächen-Mikromechanik
ausgeführt
werden, d.h. im Wesentlichen von einer Seite auf den Wafer in Form
des Siliziumsubstrats 100 einwirken.