DE102013223490B4

DE102013223490B4 - Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Oberfläche

Info

Publication number: DE102013223490B4
Application number: DE102013223490.2A
Authority: DE
Inventors: Andrea Urban
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2033-11-19
Also published as: US9233843B2; GB201420473D0; JP2015098082A; JP6512797B2; US20150140717A1; GB2523435B; DE102013223490A1; TWI654133B; TW201522203A; GB2523435A

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur, wobei in einem ersten Verfahrensschritt durch ein Ätzverfahren in einem Substrat (1) eine strukturierte Oberfläche (3) erzeugt wird und in einem zweiten Verfahrensschritt zumindest teilweise Rückstände (2) aus der strukturierten Oberfläche (3) entfernt werden, wobei beim zweiten Verfahrensschritt ein Umgebungsdruck für das Substrats (1) eingestellt wird, der kleiner ist als 60 Pa, und eine Substrattemperatur eingestellt wird, die größer ist als 150°C, wobei das Substrat (1) eine Opferschicht (6) umfasst, wobei die Opferschicht (6) zumindest teilweise während des zweiten Verfahrensschritts entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Verfahrensschritt durch ein Plasmaätzverfahren zumindest Bereiche der integrierten Opferschicht (6) freigelegt werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Oberfläche auf einem Substrat. Solche dreidimensionalen Strukturen sind insbesondere in der Halbleiter- und der MEMS-Industrie von Interesse, um beispielsweise möglichst bauraumsparende Drehraten- oder Beschleunigungssensoren oder auch andere mikromechanische Sensoren und Bauelemente wie z.B. Mikrofone oder Mikrospiegel zu realisieren.
Es sind aus dem Stand der Technik Plasmaätzverfahren bekannt, bei denen gezielt anisotrop geätzt wird. Insbesondere ist aus DE 42 41 045 C1 ein Verfahren zum anistropen Ätzen von Silizium bekannt, bei dem jeweils alternierend aufeinanderfolgend Ätz- und Passivierschritte getrennt durchgeführt werden (Silizium-Trenchätzen). Aber auch über eine Mischung von Ätz- und Passiviergasen ist mittels kontinuierlichem, nicht alternierendem Plasmaätzen Silizium mit mehr oder weniger hoher Anisotropie ätzbar. Beim Trenchätzprozess, wird ein teflonartiges Polymer, das als Schutz der Si-Seitenwände dient und im Plasma aus C_x(H)F_y-haltigen Gasen wie z.B. C₄F₈, C₃F₈, C₂F₆, CHF₃, C₂H₂F₂ alternierend zwischen den SF₆-Ätzschritten auf dem Substrat abgeschieden. Die teflonartige Polymerschicht ermöglicht ein anisotropes Plasmaätzen von Silizium, da sie lediglich an den Stellen entfernt wird, an denen der loneneinfall aus dem Plasma senkrecht auf die Waferfläche erfolgt, also auf der Maske und am Ätzgrund der Trenches. Auf den Silizium-Seitenwänden, an denen kein loneneinfall erfolgt, verbleibt die Polymerschicht im Wesentlichen erhalten und schützt so die Silizium-Seitenwand. Beim Trenchätzen verbleibt die teflonartige Polymerschutzschicht am Ende des Trenchätzprozesses auf den Silizium-Seitenwänden. Typischerweise dienen Fotolacke beim Trenchätzen als Maskenmaterial, die nach dem Trenchprozess in handelsüblichen Plasmastrippern im O₂-Plasma gestrippt werden.
Stand der Technik sind zudem Plasmaätzverfahren zur Strukturierung von Oxiden oder Nitriden, die mittels C_x(H)F_y-Gasen geätzt werden. Gase dieses Typs sind je nach C:F-Verhältnis mehr oder weniger stark polymerisierend. Je höher das C:F-Verhältnis ist, umso stärker die Tendenz zur Polymerisation. Ein H-Anteil wirkt wie eine Erhöhung des C:F-Verhältnisses. Der Erfolg dieser Plasmaätzverfahren kann je nach Anwendung davon abhängig sein, in welchen Maß, die durch das Plasmaätzverfahren erzeugten Polymer-Rückstände verbleiben und insbesondere vom Substrat mit der strukturierten Oberfläche entfernt werden können. Insbesondere scheinen die aus dem Stand der Technik bekannten Methoden nicht für alle geometrischen Gegebenheiten geeignet, weil die für das Entfernen im Plasma benötigten reaktiven Teilchen oder Nassätzlösungen gegebenenfalls nicht so tief in die Grabenstrukturen (bei hohen Aspektverhältnissen oder schmalen Spalten) oder in während einer Ätzung angelegten Hinterschneidungen oder Kavernen vordingen können. Auch im Falle einer aus dem Stand der Technik bekannten MEMS-Polymeropferschicht ist das Vordringen der Reaktivteilchen oder Nassätzlösung zur Entfernung derselben bei schmalen Abmessungen und weiter Unterätzung zunehmend schwierig. Weiterhin sind oftmals die strukturierten Oberflächen derart geformt, dass die nach der Plasmaätzung mit den Rückständen versehenen Bereiche des Substrats für einen loneneinfall unzugänglich sind und dadurch ein Entfernen erschwert bzw. sogar verhindert wird.
Weitere Verfahren sind aus den Druckschriften US20060079095A1 , US20130298942A1 , US6479396B1 , EP1469510A2 , US20060207964A1 und US20040029393A1 bekannt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Abreinigen von Polymeren, die aus Silizium-Trenchätzungen und/oder aus Plasmaätzungen von Dielektrika wie Oxid und/oder Nitrid, nach der Plasmastrukturierung auf Flächen wie z.B. Seitenwänden, Flanken, Hinterschneidungen oder Kavernen verbleiben. Für einige Anwendungen haben Polymerrückstände auf MEMS-Bauteilen eine Beeinträchtigung ihrer Funktion zur Folge. Zudem können Polymere aus vorangegangenen Prozessierungsschritten negative Auswirkung auf Folgeschritte bei der Prozessierung von MEMS-Substraten haben (z.B. Haftungsprobleme bei in der Folge abgeschiedenen Schichten oder Ausgasungen bei Folgeschritten. Polymere sind also oftmals störend und müssen entfernt werden.
Stand in der Halbleiter- und MEMS-Technik zur Entfernung und Abreinigung von Rückständen aus vorangegangenen Prozessschritten und/oder Anlagen ist das beschriebene O₂-Plasmastrippen, das meist in Kombination mit Nassreinigungsschritten erfolgt.
Beiden Verfahren ist gemeinsam, dass es generell schwierig ist, unter diesen Prozessbedingungen mit diesen Medien in schmale Gräben ausreichend vorzudringen. Bedingt ist dies durch die geringe mittlere freie Weglänge bei Strippprozessen im dabei typischen Torr-Druckbereich bzw. bedingt durch das unzureichende Eindringen von Nassätzlösungen oder deren unzureichendes Herausspülen bei anschliessenden Spülschritten, wenn eingedrungenes Nassätzmedium aufgrund der Kapillarkräfte nicht mehr herausgespült werden kann. Dieses Verfahren ist möglichst universell, d. h. unabhängig von der Form der Oberflächenstruktur des Substrats, also unabhängig von den geometrischen Bedingungen und unabhängig von der Beschaffenheit des Substarts werden Rückstände aus diesem entfernt, auch in schmalen Strukturen mit hohem Aspektverhältnis und unabhängig von der Form der zu reinigenden Oberflächen, d.h. beliebig geformte Gräben, mehr oder weniger steile Seitenwände, Ätzflanken, Hinterschneidungen oder Kavernen. Zudem ist das beschriebene Plasmaätz-Verfahren auch als Methode zur Ätzung von MEMS Polymer-Opferschichten, wie z.B. Polyimid geeignet. Weiterhin besteht auch Interesse daran, die Fertigstellung des Substrats mit der strukturierten Oberfläche mit möglichst geringem Aufwand zu realisieren.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur, wobei in einem ersten Verfahrensschritt durch ein Ätzverfahren im Substrat eine strukturierte Oberfläche erzeugt wird. Das Ätzverfahren verursacht dabei Rückstände, die in der strukturierten Oberfläche des Substrats zurückbleiben. In einem zweiten Verfahrensschritt werden die Rückstände vom Substrat entfernt, wobei während des zweiten Verfahrensschritts ein Umgebungsdruck für das Substrats eingestellt wird, der vorzugsweise kleiner ist als 60 Pa, und eine Substrattemperatur eingestellt wird, die vorzugsweise größer ist als 150°C.
Die vorliegende Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass auf Grund des geringen Drucks die Teilchen, das sind beispielsweise Radikale im Plasma, die verantwortlich sind für das Entfernen der Rückstände, von der strukturierten Oberfläche des Substrats, sehr viel tiefer in die erzeugten schmalen Strukturen mit ihrem hohen Aspektverhältnis eindringen können als dieselben Teilchen bei einem höheren Druck. Bei den Rückständen handelt es sich vorzugsweise um Polymerreste, insbesondere um C_xF_y-Polymere, die beim Plasmaätzen mittels C_x(H)F_y-Prozessgasen auf den Flächen zurückbleiben. Insbesondere verzichtet die vorliegende Erfindung auf ein Nassätzen. Außerdem ermöglicht die hohe Temperatur, dass unter Umständen keine weitere bzw. nur eine geringe Aktivierungsenergie für die Reaktion der besagten Teilchen mit den Rückständen erforderlich ist, deshalb also kein loneneinfall durch ein Plasma nötig ist, um ein Abtragen der Rückstände zu ermöglichen. Letzteres ist insbesondere von Vorteil, wenn die Rückstände nicht durch loneneinfall erreichbar sind wie es beispielsweise bei einer in das Substrat strukturierten Kavität der Fall ist. Insgesamt hat das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung den Vorteil universell einsetzbar und dabei unabhängig von der erzeugten Form der strukturierten Oberfläche zu sein, wenn es darum geht, die Rückstände aus der strukturierten Oberfläche zu entfernen. Insbesondere zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, mikromechanische Strukturen, ohne aus dem ersten Verfahrensschritt zurückbleibenden Rückstände, zu realisieren, die damit trotz sehr tiefer und schmaler Gräben (hohes Aspektverhältnis) funktionstüchtig bleiben, weil aus ihnen die Rückstände, angelegt durch das erste Ätzverfahren, in einem zweiten Verfahrensschritt entfernt werden konnten.
Vorzugsweise handelt es sich um eine mikromechanische Struktur, die zumindest teilweise als mikromechanisches Bauteil dient, z.B. als Beschleunigungssensor oder Drehratensensor oder als Mikrofon oder Mikrospiegel. Es ist auch vorstellbar, dass das Substrat Leitungsbahnen, Elektroden und/oder Auswertungsvorrichtungen umfasst. Vorzugsweise werden Leitungsbahnen, Elektroden und/oder Auswertungsvorrichtungen durch das Ätzverfahren zumindest teilweise freigelegt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt der Umgebungsdruck kleiner ist als 60 Pa, bevorzugt kleiner als 2 Pa oder besonders bevorzugt zwischen 0.6 Pa und 1.3 Pa liegt und/oder die Substrattemperatur größer ist als 150 °C, bevorzugt größer als 190 °C oder besonders bevorzugt zwischen 200 °C und 400 °C liegt. Insbesondere ist die Substrattemperatur derart gewählt, dass in vorteilhafter Weise keine Schäden an der mikromechanischen Struktur durch die Substrattemperatur entstehen.
In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass zum Entfernen der Rückstände zumindest teilweise ein Plasma verwendet wird, wobei das Plasma zumindest teilweise O₂, H₂, N₂, Formiergas (H₂ in N₂) oder Ammoniak aufweist. Insbesondere sind solche Reaktionsgase in Reinform oder in einem beliebigen Mischverhältnis einsetzbar. Insbesondere erleichtert in vorteilhafter Weise die Zugabe von H₂ in O₂ ein Veraschen der Rückstände, insbesondere der Polymerreste, und damit auch das Entfernen der Rückstände. Außerdem hat eine solche Mischung in vorteilhafter Weise zur Folge, dass während eines O₂-Plasmaschrittes auf Siliziumflächen sich bildendes SiO₂ reduziert wird. Auch kann in einem dritten Verfahrensschritt beispielsweise in einem reinen H₂-Plasmaschritt eine Reduktion von SiO₂ auf Siliziumflächen erzielt werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass rückständefreie und gleichzeitig oxidfreie Siliziumflächen realisierbar sind.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass während des zweiten Verfahrensschritts O₂, H₂, N₂, Formiergas oder Ammoniak zugeführt wird. Vorzugsweise werden unterschiedliche Reaktionsgase abwechselnd zugeführt. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise das Entfernen der Rückstände an das Substrat anpassen, wodurch ein möglichst ökonomisches und/oder umfangreiches Entfernen der Rückstände realisierbar wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Substrat eine Opferschicht umfasst, wobei die Opferschicht zumindest teilweise während des zweiten Verfahrensschritts entfernt wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Opferschicht im ersten Verfahrensschritt freigelegt wird und im zweiten Verfahrensschritt sowohl Rückstände als auch Teile der Opferschicht entfernt werden. Dadurch lassen sich beispielsweise Kavitäten und/oder Hinterschneidungen in einfacher Weise realisieren. Insbesondere ergibt sich der Vorteil, dass das Entfernen von Rückständen und Teilen der Opferschicht in einem Verfahrensschritt erfolgen kann, wodurch der Gesamtaufwand zur Herstellung der mikromechanischen Struktur in vorteilhafter Weise reduziert wird.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Substrat aus Silizium, einem Oxid, einem Metall oder einem Nitrid besteht. Vorzugsweise umfasst das Substrat eine Mehrzahl unterschiedlicher Materialien und das Entfernen der Rückstände kann trotzdem in vorteilhafter Weise in einem Verfahrensschritt erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass zeitlich vor dem ersten Verfahrensschritt eine Ätzmaske auf dem Substrat angeordnet wird und zeitlich nach dem ersten Verfahrensschritt die Ätzmaske entfernt wird. Vorzugsweise weist die Ätzmaske einen Photolack auf. Weiterhin ist die Ätzmaske derart gestaltet, dass die Ätzmaske im Wesentlichen die Teile des Substrats vorgibt, die im ersten Verfahrensschritt geätzt werden sollen. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Strukturierung der Oberfläche des Substrats im ersten Verfahrensschritt erleichtert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Ätzmaske mit Hilfe eines Sauerstoffplasmas in einem dritten Verfahrensschritt oder im zweiten Verfahrensschritt entfernt wird. Vorzugsweise wird die Ätzmaske zusammen mit den Rückständen in einem gemeinsamen zweiten Verfahrensschritt entfernt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auf einen zusätzlichen Verfahrensschritt verzichtet werden, bei dem nur die Ätzmaske entfernt wird. Es ist aber auch vorstellbar, dass unter Umständen eine Trennung der Entfernung der Rückstände bzw. der Ätzmaske jeweils unabhängig voneinander erfolgt, um den Erfolg des Entfernens von Rückständen und der Ätzmaske zu verbessern. Als Erfolg ist die Menge an Rückständen bzw. der Ätzmaske zu verstehen, die nach dem Entfernen durch den dritten oder zweiten Verfahrensschritt auf dem Substrat zurück bleibt. Umso weniger Rückstände bzw. Teile der Ätzmaske zurückbleiben, desto größer ist der Erfolg des Entfernens.
In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Substrat während des ersten Verfahrensschritts und/oder des zweiten Verfahrensschritts in einem Plasma angeordnet wird, wobei das Plasma durch eine Hochfrequenz-/Niederfrequenz- oder Mikrowellenentladung erzeugt wird. Dadurch ergibt sich der Vorteil in besonders einfacher und genauer Weise eine Oberflächenstruktur für das Substrat zu realisieren bzw. Rückstände zu entfernen. Insbesondere kann im Plasma durch den loneneinfall und/oder die Temperatur und/oder den Prozessdruck die nötige Aktivierungsenergie für eine Reaktion zur Verfügung gestellt werden, wobei die Reaktion notwendig ist für das Ätzen und/oder das Entfernen der Ätzmaske und/oder das Entfernen der Rückstände.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass im ersten Verfahrensschritt die strukturierte Oberfläche durch ein reaktives Ionentiefätzen hergestellt wird. Insbesondere wird im ersten Verfahrensschritt ein Verfahren zum anisotropen Ätzen verwendet wird, wobei beim Verfahren zum anistropen Ätzen jeweils alternierend aufeinanderfolgend ein Ätz- und ein Polymerisationsschritt getrennt durchgeführt werden. Weiterhin ist es vorstellbar, dass zum Ätzen ein Ätzgas verwendet wird, wie beispielsweise SF₆. Durch das reaktive lonentiefätzen lassen sich in vorteilhafter Weise besonders schmale und tiefe Oberflächenstrukturen im Substrat realisieren.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der erste Verfahrensschritt und der zweite Verfahrensschritt in einer Vorrichtung zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche eines Substrats durchgeführt werden. Dadurch kann in vorteilhafter Weise Zeit gespart werden, die andernfalls für den Transport des Substrats zwischen dem ersten Verfahrensschritt und dem zweiten Verfahrensschritt nötig wäre. Zudem ist damit eine Investition in weitere Anlagentechnik vermeidbar.
Es wird weiter eine Vorrichtung zum Herstellen eines oberflächenstrukturierten Substrats und zum Entfernen von Rückständen aus der Oberflächenstruktur offenbart, wobei die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass ein Umgebungsdruck für das Substrat einstellbar ist, wobei der Umgebungsdruck kleiner ist als 60 Pa, und eine Substrattemperatur des Substrats einstellbar ist, wobei die Substrattemperatur größer ist als 150 °C ist.
Eine solche Vorrichtung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass erster und zweiter Verfahrensschritt in einer Vorrichtung durchführbar sind und dass durch den zweiten Verfahrensschritt möglichst universell Rückstände aus der strukturierten Oberfläche entfernbar sind. Dabei unterscheidet sich die Vorrichtung insbesondere dadurch vom Stand der Technik, der vor allem Plasma-Vorrichtungen zum Entfernen vom Ätzmasken bzw. Polymerresten kennt, die bei hohen Temperaturen und hohen Drücken arbeiten oder solche die bei niedrigen Drücken und niedrigen Temperaturen betrieben werden oder alternativ zu Plasma-Vorrichtungen Nassätzlösungen verwendet.
Figurenliste
Es zeigen

1 ein Substrat mit einer ersten beispielhaften strukturierten Oberfläche nach einem ersten Verfahrensschritt gemäß einer ersten Ausführungsform ,
2 ein Substrat mit der ersten beispielhaften strukturierten Oberfläche nach dem zweiten Verfahrensschritt gemäß einer ersten Ausführungsform ,
3 ein Substrat mit der ersten beispielhaften strukturierten Oberfläche nach dem zweiten Verfahrensschritt gemäß einer zweiten Ausführungsform,
4 ein Substrat mit einer zweiten beispielhaften strukturierten Oberfläche nach einem ersten Verfahrensschritt gemäß der vorliegenden Erfindung,
5 ein Substrat mit einer zweiten beispielhaften strukturierten Oberfläche nach einem zweiten Verfahrensschritt gemäß der vorliegenden Erfindung,
6 ein Substrat mit einer dritten beispielhaften strukturierten Oberfläche nach einem ersten Verfahrensschritt gemäß der vorliegenden Erfindung,
7 ein Substrat mit einer dritten beispielhaften strukturierten Oberfläche nach einem zweiten Verfahrensschritt gemäß der vorliegenden Erfindung,
8 ein Substrat mit einer vierten beispielhaften strukturierten Oberfläche und einer Opferschicht und
9 ein Substrat mit einer vierten beispielhaften strukturierten Oberfläche und einer teilweise entfernte Opferschicht.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 ist ein Substrat 1 dargestellt, nachdem dessen Oberfläche in einem ersten Verfahrensschritt durch ein Plasmaätzverfahren strukturiert wurde. Ziel ist es eine möglichst bauraumsparende Oberflächenstruktur zu realisieren, die beispielsweise für eine mikromechanische Vorrichtung bzw. Bauelement verwendet werden kann. Dazu wurde in einem dem ersten Verfahrensschritt zeitlich vorgelagerten Verfahrensschritt eine Ätzmaske 5 auf diejenige Seite des Substrats 1 aufgetragen, die strukturiert werden soll. Typischerweise werden in einem Plasmaätzverfahren Ionen auf die Oberfläche bewegt, vorzugsweise darauf beschleunigt, und stellen damit die für die chemische Reaktion des Ätzvorgangs notwendige Aktivierungsenergie. Insbesondere wird das benötigte Plasma durch eine Hochfrequenz- bzw. Mikrowellenentladung aus einem Ätzgas generiert. Beispielsweise handelt es sich bei dem Ätzgas um Schwefelhexafluorid. Insbesondere umfasst das Passiviergas C_x(H)Fy-haltige Gase wie z.B. C₄F₈, C₃F₈, C₂F₆, CHF₃ oder C₂H₂F₂. Vorzugsweise dient das Substrat 1 weiterhin als Elektrode, wodurch Ionen des Plasmas auf das Substrat 1 hin bewegt werden können und ein dadurch verursachter Ätzschritt zumindest teilweise gerichtet wird. Um jedoch schmale tiefe Gräben mit einem hohen Aspektverhältnis zu realisieren, bedarf es in der Regel eines Verfahrens bei dem jeweils abwechselnd ein Ätzschritt und ein Polymerisierungsschritt getrennt durchgeführt werden. Typischerweise wird beim Polymerisierungsschritt die gesamte Oberfläche des Substrates mit einer teflonartigen Passivierung bedeckt. Diese Passivierschicht wird üblicherweise im nachfolgenden Ätzschritt dort abgetragen, wo der Ioneneinfall aus dem Plasma auf das Substrat senkrecht erfolgt, also auf der Maske und am Ätzgrund der Strukturen.Die Passivierung verbleibt demnach an den Seitenwänden und damit an den Stellen auf dem Substrat, in dessen Richtung der folgende Ätzschritt nicht ätzen soll. Dadurch lassen sich beispielsweise besonders schmale Strukturen in einem Siliziumsubstrat 1 erzeugen. In dem dargestellten Substrat 1 mit der ersten beispielhaften strukturierten Oberfläche handelt es sich um ein Siliziumsubstrat, auf dessen Seitenwände zum Schutz vor den anschließenden Ätzschritten ein teflonartiges Polymer abgeschieden wurde, wodurch ein anisotropes Plasmaätzen von Silizium ermöglicht wird, da die teflonartige Polymerschicht nur an den Stellen entfernt wird, an denen der Ioneneinfall senkrecht zur Oberfläche des Substrats 1 verläuft (d.h. auf der Ätzmaske und auf dem Ätzgrund des Grabens, der durch die vorangegangenen Ätzschritte verursacht wurde). Ohne eine Polymerschicht würde das Silizium im Plasma mit Fluor-Radikalen spontan, d.h. rein chemisch reagieren, wodurch das Substrat vollkommen isotop geätzt werden würde, wobei Fluor-Radikale bei einer Plasmaanregung eines SF₆ - Gases im Ätzschritt freigesetzt werden. Zwar besteht die Möglichkeit, eine anisotrope Ätzung ohne eine Polymerschicht an den Seitenwänden der Gräben im Rahmen eines Cryoätzverfahren zu realisieren, jedoch bedarf es dazu Temperaturen niedriger als - 120°C zur Unterdrückung der allgemeinen isotropen Reaktion der Fluorradikale mit dem Silizium und einer gezielten Aktivierung der Reaktion durch einen senkrechten Ioneneinfall aus dem Plasma auf die Substratoberfläche. Ein solches Verfahren ist nur mit einem unverhältnismäßig großen Aufwand realisierbar. Standard-Dichtringmaterialien der Plasmaätzanlagen werden bei derart niedrigen Temperaturen spröde und verlieren ihre Dichtwirkung. Fotolackmasken halten diesen niedrigen Temperaturen nicht stand, werden rissig und verlieren so zumindest teilweise ihre Schutzwirkung vor einem Ätzangriff des unter der Maske liegenden und zu schützenden Substrates. Da das Substrat beim Cryoätzen den kältesten Teil innerhalb der Plasmaätzkammer darstellt, besteht die Gefahr der Kondensation von Bestandteilen aus der Prozesskammer auf der Substratoberfläche, was zu Mikromaskierung und im schlimmsten Fall zu einem gänzlichen Erliegen des Ätzfortschritts führt.Daher werden strukturierte Oberflächen in Substraten 1 vorzugsweise mit einer teflonartigen Polymerschicht realisiert, wobei die teflonartige Polymerschicht nach dem ersten Verfahrensschritt an den Silizium-Seitenwänden als Rückstand zurückbleibt. Für gewisse Anwendungsfälle beeinträchtigt dieser Rückstand die Funktionsweise und/oder beeinträchtigt die Weiterverarbeitbarkeit. Um in diesen Fällen beispielsweise eine funktionstüchtige Oberfläche aus dem im ersten Verfahrensschritt strukturierten Substrat 1 zu erhalten, müssen die im Rahmen des ersten Verfahrensschritt erzeugten Rückstände von der strukturierten Oberfläche entfernt werden. Der Stand der Technik kennt zur Reinigung Nassverfahren oder andere Verfahren, die bei großen Aspektverhältnissen nicht mehr ohne Weiteres das Entfernen der Rückstände 2 aus der strukturierten Oberfläche 3 garantieren können.
In 2 ist das Substrat 1 mit der ersten beispielhaften strukturierten Oberfläche nach dem zweiten Verfahrensschritt dargestellt. Nach dem zweiten Verfahrensschritt weist das Substrat 1 in der dargestellten Ausführungsform zwar weiterhin eine Ätzmaske 5 auf, es fehlen jedoch die Rückstände 2, die durch das Plasmaätzen während des ersten Verfahrensschritts entstanden sind. Insbesondere sind die Seitenwände des breiten und des schmalen Grabens frei von Rückständen 2. Es ist zum Entfernen der Rückstände 2 vorgesehen, dass ein Umgebungsdruck für das Substrat 1 eingestellt wird, der kleiner ist als ein erster Schwellenwert und eine Temperatur die größer ist als ein zweiter Schwellenwert. Dank des niedrigen Druck ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass die reaktiven Teilchen im Plasma, die verantwortlich sind für das Entfernen der Rückstände, in schmale Strukturen, Seitenwände, Flanken, Hinterschneidungen und/oder Kavitäten bzw. Kavernen gelangen können. Dies wird ermöglich durch die mittlere freie Weglänge l gemäß $\bar{l} = \frac{k T}{π \sqrt{2} d^{2} p},$
wobei k die Boltzmann-Konstante, d der Durchmesser des reaktiven Teilchens und p der Gasdruck ist. Bei 250 °C und einem Umgebungsdruck von 7.5 mTorr (Torr = 133 Pa) erhält man für Sauerstoffradikale im Plasma mit einem Durchmesser vom 120 pm eine mittlere freie Weglänge von etwa 11,28 cm. Diese mittlere freie Weglänge ist 200 mal größer als die bei einem O₂-Strippverfahren mit einem Umgebungsdruck von 1,5 Torr wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Damit wird die Wahrscheinlichkeit für die Rekombination des reaktiven Radikals mit anderen Teilchen des Plasmas über Stöße reduziert und ein Eindringen in schmale Strukturen, Hinterschneidungen und Kavitäten ermöglicht. Gleichzeitig hat die hohe Temperatur den Vorteil, eine Aktivierungsenergie für die Stoffumsetzung auch an den Stellen bereitzustellen, an denen kein loneneinfall aus dem Plasma erfolgt. Vorzugsweise beträgt der Druck zwischen 0.6 Pa und 1.3 Pa und die Substrattemperatur liegt zwischen 150 °C und 400 °C. Damit unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von dem Stand der Technik, bei denen entweder der Umgebungsdruck und die Substrattemperatur jeweils sehr hoch sind (z.B. handelsübliche O₂-Plasmastripper: 250°C und 200 Pa) oder jeweils sehr niedrig (z.B. RIE oder Decoupled-Plasmaätzanlagen: 20°C und 26 Pa) sind. Insbesondere ist es vorgesehen, dass durch die geeignete Auswahl von Substrattemperatur und Umgebungsdruck das Entfernen unabhängig von der Form und den geometrischen Verhältnissen der strukturierten Oberfläche des Substrats realisierbar ist.
In 3 ist das Substrat mit der ersten beispielhaften strukturierten Oberfläche nach dem zweiten Verfahrensschritt ohne Ätzmaske dargestellt. Typischerweise dienen Fotolacke als Material für die Ätzmaske und die Ätzmaske gibt die Form vor, entlang der das Substrat stukturiert werden soll. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Entfernen der Ätzmaske gleichzeitig mit dem Entfernen der Rückstände beim zweiten Verfahrensschritt erfolgt. Ein solches Veraschen der Ätzmaske während des Entfernens der Rückstände hat den Vorteil, dass auf einen zusätzlichen Verfahrensschritt verzichtet werden kann und damit Zeit und Aufwand in der Herstellung des Substrats mit der strukturierten Oberfläche reduziert werden können.
In 4 ist ein Substrat mit einer zweiten beispielhaften strukturierten Oberfläche dargestellt. Insbesondere umfasst das in 4 dargestellte Substrat eine Oxid- oder Nitridschicht. Das Ätzen von Oxid- oder Nitridschichten erfolgt beispielsweise unter lonenbeschuss durch ein Plasma aus C_x(H)F_y-haltigen Gasen, also z.B. aus einem der folgenden Ätzgase: C₄F₈, C₃F₈, C₂F₆, CHF₃, C₂H₂F₂ oder CF₄. Eine Plasmaätzung von Oxiden und Nitriden findet typischerweise nur an den Stellen statt, an denen die reaktiven Teilchen aus dem Plasma der genannten Ätzgase unter lonenbeschuss mit der Oxid bzw. Nitridschicht zur Reaktion gebracht werden und die dann entstehenden Reaktionsprodukte von der strukturierten Oberfläche desorbieren. Eine spontane Reaktion der Ätzgase wie beim Ätzen des Siliziums unter Anwesenheit von Fluor-Radikalen tritt in der Regel beim Plasmaätzen von Oxid- oder Nitridschichten nicht auf. Insbesondere bedarf es beim Ätzen von Oxid- oder Nitridschichten deutlich höherer Energie zur Aktivierung einer Ätzreaktion, wobei typischerweise der erhöhte Energiebedarf durch einen entsprechenden verstärkten lonenbeschuss realisierbar ist. Da an den Seitenflächen, Flanken und insbesondere an Hinterschneidungen oder in Kavitäten kein Ioneneinfall stattfinden kann sammeln sich dort ebenfalls Rückstände an, die aus der mehr oder weniger starken Neigung zur Polymerisierung der oben genannten Ätzgase resultieren. Insbesondere steigt die Neigung zur Polymerisierung mit zunehmenden C:F- Verhältnis. Weiterhin wirkt ein Wasserstoffanteil im Ätzgas wie eine Erhöhung des C:F-Verhältnisses.
In 5 ist das Substrat mit der zweiten beispielhaften strukturierten Oberfläche nach dem zweiten Verfahrensschritt dargestellt, wobei im zweiten Verfahrensschritt gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl die Rückstände entfernt wurden als auch gleichzeitig die Ätzmaske entfernt bzw. verascht wurde. Insbesondere zeigt 5, dass auch mehrschichtige Substrate strukturiert werden können.
In 6 ist ein Substrat mit einer dritten beispielhaften strukturierten Oberfläche dargestellt. Das in 6 dargestellte Substrat umfasst zeitlich nach dem ersten Verfahrensschritt eine Kavität bzw. Kaverne, wobei sich Rückstände sowohl an den Seitenwänden als auch an Strukturunterseiten der Kavität bzw. Kaverne anlagern. Diese Stellen lassen sich nicht durch lonenbeschuss bzw. den Ioneneinfall erreichen. Weiterhin kann das Substrat eine Metallmaske oder auch eine Oxidmaske oder eine Kombination aus beidem als Ätzmaske umfassen.
In 7 ist ein Substrat mit der dritten beispielhaften strukturierten Oberfläche nach dem zweiten Verfahrensschritt dargestellt. Es zeigt sich, dass durch den zweiten Verfahrensschritt auch Rückstände von denjenigen Bereichen des Substrats entfernbar sind, die durch den Ionenbeschuss bzw. den loneneinfall nicht zu erreichen sind. Insbesondere ist es vorgesehen, dass während des zweiten Verfahrensschritts die Substrattemperatur 400°C nicht überschreitet, um zu vermeiden, dass das Metall der Ätzmaske z.B. im Fall einer Aluminiumschicht schmilzt.
In 8 ist ein Substrat mit einer vierten beispielhaften strukturierten Oberfläche und mit einer integrierten Opferschicht dargestellt. Insbesondere handelt es sich um eine Polymeropferschicht. Es ist dabei vorgesehen, dass im ersten Verfahrensschritt durch ein Plasmaätzverfahren oder Nassätzverfahren zumindest Bereiche der integrierten Opferschicht freigelegt werden.
In 9 ist das Substrat mit der vierten beispielhaften strukturierten Oberfläche und mit einer integrierten Opferschicht nach dem zweiten Verfahrensschritt gezeigt. Durch die hohe Substrattemperatur und die niedrigen Umgebungsdrücke ist es möglich, im zweiten Verfahrensschritt die Opferschicht zumindest teilweise zu entfernen. Insbesondere werden dadurch Hohlräume und Hinterschneidungen realisierbar, ohne aufwendig in einem zusätzlichen Verfahrensschritt die Opferschicht zumindest teilweise zu entfernen. Insbesondere lassen sich auf diese Weise bauraumsparend Strukturen realisieren, die Bestandteil eines Beschleunigungs- oder Drehratensensors oder eines anderen mikromechanischen Bauteils oder Sensorelementes werden können.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur, wobei in einem ersten Verfahrensschritt durch ein Ätzverfahren in einem Substrat (1) eine strukturierte Oberfläche (3) erzeugt wird und in einem zweiten Verfahrensschritt zumindest teilweise Rückstände (2) aus der strukturierten Oberfläche (3) entfernt werden, wobei beim zweiten Verfahrensschritt ein Umgebungsdruck für das Substrats (1) eingestellt wird, der kleiner ist als 60 Pa, und eine Substrattemperatur eingestellt wird, die größer ist als 150°C, wobei das Substrat (1) eine Opferschicht (6) umfasst, wobei die Opferschicht (6) zumindest teilweise während des zweiten Verfahrensschritts entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Verfahrensschritt durch ein Plasmaätzverfahren zumindest Bereiche der integrierten Opferschicht (6) freigelegt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei im zweiten Verfahrensschritt -- der Umgebungsdruck kleiner ist als 3 Pa, bevorzugt kleiner als 2 Pa oder besonders bevorzugt zwischen 0.6 Pa und 1.3 Pa liegt und/oder -- die Substrattemperatur größer ist als 175 °C, bevorzugt größer als 190 °C oder besonders bevorzugt zwischen 200 °C und 400 °C liegt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Entfernen der Rückstände zumindest teilweise ein Plasma verwendet wird, wobei das Plasma zumindest teilweise O₂, H₂, N₂, Formiergas oder Ammoniak aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des zweiten Verfahrensschritts O₂, H₂, N₂, Formiergas oder Ammoniak zugeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (1) zumindest teilweise aus Silizium, einem Oxid, einem Metall oder einem Nitrid besteht.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zeitlich vor dem ersten Verfahrensschritt eine Ätzmaske (5) auf dem Substrat angeordnet wird und zeitlich nach dem ersten Verfahrensschritt die Ätzmaske (5) entfernt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die Ätzmaske (5) mit Hilfe eines Sauerstoffplasmas in einem dritten Verfahrensschritt oder im zweiten Verfahrensschritt entfernt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (1) während des ersten Verfahrensschritts und/oder des zweiten Verfahrensschritts in einem Plasma angeordnet wird, wobei das Plasma durch eine Hochfrequenz- oder Mikrowellenentladung erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im ersten Verfahrensschritt die strukturierte Oberfläche durch ein reaktives lonentiefätzen hergestellt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Verfahrensschritt und der zweite Verfahrensschritt in einer Vorrichtung zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche eines Substrats (1) durchgeführt werden.