DE102005050782B4

DE102005050782B4 - Verfahren zur Herstellung einer Mikrodüsenplatte

Info

Publication number: DE102005050782B4
Application number: DE102005050782.4A
Authority: DE
Inventors: Matthias Fuertsch; Stefan Finkbeiner; Christoph Schelling; Stefan Weiss; Thomas Wagner; Christian Mäurer; Ines Breibach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2025-10-25
Also published as: US20070128755A1; DE102005050782A1; FR2892715A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Mikrodüsenplatte mit den Herstellungsschritten:
(A) Aufbringen einer ersten Maske (110) als Oxidationsmaske auf einer ersten Seite eines Halbleitersubstrats (100),
(B) Aufbringen einer zweiten Maske (120) als Trenchmaske auf die erste Maske (110) und das Halbleitersubstrat (100),
(C) Trenchätzen (200) des Halbleitersubstrats (100) durch die zweite Maske (120) bis zu einer bestimmten Tiefe zur Erzeugung von durch Gräben voneinander getrennten Säulen,
(D) Abtragen (300) der zweiten Maske (120),
(E) thermische Oxidation (350) des Halbleitersubstrats (100) durch die erste Maske (110) und dadurch Bildung eines thermischen Oxids (352) auf durch die erste Maske (110) zugänglichen Bereichen der ersten Seite des Halbleitersubstrats (100), wobei eine thermische Oxidation an Oberseiten der Säulen durch die erste Maske (110) verhindert wird,
(F) Abtragen der ersten Maske (110) vom Halbleitersubstrat (100),
(G) Selektives Ätzen (400) des Halbleitersubstrats (100) von der ersten Seite bis zu einer zweiten gegenüberliegenden Seite durch die Oberseiten der Säulen und somit Freilegen von Hohlstrukturen (420) aus thermischem Oxid (352) zur Darstellung von Mikrodüsen

Description

STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrodüsenplatte.
Für die Zerstäubung von Flüssigkeiten in Tröpfchen von lungengängiger Größe (~5 μm) in medizinischen Anwendungen sind verschiedene mikromechanisch gefertigte Strukturen auf Silizium- oder Silizium-Glas-Basis bekannt. Der Tröpfchennebel kann z. B. dadurch erzeugt werden, dass eine Kammer geschaffen wird, welche auf einer Seite durch eine piezogetriebene Membran und auf einer anderen Seite durch eine Mikrodüsenplatte begrenzt wird. Durch Betätigen der piezogetriebene Membran wird das Kammervolumen verringert und somit eine in der Kammer befindliche Flüssigkeit durch Düsenöffnungen in der Mikrodüsenplatte ausgestoßen. Die Flüssigkeit wird dabei zerstäubt. Durch geeignete Wahl der Düsengeometrie, Kammergeometrie und Piezoanregung können Tröpfchen definierter Größe erzeugt werden.
Für die Herstellung einer Mikrodüsenplatte aus Silizium ist aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 050 051 ein Verfahren bekannt, bei dem in einer durch KOH Ätzen hergestellten Membran mittels anisotropem Hochratenätzen im Silizium-DRIE Verfahren (engl.: DRIE – Deep Reactive Ion Etch) definierte Düsenlöcher erzeugt werden.
Aus der Druckschrift US 2001/0028378 A1 ist ein monolitischer Düsenaufbau für Fluide und ein zugehöriges Herstellungsverfahren aus einem monokristallinen Siliziumwafer bekannt. Die Druckschrift US 2002/0063107 A1 lehrt Methoden zur Herstellung mikroelektromechanischer und mikrofluidischer Vorrichtungen.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrodüsenplatte.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorteilhaft oxidische Düsenstrukturen erzeugt. Vorteilhaft ist dabei eine Teiloxidation von durch Trenchen erzeugten Strukturen. Vorteilhaft werden dazu mittels einer Nitridmaskierung der Oberfläche der Strukturen, nicht zu oxidierende Bereiche während des Oxidationsprozesses abgedeckt. Vorteilhaft können anschließend Strukturen durch Opferschichtätzen ihres Kerns aus Halbleitermaterial wie beispielsweise Si_1-xGe_x ausgehöhlt, und derart Mikrodüsen erzeugt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht das Strukturieren der zweiten Waferseite, insbesondere das Einbringen einer Rückseitenkaverne mittels KOH-Ätzen oder einem anderen geeigneten Ätzverfahren vor. Vorteilhaft kann so der Wafer im Bereich der Mikrodüsen bis zur gewünschte Dicke abgetragen werden.
Vorteilhaft können die oxidischen Strukturen auch als Positiv- und als Negativform für weitere Strukturierungen dienen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, bisher nicht darstellbare oxidische Mikrodüsenstrukturen mit vorteilhaften Eigenschaften zu erzeugen. Über die gesamte Düsenhöhe können homogen dünnwandige Strukturen geschaffen werden. Die Strukturen können ein hohes Aspektverhältnis aufweisen und somit wird eine große Freiheit bei der Wahl der vertikalen und horizontalen Querschnitte über die Düsenkanaltiefe ermöglicht.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Mikrodüsenplatte weist ebenfalls eine Reihe von Vorteilen auf. Die Düsenwände sind oxidisch. Die Düsenwände weisen vorteilhaft eine homogene Wandstärke über die gesamte Düsenkanalhöhe auf. Der Aufbau der Düsen erlaubt eine große Freiheit bei der Wahl des vertikalen und horizontalen Querschnitts. Dadurch ergeben sich vorteilhaft große gestalterische Freiheiten bei der Optimierung der mikrofluidischen Eigenschaften. Insbesondere ist es möglich, die mit Düsenstrukturen mit hohem Aspektverhältnis darzustellen. Vorteilhaft ist die Zerstäuberstrahlcharakteristik durch das gewählte Düsenprofil beeinflussbar.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
ZEICHNUNG
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt ein maskiertes Halbleitersubstrat.
2 zeigt das Vorformen von Mikrodüsen durch Trenchen.
3 zeigt das Ausformen der Mikrodüsen aus Oxid.
4 zeigt das Freilegen der Mikrodüsen aus Oxid und schematisch die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Mikrodüsenplatte.
5 zeigt schematisch die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Mikrodüsenplatte.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Anhand der im folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindung detailliert dargestellt werden.
1 zeigt ein maskiertes Halbleitersubstrat. Zur erfindungsgemäßen Herstellung einer Mikrodüsenplatte wird zunächst ein Halbleitersubstrat 100 bereitgestellt. Das Halbleitersubstrat 100 kann beispielsweise aus Silizium, Germanium oder einer oder einer Si_1-xGe_x-Verbindung bestehen (0 ≤ x ≤ 1).
Auf dem Halbleitersubstrat 100 wird eine erste Maske, nämlich eine Nitridschicht 110 als spätere Oxidationsmaske abgeschieden, bevorzugt in einem LPCVD Prozeß (LPCVD engl.: low pressure chemical vapour deposition). Anschließend wird diese Nitridschicht 110 auf einer ersten Seite des Halbleitersubstrats 100 derart strukturiert, dass sie nur noch im Bereich der späteren Mikrodüsen, bzw. einer späteren ersten Ausnehmung erhalten bleibt.
Im weiteren wird eine zweite Maske, nämlich eine Trenchmaske 120 auf die erste Seite des Halbleitersubstrats 100 und auf die Nitridschicht 110 aufgebracht. Die Trenchmaske 120 kann beispielsweise sowohl eine Schicht aus Siliziumoxid als auch eine reine Lackmaske sein. Der Bereich der Trenchmaske 120 über der Nitridschicht 110 wird strukturiert, so dass die Umrisse der späteren Mikrodüsen festgelegt werden. Dazu wird die Trenchmaske in diesem Bereich um die späteren Mikrodüsen herum bis zur Nitridschicht 100 abgetragen.
Der Zustand des hier beschriebenen Wafers nach der Strukturierung der Trenchmaske 120 ist in der 1 dargestellt. In der Figur ist dazu eine Schnittdarstellung und die Draufsicht auf den Bereich einer späteren Mikrodüse gezeigt.
2 zeigt das Vorformen von Mikrodüsen durch Trenchen. Dazu werden durch einen auf die erste Seite des maskierten Halbleitersubstrats gerichteten Trenchprozess 200, bevorzugt durch einen DRIE-Prozeß oder Bosch-Prozeß, die Konturen der späteren Mikrodüsen erzeugt. Optional kann zuvor die verbliebene Nitridschicht 110 separat strukturiert werden indem die freiliegenden, nicht durch die darauf befindliche Trenchmaske 120 geschützten Bereiche der Nitridschicht 110 entfernt werden. Im Ergebnis des Trenchprozesses 200 sind an der ersten Seite des Wafers Gräben bis in eine bestimmte Tiefe des Halbleitersubstrats 100 vorangetrieben, und es entsteht eine erste Ausnehmung 210 in der als Vorform von Mikrodüsen Säulen 220 angeordnet sind. In der 2 sind dazu wieder eine Schnittdarstellung des Wafers und eine Draufsicht auf den Bereich einer späteren Mikrodüse gezeigt. Wie der Darstellung zu entnehmen ist, bestehen die Säulen in einem geschichteten Aufbau zuunterst aus dem Halbleitersubstrat 100, darauf der Nitridschicht 110 und darauf der Trenchmaske 120.
3 zeigt das Ausformen der Mikrodüsen aus Oxid. Dazu wird der Wafer aus 2 mehreren aufeinanderfolgenden Prozeßschritten unterzogen. Zuerst erfolgt ein Abtragen 300 der Trenchmaske 120. Das Abtragen 300 der Trenchmaske 120 erfolgt beispielsweise durch Gasphasenätzen oder einen BOE-Prozeß (engl.: Buffered Oxid Etch), wenn es sich bei der Trenchmaske 120 um eine Oxidmaske handelt, oder durch Entlacken, beispielsweise im Sauerstoffplasma, wenn es sich bei der Trenchmaske 120 um eine Lackmaske handelt. Danach erfolgt eine thermische Oxidation 350 des Wafers und es bildet sich durch oberflächliche Oxidation der zugänglichen Si_1-xGe_x Bereiche des Halbleitersubstrats 100 eine thermische Oxidschicht 352. Die verbliebene Nitridschicht 110, die sogenannte Nitriddeckel auf den erhabenen Strukturen oder Säulen darstellt, erfüllt hier ihre Rolle als Oxidationsmaske. Die verbliebene Nitridschicht 110 bestimmt unzugängliche Bereiche, insbesondere an der Oberseite der Säulen, und verhindert somit eine thermische Oxidation an deren Oberfläche. Im Ergebnis sind aus der zugänglichen Oberfläche der Säulen auch die Wände von Mikrodüsen aus Oxid hergestellt.
Optional kann nun die Strukturierung einer zweiten Seite des Halbleitersubstrats 100, die der ersten Seite gegenüberliegt, erfolgen. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel soll eine Ausnehmung an der zweiten Seite des Wafers erzeugt werden. Dazu wird zunächst das Nitrid auf der Rückseite maskiert und mittels eines Ätzschrittes geöffnet. Danach wird mittels KOH Naßätzen oder einem anderen geeigneten Ätzverfahren der freigelegte Bereich des Halbleitersubstrats 100 an der zweiten Seite des Wafers geätzt. Im Ergebnis dieses Ätzens 360 entsteht an der zweiten Seite des Wafers eine Ausnehmung 390 in dem Halbleitersubstrat 100. Die an der zweiten Seite befindliche Ausnehmung 390 ist gegenüber dem an der ersten Seite befindlichen Bereich der späteren Mikrodüsen angeordnet. Schließlich wird die Maskierung entfernt. Der erreichte Zwischenstand ist in 3 abgebildet.
4 zeigt das Freilegen der Mikrodüsen aus Oxid und schematisch die Mikrodüsenplatte. Dazu wird zunächst das verbliebene Siliziumnitrid 110, beispielsweise in einem Trockenätzschritt, vorderseitig von dem Wafer entfernt. Der Wafer ist nun auf der ersten Seite ganzflächig mit thermischem Oxid bedeckt außer an den Oberflächen der erhabenen, vorher von Nitrid bedeckten Strukturen. Dort liegt das Halbleitersubstrat 100 frei und bildet für den nachfolgenden Prozeßschritt eine Opferschicht. Mit einer selektiven Ätzung 400 des Halbleitersubstrats 100 gegenüber dem thermischen Oxid 352 wird nun der verbliebene massive Restsiliziumkern aus den Säulen herausgeätzt. Dies kann beispielsweise in einem Trockenätzprozess mit ClF₃ erfolgen. Während das Silizium durch Ätzen 400 entfernt wird, bleibt das thermische Oxid 352 unversehrt. Im Ergebnis wird eine Durchlaßöffnung 410 und somit ein Zugang von der ersten Seite zur zweiten gegenüberliegenden Seite des Halbleitersubstrats 100 geschaffen. An der Durchlaßöffnung 410 verbleiben Hohlstrukturen aus einem homogen dicken Oxid, nämlich thermischem Oxid 352, welche die Mikrodüsen 420 aus Oxid darstellen. Somit ist die hier schematisch dargestellte Mikrodüsenplatte geschaffen.
Nachfolgend können optional noch beliebige Schichten abgeschieden werden. Dadurch können die Oxidwände verstärkt werden oder als Negativform für weitere Strukturierungen dienen.
5 zeigt schematisch die wesentlichen Schritte des Verfahrens zur Herstellung einer Mikrodüsenplatte:

(A) Aufbringen einer ersten Maske 110 auf einer ersten Seite eines Halbleitersubstrat 100,
(B) Aufbringen einer zweiten Maske 120 auf die erste Maske 110 und das Halbleitersubstrat 100,
(C) Trenchätzen 200 des Halbleitersubstrats 100 durch die zweite Maske 120 bis zu einer bestimmten Tiefe,
(D) Abtragen 300 der zweiten Maske 120,
(E) thermische Oxidation 350 des Halbleitersubstrats 100 durch die erste Maske 110 und dadurch Bildung eines thermischen Oxids 352 auf der ersten Seite,
(F) Abtragen der ersten Maske 110 vom Halbleitersubstrat 100,
(G) Ätzen 400 des Halbleitersubstrats 100 selektiv zum thermischen Oxid 352 von der ersten Seite bis zu einer zweiten gegenüberliegenden Seite und somit Freilegen von Mikrodüsen 420.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt ein Trenchätzen 200 des Halbleitersubstrats 100 und auch der ersten Maske 110 durch die zweite Maske 120 hindurch.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt ein Ätzen 360 einer Ausnehmung 390 an der zweiten Seite zum Abdünnen des Halbleitersubstrats 100 im Bereich der Mikrodüsen 420. Der Schritt des Ätzens 360 der Ausnehmung 390 kann nach dem Herstellungsschritt (A) an beliebiger Stelle des gesamten Herstellungprozesses erfolgen.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind beliebig miteinander kombinierbar.
Es sind daneben auch weitere Ausführungsbeispiele denkbar.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Mikrodüsenplatte mit den Herstellungsschritten: (A) Aufbringen einer ersten Maske (110) als Oxidationsmaske auf einer ersten Seite eines Halbleitersubstrats (100), (B) Aufbringen einer zweiten Maske (120) als Trenchmaske auf die erste Maske (110) und das Halbleitersubstrat (100), (C) Trenchätzen (200) des Halbleitersubstrats (100) durch die zweite Maske (120) bis zu einer bestimmten Tiefe zur Erzeugung von durch Gräben voneinander getrennten Säulen, (D) Abtragen (300) der zweiten Maske (120), (E) thermische Oxidation (350) des Halbleitersubstrats (100) durch die erste Maske (110) und dadurch Bildung eines thermischen Oxids (352) auf durch die erste Maske (110) zugänglichen Bereichen der ersten Seite des Halbleitersubstrats (100), wobei eine thermische Oxidation an Oberseiten der Säulen durch die erste Maske (110) verhindert wird, (F) Abtragen der ersten Maske (110) vom Halbleitersubstrat (100), (G) Selektives Ätzen (400) des Halbleitersubstrats (100) von der ersten Seite bis zu einer zweiten gegenüberliegenden Seite durch die Oberseiten der Säulen und somit Freilegen von Hohlstrukturen (420) aus thermischem Oxid (352) zur Darstellung von Mikrodüsen
Verfahren zur Herstellung einer Mikrodüsenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Herstellungsschritt (C) auch ein Trenchätzen (200) der ersten Maske (110) durch die zweite Maske (120) erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Mikrodüsenplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an beliebiger Stelle im Herstellungsprozeß das Halbleitersubstrat (100) an der zweiten Seite bearbeitet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Mikrodüsenplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Herstellungsschritt (A) an beliebiger Stelle im Herstellungsprozeß ein Ätzen (360) einer Ausnehmung (390) an der zweiten Seite zum Abdünnen des Halbleitersubstrats (100) im Bereich der Mikrodüsen (420) erfolgt.