DE102015120881A1

DE102015120881A1 - Verfahren zur Herstellung einer räumlichen Struktur in einem Halbleitersubstrat sowie Sensorstruktur

Info

Publication number: DE102015120881A1
Application number: DE102015120881.4A
Authority: DE
Inventors: Robert Täschner
Original assignee: Cis Forschungsinstitut fur Mikrosensorik GmbH
Current assignee: Cis Forschungsinstitut fur Mikrosensorik GmbH
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2017-06-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer räumlichen Struktur in einem Halbleitersubstrat (01) durch Ätzen, insbesondere zur Herstellung einer Sensorstruktur. Dazu werden eine von einer Vorderseite (02) zu ätzende Vertiefung (04), ein zu ätzender rückseitiger Graben (05) und ein von der Rückseite (03) des Halbleitersubstrats zu ätzender, das Halbleitersubstrat durchdringender Durchbruch (06) bestimmt. Nachfolgend wird ein vorderseitiger Ätzschritt sowie ein rückseitiger Ätzschritt ausgeführt, wobei die Prozessparameter mindestens während des rückseitigen Ätzschrittes derart eingestellt werden, dass eine vom Tiefen/Breiten-Verhältnis der zu ätzenden Strukturen abhängige Ätzrate (ARDE) auftritt, die bei breiteren Strukturen zu einem schnelleren Tiefenfortschritt führt als bei schmaleren Strukturen, sodass im rückseitigen Ätzschritt sowohl der rückseitige Graben (05) als auch der Durchbruch (06) entstehen. Die Erfindung betrifft außerdem eine Sensorstruktur in einem Halbleitersubstrat (01), die nach dem genannten Verfahren herstellbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer räumlichen Struktur in einem Halbleitersubstrat. Insbesondere eignet sich das Verfahren zur Herstellung einer Sensorstruktur, speziell eines Drucksensors mit verbesserter Stabilität bezüglich höheren Temperaturen, sehr kleinen Abmessungen und reduzierter Fehlerempfindlichkeit in Bezug auf mechanische Spannungen. Die Erfindung betrifft somit auch entsprechende Sensoren, die nach einem solchen Verfahren hergestellt sind.
Herkömmlich startet ein Verfahren zur Herstellung von räumlichen Strukturen in einem Halbleitersubstrat, wie beispielsweise einem Silizium-Wafer, mit dem Bestimmen einer zu ätzenden Struktur, gefolgt vom Aufbringen einer maskierenden Schutzschicht, insbesondere einer ätzfesten Lackschicht auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats, wobei zu ätzende Bereiche frei bleiben, um die gewünschte Struktur im Halbleiter ausbilden zu können. Nachfolgend wird ein Ätzschritt angewendet, sodass die nicht von der Schutzschicht bedeckten Bereiche geätzt werden, um Halbleitermaterial abzutragen, wodurch sich eine räumliche Struktur ausbildet. Häufig erfolgt, im Regelfall zeitlich versetzt nach dem ersten Ätzschritt, das Aufbringen einer zweiten maskierenden Schutzschicht auf einer Rückseite des Halbleitersubstrats, die der bereits geätzten Vorderseite gegenüberliegt, wobei wiederum zu ätzende Bereiche frei bleiben, sowie nachfolgend das Anwenden eines zweiten Ätzschrittes an der Rückseite.
Aus der DE 39 32 618 C2 ist eine Vorrichtung zur Messung mechanischer Kräfte und Kraftwirkungen bekannt. Diese besitzt ein Gehäuse und einen Tragkörper, der ein deformierbares Sensorelement mit mechanisch-elektrischen Signalwandlern trägt. Tragkörper und Sensorelement sind bevorzugt aus einem Halbleitermaterial gefertigt. Die Signalwandler sind insbesondere als piezoresistive Widerstände ausgebildet. Wenngleich durch diese Druckschrift unterschiedliche Formgebungen für die Gestaltung der zur Kraftmessung erforderlichen Federelemente vorgeschlagen werden, verbleibt in der Praxis das Problem, dass bei weitgehender Miniaturisierung nicht gleichzeitig eine hohe Empfindlichkeit des Sensors in Bezug auf die Messgröße und eine große Stabilität gegenüber aus Materialspannungen resultierenden Fehlereinflüssen erreichbar ist. Solche Materialspannungen treten vor allem bei hohen Temperaturänderungen aufgrund des angekoppelten Trägers auf.
In Offereins, H. L. et al. „STRESS FREE ASSEMBLY TECHNIQUE FOR A SILICON BASED PRESSURE SENSOR", 1991 IEEE, S. 986 ff., ist ein piezoresistiver Drucksensor auf der Basis von Silizium beschrieben, welcher zur Reduzierung der oben genannten negativen Materialspannungen mechanisch vom Gehäuse entkoppelt ist.
Da derartige Sensoren häufig in miniaturisierter Bauform in Sensorsystemen integriert werden sollen, kommen bevorzugt die in der Halbleiterfertigung gängigen Herstellungsverfahren zum Einsatz. Insbesondere werden isotrope und anisotrope nasschemische Strukturierungsprozesse eingesetzt, die allerdings den Nachteil haben, dass im Substrat (Silizium) auszubildende Materialstrukturen, typischerweise Gräben, ein für den Anwendungsfall ungünstiges Aspektverhältnis aufweisen. D. h. die Breite der Gräben wird so groß, dass die Sensoren entweder eine zu große Ausdehnung haben müssten und/oder keine ausreichende Verbindungsfläche mehr zur Verfügung steht, um weitere Elemente der Gesamtanordnung anzukoppeln. Wenn räumliche Strukturen mit unterschiedlichen Tiefen in einem Ätzverfahren (z. B. DRIE Deep Reactive Ion Etching) erzeugt werden sollen, müssen bislang mehrere unterschiedliche Ätzschritte nacheinander ausgeführt werden. Für jede spezifische Tiefe ist ein separater Fertigungszyklus notwendig. Dies ist ein erheblicher Aufwand und führt zu zusätzlichen Fehlerquellen, zu einer unerwünschten Prozessverlängerung und zu zusätzlichen Kosten. Außerdem bereitet das lithographische Aufbringen von Lackschutzschichten in erst teilweise erzeugten Gräben an deren senkrecht zur Waferebene verlaufenden Wänden erhebliche Schwierigkeiten bezüglich der Homogenität der Lackabscheidung, was den Prozess insgesamt fehleranfällig macht. Alternativ könnte die Dicke des Wafers, in welchem der Sensor strukturiert wird, reduziert werden, was aber den Nachteil hat, dass innere mechanische Spannungen schlecht abgebaut werden und die Gefahr der mechanischen Beschädigung des Sensors bereits beim Handling im weiteren Herstellungsprozess wächst.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer räumlichen Struktur, insbesondere einer Sensorstruktur anzugeben, mit welchem es gelingt, in Halbleitersubstraten mit nur wenigen Prozessschritten die für Sensoren und gleichartige Funktionsbereiche erforderlichen Strukturen auszubilden. Eine weitere Aufgabe wird in der Bereitstellung einer verbesserten Sensorstruktur in einem Halbleitersubstrat gesehen, insbesondere für den Aufbau eines hochtemperaturstabilen Drucksensors.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Sensorstruktur gemäß Anspruch 9 gelöst.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein in der Fachwelt als störend empfundener Effekt, den es herkömmlich durch Prozessoptimierung zu vermeiden gilt, bewusst und gezielt angewendet werden kann, um die beispielsweise für Drucksensoren benötigte räumliche Materialstruktur optimiert zu formen. Bekannt ist zunächst, dass speziell bei Ätzverfahren wie dem DRIE-ICP (Deep Reactive Ion Etching – Inductively Coupled Plasma) die sich zeitabhängig einstellende Ätztiefe vom Tiefen/Breiten-Verhältnis (Aspektverhältnis) der zu ätzenden Struktur abhängig ist. Dieser sogenannte ARDE-Effekt (Aspect Ratio Dependent Etchrate) führt dazu, dass ohne besondere Vorkehrungen die Ätztiefe in schmalen Strukturen (Gräben) langsamer fortschreitet als in breiteren Strukturen (z. B. Durchbrüchen). Folgende Prozesse sind hauptsächlich für das Eintreten des ARDE-Effekts verantwortlich:

– zunehmende Abschattung der reaktiven Spezies durch Neutralteilchen in den Strukturen höheren Aspektverhältnisses (AR) und daraus resultierende längerer Verbleib der neutralen Reaktionsprodukte mit zunehmendem AR;
– Verlust von Ionen im Öffnungsschritt des Fluorpolymers durch Ableitung in die im Verhältnis stärker dominierende Seitenwand bei großem AR;
– begrenzter, druckabhängiger Teilchentransport in den Strukturen mit hohem AR.

Im Regelfall wird innerhalb eines Halbleiterätzprozesses angestrebt, dass die Ätztiefe überall gleich schnell voranschreitet, sodass die Bodenflächen eingeätzter Strukturen nach Abschluss eines Ätzschrittes im Wesentlichen in einer Ebene liegen. Zur Reduktion des innerhalb des DRIE-ICP unerwünschten ARDE-Effekts werden von den Anlagenherstellern bzw. den Betreibern entsprechender Anlagen die Prozessparameter angepasst, um den ARDE-Effekt zu minieren oder möglichst ganz zu eliminieren. Beispielhaft ist in: Lai, S. L. et al. "Aspect ratio dependent etching lag reduction in deep silicon etch processes", J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 24, No. 4, 2006 S.1283–1288, ein Ansatz erläutert, wie durch Wahl eines geeigneten Verhältnisses aus Ätz-, Depositions- und Öffnungsdauer der ARDE-Effekt eliminiert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer räumlichen Materialstruktur in einem Halbleitersubstrat eignet sich insbesondere zur Herstellung einer Sensorstruktur. Es setzt den ARDE-Effekt gezielt ein, um den Ätzprozess in verschiedenen Bereichen der auszubildenden Struktur unterschiedlich schnell in die Tiefe des Halbleitersubstrats vordringen zu lassen. Anstelle der Minimierung oder Elimination des ARDE-Effekts werden somit die Prozessparameter gezielt angepasst, um den ARDE-Effekt in verstärkter Form auftreten zu lassen.
Erfindungsgemäß werden die bekannten Erkenntnisse zur Elimination des ARDE-Effektes genutzt, um einen Prozess derart anzupassen, dass sich gerade ein ausgeprägter ARDE-Effekt ergibt. Ein Lösungsansatz dafür ist beispielsweise, dass eine im Verhältnis zur Polymerabscheidungszeit sehr lange isotrope Ätzzeit gewählt wird. Da die Depositions- und Ätzraten, im Gegensatz zur Polymerentfernungsrate sehr stark auf das Aspektverhältnis reagieren, ergibt sich in großen Strukturen pro Zyklus eine deutlich höhere Ätztiefe als in kleinen Strukturen. Ein ähnliches Ergebnis kann auch über die Verschiebung anderer Prozessparameter (Gasflüsse, ICP bzw. Biasleistung, Druck, APC Öffnungswinkel) erzielt werden, da die Transportvorgänge in den einzelnen Prozessschritten unterschiedlich stark auf Parametervariationen reagieren.
Erfindungsgemäß werden zunächst die von einer Vorderseite des Halbleitersubstrats zu ätzenden Strukturen (erste Vertiefungen) sowie die von einer Rückseite des Halbleitersubstrats zu ätzenden Strukturen vorbestimmt, d. h. in der gewünschten Position und Ausdehnung festgelegt. Bei den vorderseitigen Strukturen handelt es sich um eine oder mehrere Vertiefungen, während auf der Rückseite mindestens ein rückseitiger Graben mit einer Grabenweite und einer Grabentiefe als zu ätzende Struktur vorgesehen wird. Die Grabentiefe des rückseitigen Grabens ist mindestens um das 8-fache, bevorzugt mindestens um das l0-fache größer als seine Grabenweite, es handelt sich also um eine rückseitige Struktur mit einem Aspektverhältnis (Tiefe/Breite-Verhältnis) von 8 oder größer. Weiterhin wird mindestens ein von der Rückseite des Halbleitersubstrats zu ätzender, das Halbleitersubstrat durchdringender Durchbruch in der Struktur festgelegt. Der Durchbruch hat eine Durchbruchbreite, die mindestens um das 5-fache, bevorzugt mindestens um das 8-fache, besonders bevorzugt mindestens um das 10-fache größer als die Grabenweite des rückseitigen Grabens ist. Der Durchbruch hat vorzugsweise ein Aspektverhältnis im Bereich von 0,3 bis 2.
Nachdem die durch den Ätzprozess auszubildende Struktur unter Einhaltung der genannten Bedingungen definiert wurde, werden vorderseitige und rückseitige Schutzschichten auf dem Halbleitersubstrat aufgebracht, um die Oberflächen der genannten Strukturen zu maskieren. Natürlich können die Strukturen weitere Bestandteile enthalten und komplizierter aufgebaut sein, in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung. Die Schutzschichten können üblicherweise nacheinander im Prozess aufgebracht werden, d. h. die Maskierung der Rückseite kann erfolgen, wenn der Ätzschritt an der Vorderseite bereits abgeschlossen ist.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein vorderseitiger Ätzschritt an der Vorderseite sowie ein rückseitiger Ätzschritt an der Rückseite angewendet. Weitere Ätzschritte sind für die Ausbildung der Sensorstruktur nicht erforderlich, was den Prozess schnellpreiswert und robust gestaltet. Die Prozessparameter werden mindestens während des rückseitigen Ätzschrittes derart eingestellt, dass eine vom Tiefen/Breiten-Verhältnis der zu ätzenden rückseitigen Strukturen abhängige Ätzrate (ARDE) auftritt, die bei den breiteren Strukturen, also insbesondere dem Durchbruch zu einem schnelleren Tiefenfortschritt führt als bei schmaleren Strukturen, also dem mindestens einen rückseitigen Graben. Somit entstehen im einzigen rückseitigen Ätzschritt sowohl der rückseitige Graben als auch der Durchbruch.
Bevorzugt wird der Ätzprozess so eingestellt, dass der ARDE-Effekt derart auftritt, dass der Durchbruch genau zu dem Zeitpunkt erreicht ist, wenn der eine bzw. mehrere rückseitige Gräben fertig gestellt sind. Denn es ist zu bedenken, dass während des Ätzens regelmäßig eine Kühlung des Substrats erforderlich ist, die mit einem an die der zu ätzenden Seite gegenüberliegende Seite herangeführten Medium (z. B. Helium) erfolgt. Vorzugsweise wird das Halbleitersubstrat während beider Ätzschritte jeweils an der nicht dem Ätzprozess unterworfenen Seite durch Zufuhr eines Kühlmediums, insbesondere Helium, gekühlt. Diese Kühlung bricht zusammen, wenn das Substrat durch den Durchbruch geöffnet wird, sodass der Ätzschritt dann beendet, oder deutlich verlangsamt werden muss.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die vorderseitige Vertiefung durch mindestens einen vorderseitigen Graben gebildet, wobei Grabentiefe und Grabenweite des vorderseitigen Grabens besonders bevorzugt mit denjenigen des rückseitigen Grabens übereinstimmen. Die Grabentiefe geht vorzugsweise tiefer als bis zur Mitte des Substrats, sodass sich vorderseitige und rückseitige Gräben kammartig überlappen, aufgrund der versetzten Anordnung aber nicht ineinander übergehen. Vorzugsweise liegt die Grabentiefe im Bereich des 0,6 bis 0,9-fachen der Dicke des Halbleitersubstrats.
Besonders bevorzugt wird die Durchbruchbreite so bestimmt, dass sie im Bereich des 0,8 bis 2-fachen der Dicke des Halbleitersubstrats liegt. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Durchbruchbreite im Bereich des 10 bis 25-fachen der Grabenweite liegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Prozessparameter mindestens während des rückseitigen, bei Bedarf auch während des vorderseitigen Ätzschrittes derart eingestellt, dass der Ätzfortschritt im Bereich des Durchbruchs (mit kleinem Aspektverhältnis) gegenüber dem Ätzfortschritt im Bereich des Grabens (mit großem Aspektverhältnis) um einen Tiefenfaktor F = 1,1–1,6 vergrößert ist. Dieser Tiefenfaktor F gibt also das Verhältnis zwischen dem Ätzfortschritt bei kleinerem Aspektverhältnis zum Aspektverhältnis bei größerem Aspektverhältnis der zu ätzenden Struktur an. Dies gilt unter der Bedingung, dass das Verhältnis der Aspektverhältnisse Graben/Durchbruch einen Wert zwischen 5–50 aufweist.
Der erfindungsgemäß genutzte ARDE-Effekt kann auch angegeben werden als prozentualer ARDE-Faktor = (Ätztiefe in der schmalen Struktur/Ätztiefe in der breiten Struktur)·100% und sollte vorzugsweise 60–90% betragen.
Die konkreten Prozessparameter, die zur Erreichung des hier gewünschten ARDE-Effektes an der jeweiligen Anlage verwendet werden müssen, sind anlagenspezifisch zu wählen. Dafür kann der Fachmann auf die ihm bekannten Zusammenhänge, die er bislang nur für die Vermeidung des ARDE-Effektes nutzt, zurückgreifen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können bevorzugt Strukturen in einem Halbleitersubstrat erzeugt werden, bei denen in ein oder zwei Ätzschritten Gräben und Durchbrüche im Substrat ausgebildet werden, deren Öffnungsquerschnitt deutlich voneinander abweicht, insbesondere sich um den Faktor 5 oder mehr voneinander unterscheidet. Dieses Verfahren erlaubt es, gleichzeitig und gezielt unterschiedliche Ätztiefen zu erzeugen.
Die o. g. Aufgabe wird somit auch durch eine Sensorstruktur in einem Halbleitersubstrat erfüllt, die wie folgt hergestellt wird: Zunächst wird mindestens ein von einer Seite des Halbleitersubstrats zu ätzender Graben als Bestandteil einer zu ätzenden Struktur bestimmt. Der Graben besitzt eine Grabenweite und eine Grabentiefe, die mindestens um das 8-fache größer als seine Grabenweite ist. Weiterhin wird mindestens ein von derselben Seite des Halbleitersubstrats zu ätzender, das Halbleitersubstrat durchdringender Durchbruch als Bestandteil der zu ätzenden Struktur bestimmt. Der Durchbruch besitzt eine Durchbruchbreite d, die mindestens um das 5-fache, bevorzugt mehr als das 8-fache, besonders bevorzugt mehr als das l0-fache größer als die Grabenweite w des Grabens ist. Nachdem diese Strukturen definiert und in bekannter Weise auf das Substrat lithografisch aufgebracht wurden, wird ein einziger Ätzschritt angewendet, wobei die Prozessparameter derart eingestellt werden, dass eine vom Tiefen/Breiten-Verhältnis der zu ätzenden Strukturen abhängige Ätzrate (ARDE) auftritt, die bei breiteren Strukturen zu einem schnelleren Tiefenfortschritt führt als bei schmaleren Strukturen, sodass im Ätzschritt sowohl der Graben als auch der Durchbruch vollständig ausgebildet werden.
Eine bevorzugte Ausführung der Sensorstruktur besitzt von beiden Seiten des Halbleitersubstrats eingeätzte Strukturen. Der Ätzschritt, in welchem der Durchbruch (oder mehrere Durchbrüche) ausgeformt wird, stellt in jedem Fall den letzten Ätzschritt dar.
Besonders bevorzugt lassen sich damit Sensorstrukturen erzeugen, die federartige Strukturen aufweisen, welche durch kammartig verzahnte Gräben gebildet sind, wobei diese Gräben mittels eines DRIE Prozesses in Silizium eingebracht sind. Wenn die Gräben im wesentlichen senkrechte Seitenwände aufweisen und ein Aspektverhältnis im Bereich zwischen 1:8 bis 1:50 besitzen, können auf engem Raum extrem wirksame Federstrukturen realisiert werden, die die Wirkung der auf gleichem Bauraum mittels herkömmlicher Technik (KOH-Ätzen/Ultraschallschwingläppen, wasserstrahlgeführte Laserablation u. ä.) realisierbaren Strukturen deutlich übertreffen.
Insbesondere können Strukturen für Drucksensoren aufgebaut werden, welche die genannten Gräben mit geringem Öffnungsquerschnitt und einen oder mehrere Durchbrüche mit großem Öffnungsquerschnitt aufweisen. Diese Durchbrüche dienen als Kanäle für den druckbeaufschlagten Medienanschluss. Gräben und Durchbrüche sind erfindungsgemäß in ihren Größenverhältnissen so zu wählen, dass sich die nötigen Ätztiefen durch die beschriebene Ausnutzung des ARDE-Effekts zur gleichen Ätzzeit ergeben.
Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Durchführung von lithografischen Prozessschritten an senkrechten Seitenwänden umgangen werden. Ebenso muss keine der Strukturen geätzt werden, nachdem es durch das vollständige Ätzen der Druckzuführung (Durchbruch) zu einem Leck im Siliziumsubstrat kommt. Ein solches Leck macht die erforderliche Rückseitenkühlung mit Helium unmöglich. Das gesamte Substrat kann stattdessen in nur zweit Lithografie- und Ätzschritten produziert werden und besitzt zudem eine höhere funktionale Leistungsfähigkeit als bisher angewendete Ausführungsformen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorstruktur, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 eine vereinfachte Darstellung des Layouts eines Rücksubstrates zur thermomechanischen Entkopplung von hochtemperaturbeständigen Drucksensoren;
2 eine vereinfachte Schnittansicht der Struktur gemäß 1;
3 eine vereinfachte Schnittansicht der Struktur gemäß 1. mit einem Montagesockel und einem Hochtemperaturdrucksensor.
Unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die 1 und 2 wird nachfolgend eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorstruktur beschrieben, welche unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde. Diese Sensorstruktur dient dem Aufbau eines Drucksensors 07 (vgl. 3), der insbesondere auch bei hohen Temperaturen einsetzbar ist, da das Auftreten zu starker, das Messergebnis verfälschender Materialspannungen in der Struktur vermieden wird.
In einem Halbleitersubstrat, insbesondere einem Siliziumsubstrat 01, welches eine Vorderseite 02 und eine Rückseite 03 besitzt, sind dazu von diesen beiden Seiten räumliche Strukturen eingebracht, die durch Plasma-Ätzen hergestellt werden. Im dargestellten Beispiel wurde dazu eine Vertiefung bestimmt, die von der Vorderseite 02 eingebracht ist. Die vorderseitige Vertiefung umfasst mehrere vorderseitige Gräben 04. Von der Rückseite 03 sind mehrere rückseitige Gräben 05 in das Substrat 01 eingebracht. Außerdem besitzt die Sensorstruktur einen zentralen Durchbruch 06, über welchen beim späteren Betrieb die Druckzuführung erfolgt.
Im dargestellten Beispiel weisen die vorder- und rückseitigen Gräben 04, 05 in etwa dieselben Dimensionen auf. Die Gräben besitzen jeweils eine Grabenweite w und eine Grabentiefe t. Der Durchbruch 06 durchdringt die gesamte Substratstärke S und besitzt einen Öffnungsdurchmesser d.
Die Verhältnisse der Aspektverhältnisse zwischen Durchbruch 06 und mindestens den rückseitigen Gräben 05 liegen im Bereich zwischen 1:10 bis 1:50, bevorzugt 1:10 bis 1:25. Bei einem Öffnungsdurchmesser d des Durchbruchs von ca. 500 μm besitzen die rückseitigen Gräben 05 bevorzugt eine Öffnungsweite w von ca. 10–50 μm. Bei Verwendung eines Substrats mit einer Stärke S = 525 μm besitzt der Durchbruch 05 somit ein Tiefen/Breiten-Verhältnis AR_D ~ 1. Die rückseitigen Gräben 05 und bevorzugt auch die vorderseitigen Gräben 04 weisen nach Durchführung des Ätzprozesses (DRIE) ein AR_G von 8–30, vorzugsweise 10–25 auf.
Der Durchbruch 06 muss sich durch das komplette Substrat erstrecken, sodass die zu erreichende Ätztiefe im Durchbruch ≥ S sein muss, da der Durchbruch nur von einer Seite (hier Rückseite genannt) geätzt wird. Um eine gut funktionierende Federstruktur mit den Gräben 04, 05 auszubilden, sollen sich die von gegenüberliegenden Seiten des Substrats beginnenden Gräben in ihrer Tiefe abschnittsweise überdecken, sodass die zu erreichende Ätztiefe t der Gräben im Bereich S/2 < t < S liegen soll.
Da, wie beispielsweise der genannten Literaturstelle zu entnehmen ist, bei erfindungsgemäßer Ausnutzung des ARDE-Effekts der Anstieg der Ätzratenabhängigkeit zu großen Aspektverhältnissen hin zunimmt, ist das für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Verhältnis der Aspektverhältnisse (Tiefenfaktor) auch von der Gesamtausdehnung der zu schaffenden Struktur abhängig. Bei Sensorstrukturen mit kleinerem Öffnungsdurchmesser d des Durchbruchs 06 kann das Verhältnis der Aspektverhältnisse beispielsweise AR_G/AR_D = 2 bis 5 betragen. Sensorstrukturen mit sehr großem Öffnungsdurchmesser d des Durchbruchs 06 benötigen hingegen höhere Verhältnisse der Aspektverhältnisse, beispielsweise im Bereich zwischen 10 bis 50, um durch Anpassung der Prozessparameter den ARDE-Effekt derart einzustellen, dass beim Erreichen der Ätztiefe im Durchbruch 06 gleich der Materialstärke S des Substrats auch die gewünschte Grabentiefe t in den rückseitigen Gräben 05 erreicht ist und der Ätzprozess damit beendet ist.
Bei der Herstellung eines Drucksensors sollte die summierte Tiefe t der Gräben 04, 05 erfindungsgemäß über der Waferdicke S liegen. Die Überschneidung sollte möglichst hoch gewählt werden, ist jedoch durch die Festigkeit der Struktur begrenzt. Die Überschneidung muss in Abhängigkeit der notwendigen Berstfestigkeit des Sensors gewählt werden, sinnvollerweise liegt der Berstdruck der Federstruktur im Bereich der Berstfestigkeit der Membran. Durch diese Auslegung ergibt sich ein maximaler Abbau der durch die weiteren Aufbauebenen induzierten Spannungen ohne eine negative Beeinflussung der Sensorleistung.
3 zeigt einen typischen Einsatzfall der zuvor beschriebenen Struktur in einem hochtemperaturstabilen Drucksensor 07, welcher auf einem Montagesockel 08 befestigt ist. Es ist ersichtlich, dass die Struktur 01 mit ihrer Vorderseite 02 unmittelbar am Montagesockel 08 angebracht ist. Über eine Ausnehmung 11 im Montagesockel liegt am Durchbruch 06 ein zu überwachender Druck an. An der Rückseite 03 der Struktur 01 ist außerdem ein Drucksensorchip 09 angebracht, welcher den Durchbruch 06 abschließt, sodass eine Druckkammer 10 ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste

01: Halbleitersubstrat/Siliziumsubstrat
02: Vorderseite
03: Rückseite
04: vorderseitige Gräben/Vertiefung
05: rückseitige Gräben
06: Durchbruch (Druckzuführung)
07: Drucksensor
08: Montagesockel
09: Drucksensorchip
10: Druckkammer
11: Ausnehmung
d: Durchmesser des Durchbruchs
w: Grabenweite
t: Grabentiefe
S: Stärke des Halbleiter-Substrats/Waferdicke
AR: Tiefe/Breite-Verhältnis (Aspektverhältnis)
AR_D: Aspektverhältnis Druckdurchführung = S/d
AR_G: Aspektverhältnis Graben = t/w
F: Tiefenfaktor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3932618 C2 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

H. L. et al. „STRESS FREE ASSEMBLY TECHNIQUE FOR A SILICON BASED PRESSURE SENSOR”, 1991 IEEE, S. 986 ff. [0004]
Lai, S. L. et al. ”Aspect ratio dependent etching lag reduction in deep silicon etch processes”, J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 24, No. 4, 2006 S.1283–1288 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer räumlichen Struktur in einem Halbleitersubstrat (01) durch Ätzen, insbesondere zur Herstellung einer Sensorstruktur, folgende Schritte umfassend: – Bestimmung mindestens einer von einer Vorderseite (02) des Halbleitersubstrats zu ätzenden Vertiefung (04); – Bestimmung mindestens eines von einer Rückseite (03) des Halbleitersubstrats zu ätzenden rückseitigen Grabens (05) mit einer Grabenweite (w) und einer Grabentiefe (t), wobei die Grabentiefe des rückseitigen Grabens (05) mindestens um das 8-fache größer als seine Grabenweite ist; – Bestimmung mindestens eines von der Rückseite (03) des Halbleitersubstrats zu ätzenden, das Halbleitersubstrat durchdringenden Durchbruchs (06) mit einer Durchbruchbreite (d), wobei die Durchbruchbreite (d) mindestens um das 5-fache größer als die Grabenweite (w) des rückseitigen Grabens (05) ist; – Anwenden eines vorderseitigen Ätzschrittes an der Vorderseite sowie eines rückseitigen Ätzschrittes an der Rückseite, wobei die Prozessparameter mindestens während des rückseitigen Ätzschrittes derart eingestellt werden, dass eine vom Tiefen/Breiten-Verhältnis der zu ätzenden Strukturen abhängige Ätzrate (ARDE) auftritt, die bei breiteren Strukturen zu einem schnelleren Tiefenfortschritt führt als bei schmaleren Strukturen, sodass im rückseitigen Ätzschritt sowohl der rückseitige Graben (05) als auch der Durchbruch (06) entstehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitige Vertiefung durch mindestens einen vorderseitigen Graben (04) gebildet ist, mit einer Grabenweite (w) und einer Grabentiefe (t), wobei Grabentiefe und Grabenweite des vorderseitigen Grabens (04) bevorzugt mit denjenigen des rückseitigen Grabens (05) übereinstimmen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (01) während der beiden Ätzschritte jeweils an der nicht dem Ätzprozess unterworfenen Seite durch Zufuhr eines Kühlmediums, insbesondere Helium, gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine lithografische Schutzschicht zur Maskierung der zu ätzenden Struktur auf der Rückseite (03) des Halbleitersubstrats (01) erst nach Abschluss des an der Vorderseite (02) angewandten ersten Ätzschrittes aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbruchbreite (d) im Bereich des 0,8-bis 2-fachen der Stärke (S) des Halbleitersubstrats (01) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbruchbreite (d) im Bereich des 10-bis 25-fachen der Grabenweite (w) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Grabentiefe (t) im Bereich des 0,6- bis 0,9-fachen der Stärke (S) des Halbleitersubstrats (01) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aspektverhältnisse der rückseitigen Gräben (05) und des Durchbruchs (06) so gewählt sind, dass im rückseitigen Ätzschritt die Ätztiefe im Durchbruch (06) die Materialstärke (S) des Halbleitersubstrats (01) erreicht, wenn die vorbestimmte Grabentiefe (t) der rückseitigen Gräben (05) erreicht ist.
Sensorstruktur in einem Halbleitersubstrat (01), dadurch gekennzeichnet, dass sie wie folgt hergestellt ist: – Bestimmung mindestens eines von einer Seite (03) des Halbleitersubstrats zu ätzenden Grabens (05) mit einer Grabenweite (w) und einer Grabentiefe (t), wobei die Grabentiefe des Grabens (05) mindestens um das 8-fache größer als seine Grabenweite ist; – Bestimmung mindestens eines von derselben Seite (03) des Halbleitersubstrats zu ätzenden, das Halbleitersubstrat durchdringenden Durchbruchs (06) mit einer Durchbruchbreite (d), wobei die Durchbruchbreite (d) mindestens um das 5-fache größer als die Grabenweite (w) des Grabens (05) ist; – Anwenden eines Ätzschrittes, wobei die Prozessparameter derart eingestellt werden, dass eine vom Tiefen/Breiten-Verhältnis der zu ätzenden Strukturen abhängige Ätzrate (ARDE) auftritt, die bei breiteren Strukturen zu einem schnelleren Tiefenfortschritt führt als bei schmaleren Strukturen, sodass im Ätzschritt sowohl der Graben (05) als auch der Durchbruch (06) entstehen.
Sensorstruktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil eines Hochtemperatur-Drucksensors ist und vorzugsweise durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.