DE10241062A1

DE10241062A1 - Strukturkörper mit einem elektrochemisch erzeugten porösen Bereich

Info

Publication number: DE10241062A1
Application number: DE2002141062
Authority: DE
Inventors: Hans Artmann; Thorsten Pannek; Torsten Ohms
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-09-05
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2003-11-27

Abstract

Es wird ein Strukturkörper (5) mit einer strukturierten Maskierung (12, 16) und einem mit Hilfe der strukturierten Maskierung (12, 16) elektrochemisch erzeugten porösen Bereich (11, 15') vorgeschlagen, wobei mindestens eine Kompensationsstruktur (14') derart vorgesehen ist, dass in einer Umgebung der Grenzfläche (13) zwischen der Maskierung (12, 16) und dem übrigen Strukturkörper (5) die Dichte eines bei dem elektrochemischen Erzeugen des porösen Bereiches (11, 15') fließenden elektrischen Stromes gegenüber der Dichte eines entsprechenden, in Abwesenheit der Kompensationsstruktur (14') fließenden elektrischen Stromes reduziert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strukturkörper mit einem elektrochemisch erzeugten porösen Bereich nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Stand der Technik

Bei der Entstehung von porösem Silizium handelt es sich um eine elektrochemische Reaktion zwischen Flusssäure und Silizium, bei der eine schwammartige Struktur in Silizium erzeugt wird. Dazu wird ein Siliziumwafer gegenüber einem Flusssäureelektrolyten anodisch gepolt. Durch die so entstehende poröse Struktur erhält das Silizium eine große innere Oberfläche und gegenüber dem verbleibenden, nicht porösen Silizium andere chemische und physikalische Eigenschaften wie beispielsweise eine andere Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität. Bei der Herstellung von porösem Silizium können weiter verschiedene Siliziumsubstrate verwendet werden, deren Dotierungstyp und insbesondere elektrischer Widerstand unter anderem die Strukturgrößen bzw. Porösität innerhalb des erzeugten porösen Siliziums beeinflusst. Weitere Parameter zur Einstellung der gewünschten Struktur des porösen Siliziums sind neben der Konzentration des eingesetzten Flusssäureelektrolyten die eingespeiste Stromdichte während der Anodisierung.
Für die lokale Herstellung von porösem Silizium gibt es verschiedene Maskierungsmethoden wie die Verwendung eines elektrochemischen Ätzstoppes oder einer Maskierschicht, beispielsweise eine Hartstoffschicht aus Siliziumnitrid (Si_xN_y). Dies ist in DE 100 32 579 A1 am Beispiel der Erzeugung eines Halbleiterbauelementes im Detail erläutert.
Werden Siliziumsubstrate nicht ganzflächig sondern lediglich bereichsweise von ihrer Oberfläche ausgehend porösiziert, stoßen die Feldlinien bei dem dazu durchgeführten elektrochemischen Prozess im Maskenbereich, d. h. insbesondere in einer Umgebung der Grenzfläche zwischen der oberflächlich auf dem Siliziumkörper aufgebrachten Maskierung und dem benachbarten zu porösifizierenden Bereich, auf eine Isolationsfläche, d. h. sie sind gezwungen sich zu verbiegen und in Richtung von "offenen" Flächen zu wandern. An den Grenzen zu solchen offenen Flächen, d. h. dem Maskenrand, kommt es daher stets zu einer Feldlinienkonzentration und zu einer damit verbundenen lokal höheren Stromdichte. Derartig höhere Stromdichten führen jedoch zu einer Erhöhung der Porosität des dort erzeugten porösen Siliziums und der dort erreichten Ätzrate, d. h. das Resultat einer derartigen Festlinienkonzentration sind lokale Inhomogenitäten in dem betreffenden Bereich aus porösem Silizium sowohl hinsichtlich der Porosität als auch als Funktion der Tiefe. Derartige Inhomogenitäten sind jedoch vielfach bei weiteren Verfahrensschritten, insbesondere bei der Herstellung von Sensoren auf oder in dem erzeugten Bereich aus porösem Silizium bzw., sofern ein nachfolgender Oxidationsschritt nachgeschaltet wird, porösem Siliziumoxid, als störend.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher die Bereitstellung eines Strukturkörpers mit einer aufgebrachten strukturierten Maskierung und einem elektrochemisch erzeugten porösen Bereich, bei dem derartige Inhomogenitäten durch Feldlinienkonzentrationen bei der elektrochemischen Porösizierung des betreffenden Bereiches verringert bzw. ganz unterdrückt sind.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Strukturkörper hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass über die vorgenommene Designänderung, d. h. die zusätzlich vorgesehene Kompensationsstruktur, die Dichte eines bei dem elektrochemischen Erzeugen des porösen Bereiches fließenden elektrischen Stromes gegenüber der Dichte eines entsprechenden, in Abwesenheit der Kompensationsstruktur fließenden elektrischen Stromes in einer Umgebung der Grenzfläche zwischen der Maskierung und dem übrigen Strukturkörper deutlich reduziert wird. Insofern kommt es zu einer wesentlichen Verringerung der Art und Höhe der Feldlinienkonzentration im Bereich der Grenzfläche zur Maskierung.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So ist besonders vorteilhaft, wenn die Kompensationsstruktur als um den erzeugten porösen Bereich umlaufende Grabenstruktur und weiter bevorzugt ebenfalls aus porösem Silizium oder porösem Siliziumoxid, entsprechend dem porösen Bereich, ausgebildet ist. Daneben ist in diesem Zusammenhang vorteilhaft, wenn die Kompensationsstruktur in Draufsicht auf den Strukturkörper eine insbesondere gleichbleibende Breite von 10 µm bis 200 µm aufweist.
Zur Erzeugung der Kompensationsstruktur ist vorteilhaft, wenn die strukturierte Maskierung an der Oberfläche des Strukturkörpers die Fläche zwischen der Kompensationsstruktur und dem elektrochemisch erzeugten porösen Bereich einnimmt. Als besonders vorteilhaft hat sich weiter herausgestellt, wenn die strukturierte Maskierung in diesem Bereich als um den porösen Bereich umlaufender Maskiersteg ausgebildet ist, der bevorzugt eine gleichmäßige Breite von 5 µm bis 100 µm aufweist. Die Tiefe der als Kompensationsstruktur erzeugten umlaufenden Grabenstruktur entspricht weiter bevorzugt der Tiefe des erzeugten porösen Bereiches.
Schließlich ist vorteilhaft, wenn mindestens ein die Kompensationsstruktur überquerender oder unterbrechender Steg vorgesehen ist, der den um den porösen Bereich umlaufenden Maskiersteg mit weiteren Teilen der strukturierten Maskierung verbindet. Auf diese Weise können beispielsweise Leiterbahnen auf diesem Steg angeordnet werden bzw. darüber auf oder in dem porösen Bereich befindliche Bauelemente wie Sensorelemente angesteuert bzw. kontaktiert werden.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Schnitts durch einen Strukturkörper mit strukturierter Maskierung nach dem Stand der Technik, Fig. 2 eine Simulation der Stromdichte bei dem elektrochemischen Erzeugen des porösen Bereiches gemäß Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt durch einen Strukturkörper mit aufgebrachter strukturierter Maskierung bei der Herstellung im Rahmen eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Strukturkörpers nach Abschluss des Herstellungsverfahrens gemäß Fig. 3 in einem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 5 ein zu Fig. 4 alternatives Ausführungsbeispiel und Fig. 6 die Veränderung der Inhomogenität der Stromdichte über dem elektrochemisch porösizierten Bereich als Funktion der Grabenbreite der Kompensationsstruktur.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung geht zunächst von einem Strukturkörper 5 mit einem Siliziumsubstrat oder einer Siliziumschicht 10 aus, wobei im Bereich der Oberfläche dieses Siliziumsubstrates 10 ein porösizierter Bereich 11 in Form einer porösizierten Grube oder Wanne erzeugt worden ist. Dazu wurde auf der Oberfläche des Siliziumsubstrates 10 eine Maskierung 12, beispielsweise eine Hartstoffmaskierung aus Siliziumnitrid, aufgebracht.
Der insoweit an sich bekannte Aufbau gemäß Fig. 1 wird in DE 100 32 579 A1 ausführlich erläutert. Dort ist auch das Verfahren zur Erzeugung des porösizierten Bereiches 11 an der Oberfläche des Siliziumsubstrates 10 mit Hilfe einer elektrochemischen Reaktion zwischen Flusssäure und Silizium sowie das Aufbringen der Maskierschicht 12 im Detail erläutert.
Die Fig. 2 zeigt eine zweidimensionale Finite-Elemente-Simulation, wobei der untere Bildbereich vom Siliziumsubstrat 10 eingenommen wird, und wobei der obere Bildbereich von dem Ätzmittel bzw. der Ätzlösung 20 eingenommen wird. Diese ist im erläuterten Beispiel eine Flusssäurelösung. Weiter ist in Fig. 2 auch die Maskierung 12 sowie die Grenzfläche 13 zwischen der Maskierung 12 und dem Siliziumsubstrat 10 angedeutet. Man erkennt deutlich, dass die durch die in Fig. 2 eingetragenen Pfeile repräsentierte Dichte des bei dem elektrochemischen Erzeugen des porösen Bereiches 11 im Bereich der Oberfläche des Siliziumsubstrates 10 in der Umgebung der Maskenkante, d. h. im Randbereich 13, erhöht ist. Dies äußert sich durch eine erhöhte Pfeildichte in diesem Bereich. Diese Dichteerhöhung führt, wie erläutert, bei dem elektrochemischen Erzeugen des porösen Bereiches 11 zu einer inhomogenen Ätzung des Siliziumsubstrates 10.
Ausgehend von dieser Erkenntnis wird mit den Fig. 3 bis 6 erläutert, wie mittels einer zusätzlich vorgesehenen Kompensationsstruktur 14' die Dichte des bei dem elektrochemischen Erzeugen des porösen Bereiches 11 fließenden elektrischen Stromes in einer Umgebung der Grenzfläche bzw. des Randbereiches 13 gegenüber der Dichte eines entsprechenden, in Abwesenheit der Kompensationsstruktur 14' fließenden elektrischen Stromes reduziert wird.
Dazu ist gemäß Fig. 3 vorgesehen, dass auf dem Siliziumsubstrat 10 eine strukturierte Maskierung 12 aufgebracht wird. Dabei ist in Abweichung von Fig. 1 vorgesehen, dass die Maskierung 12 derart strukturiert ist, dass auf dem Siliziumsubstrat 10 ein Maskiersteg 16 verläuft, der zwischen der Maskierung 12 und dem Maskiersteg 16 einen zusätzlichen Ätzgrabenbereich 14 definiert. Weiter ist in Fig. 3 auch ein Ätzgrubenbereich 15 dargestellt, der ebenfalls von dem Maskiersteg 16 und der Maskierung 12 begrenzt wird. Wesentlich ist somit das zusätzliche Vorsehen einer Kompensationsstruktur 14', die im erläuterten Ausführungsbeispiel mit Hilfe des zusätzlich vorgesehen Ätzgrabenbereiches 14 erzeugt wird.
Im Weiteren wird nun analog zu DE 10 03 2579 A1 eine Porösizierung des über die Maskierung 12, 16 zugänglichen Bereiches der Oberfläche des Siliziumsubstrates 10 vorgenommen. Nach Abschluss dieses Verfahrens erhält man einen Aufbau gemäß Fig. 4.
In Fig. 4 ist erkennbar, wie auf dem Siliziumsubstrat 10 zunächst die Maskierung 12 vorgesehen ist, die eine quaderförmige Aussparung aufweist, und dass innerhalb dieser quaderförmigen Aussparung der Maskiersteg 16 in Form eines rechteckigen Rahmens verläuft. Innerhalb des Maskiersteges 16 befindet sich weiter der porösizierte Bereich 11 bzw. die ausgehend von Fig. 3 und dem Ätzgrubenbereich 15 erzeugte porösizierte Wanne 15'. Insofern entspricht der Aufbau gemäß Fig. 4 somit noch dem Aufbau gemäß Fig. 1. In Abweichung von Fig. 1 ist jedoch in Fig. 4 zusätzlich ein porösizierter Grabenbereich 14' als Kompensationsstruktur vorgesehen, der um porösizierte Grube oder Wanne 15' umläuft. Die porösizierte Wanne 15' hat im erläuterten Beispiel in Draufsicht eine Ausdehnung von beispielsweise 500 µm × 800 µm, während der porösiziete Grabenbereich 14' eine Breite von 10 µm bis 200 µm, beispielsweise 30 µm, 60 µm oder 120 µm aufweist. Die Breite des Maskiersteges 16 liegt im erläuterten Beispiel in Draufsicht auf den Strukturkörper 5 zwischen 5 µm und 100 µm, beispielsweise bei 30 µm.
Als Parameter zur Verringerung der Dichte des bei dem elektrochemischen Erzeugen des porösizierten Bereiches 11, 15' fließenden elektrischen Stromes dient vor allem die Breite der Kompensationsstruktur 14', d. h. die Breite des porösizierten Grabens 14' gemäß Fig. 4, sowie die Breite des Maskiersteges 16.
Die Fig. 6 zeigt den Einfluss der Inhomogenität der Stromdichte über den geätzten bzw. porösizierten Bereich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4, wobei auf der x- Achse als Variable die Breite des Maskiersteges 16 in µm aufgetragen ist, und wobei auf der y-Achse die ermittelte Inhomogenität der Stromdichte aufgetragen ist. Diese Inhomogenität ist dabei definiert als Quotient aus der Stromdichte am Maskenrand, d. h. in dem Randbereich 13, und der Stromdichte im Zentrum der porösizierten Wanne 15' minus 1.
Die nach oben gerichteten hellen Dreiecke in Fig. 6 repräsentieren die Ergebnisse für eine Breite des porösizierten Grabens 14' von 30 µm, die Quadrate stehen für eine Breite von 60 µm und die nach unten gerichteten dunklen Dreiecke stehen für eine Breite von 120 µm.
In Fig. 6 erkennt man vor allem, dass die Inhomogenität als Funktion der Breite des Maskiersteges 16 monoton anwächst, d. h. die elektrochemische Ätzung zur Erzeugung des porösen Bereiches 11, 15' wird homogener, je näher die zusätzlich vorgesehene Kompensationsstruktur 14' in Form eines Grabens an den diesen porösen Bereich 11, 15' heranrückt. Weiter zeigt sich, dass mit einer steigenden Breite des porösizierten Grabens 14' die Homogenität der Stromdichte besser wird. Allerdings ist dieser Effekt vergleichsweise gering. Insgesamt belegt Fig. 6 den Erfolg der zusätzlich vorgesehenen Kompensationsstruktur 14' hinsichtlich einer verringerten Inhomogenität des vor allem in einer Umgebung der Grenzfläche 13 bei dem Erzeugen des porösen Bereiches 11, 15' fließenden elektrischen Stromes.
Die Fig. 5 zeigt in Weiterführung von Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem zusätzliche Stege 17 vorgesehen sind, die den Maskiersteg 16 mit weiteren Bereichen der Maskierung 12 verbinden. Auf diese Weise ist es möglich, auf diesen Stegen 17 beispielsweise Leiterbahnen zu führen, so dass darüber der porösizierte Bereich 11 bzw. die porösizierte Wanne 15' ansteuerbar oder elektrisch kontaktierbar ist.
Im Übrigen sei noch erwähnt, dass in Weiterführung von Fig. 4 oder Fig. 5 auf dem porösen Bereich 11, 15' oder im Bereich des porösen Bereiches 11, 15' weitere Bauelemente, insbesondere ein Sensorelement, und/oder eine Membran, vorgesehen sein können. Weiter sei betont, dass abweichend von den Fig. 4 oder Fig. 5 der um die porösizierte Grube 15' umlaufende porösizierte Grabenbereich 14' bereichsweise auch unterbrochen sein kann, um in späteren Prozessschritten zusätzliche Strukturen auf dem in diesem Bereich noch ungeätzten Siliziumsubstrat 10 abscheiden zu können.
Der erläuterte Strukturkörper 5 eignet sich besonders zur Herstellung von Drucksensoren, Massenflusssensoren oder Luftgütesensoren. Insbesondere ergeben sich bei dessen Verwendung in einem Massenflusssensor auf Basis von porösem Silizium durch eine verbesserte Homogenität in der Wärmeleitung deutlich verbesserte Sensoreigenschaften.

Claims

1. Strukturkörper mit einer strukturierten Maskierung (12, 16) und einem mit Hilfe der strukturierten Maskierung (12, 16) elektrochemisch erzeugten porösen Bereich (11, 15'), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kompensationsstruktur (14') derart vorgesehen ist, dass in einer Umgebung der Grenzfläche (13) zwischen der Maskierung (12, 16) und dem übrigen Strukturkörper (5) die Dichte eines bei dem elektrochemischen Erzeugen des porösen Bereiches (11, 15') fließenden elektrischen Stromes gegenüber der Dichte eines entsprechenden, in Abwesenheit der Kompensationsstruktur (14') fließenden elektrischen Stromes reduziert ist.

2. Strukturkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er zumindest bereichsweise aus dotiertem oder undotiertem Silizium besteht und/oder dass der poröse Bereich (11, 15') aus porösem Silizium oder porösem Siliziumoxid besteht.

3. Strukturkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Bereich (11, 15') von der Oberfläche des Strukturkörpers (5) zugänglich und zumindest näherungsweise wannenförmig ausgebildet ist.

4. Strukturkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsstruktur (14') als Bereich aus porösem Silizium oder porösem Siliziumoxid ausgebildet ist.

5. Strukturkörper nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsstruktur (14') als um den porösen Bereich (11, 15') umlaufende Grabenstruktur, insbesondere aus porösem Silizium oder porösem Siliziumoxid, ausgebildet ist.

6. Strukturkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Strukturkörpers (5) die Fläche zwischen der Kompensationsstruktur (14') und dem porösen Bereich (11, 15') von der strukturierten Maskierung (12, 16), insbesondere in Form eines um den porösen Bereich (11, 15') umlaufenden Maskiersteges (16), eingenommen ist.

7. Strukturkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsstruktur (14') in Draufsicht auf den Strukturkörper (5) eine insbesondere gleichbleibende Breite von 10 µm bis 200 µm aufweist.

8. Strukturkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Maskiersteg (16) in Draufsicht auf den Strukturkörper (5) eine insbesondere gleichbleibende Breite von 5 µm bis 100 µm aufweist.

9. Strukturkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierung (12, 16) eine Hartstoffmaskierung, insbesondere aus Siliziumnitrid, ist.

10. Strukturkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein insbesondere die Kompensationsstruktur (14') überquerender Steg (17) vorgesehen ist, der den um den porösen Bereich (11, 15') umlaufenden Maskiersteg (16) mit weiteren Teilen der strukturierten Maskierung (11, 16) verbindet.

11. Strukturkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in oder auf dem porösen Bereich (11, 15') ein Bauelement, insbesondere ein Sensorelement und/oder eine Membran, vorgesehen ist.