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Die Erfindung betrifft einen Strukturkörper mit
einem porösen
Bereich aus Silizium oder Siliziumoxid, sowie ein Verfahren zu dessen
Herstellung, nach den unabhängigen
Ansprüchen.
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Stand der Technik
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Der Einsatz von porösem Silizium
oder porösem
Siliziumoxid wird in der Mikrosystemtechnik derzeit für vielfältige Anwendungen
untersucht. Eine Applikation ist die Verwendung einer dicken, schlecht wärmeleitenden
porösen
Siliziumschicht, die auch oxidiert sein kann, zur thermischen Entkopplung
von Sensor- öder
Aktorstrukturen in thermischen Bauelementen, Strömungssensoren oder Gassensoren.
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Bei der Bildung von porösem Silizium
wird über
eine elektrochemische Reaktion zwischen Flusssäure und Silizium, wobei ein
Siliziumwafer gegenüber
dem Flusssäureelektrolyten
anodisch gepolt ist, eine schwammartige Struktur in Silizium erzeugt, die
eine große
innere Oberfläche
und dadurch andere chemische und physikalische Eigenschaften, insbesondere
eine geringere Wärmeleitfähigkeit,
aufweist, als das umgebende oder benachbarte nicht poröse Silizium.
Zur lokalen Herstellung von porösem
Silizium sind weiter verschiedene Maskierverfahren bekannt, die
vor allem auf dem Einsatz eines elektrochemischen Ätzstoppes
oder der Verwendung einer Maskierschicht, beispielsweise auf Basis
von Siliziumnitrid, beruhen.
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Werden Siliziumsubstrate gemäß dein Stand der
Technik in einem Flusssäureelektrolyten
mit Hilfe einer elektrisch nicht leitenden Maskierschicht bereichsweise
porosifiziert, stoßen
die elektrischen Feldlinien am Maskenrand auf eine Isolationsfläche und
sind daher gezwungen, sich dort zu verbiegen bzw. in Richtung von "offenen" Flächen zu
wandern. Da gleichzeitig die sich bildenden Poren in dein porösen Silizium
bevorzugt in Richtung des Stromverlaufes bzw. der elektrischen Feldlinien
wachsen, ist die Struktur der Poren im Bereich des Randes der Maskierschicht
ebenfalls entsprechend "verbogen". Insbesondere kommt
es an Grenzen zu solchen offenen Flächen bzw. am Maskenrand zu
einer Feldlinienkonzentration und damit auch zu einer lokal höheren Stromdichte,
was zu einer Erhöhung
der Porosität
im Maskenrandbereich und einer Erhöhung der Ätzrate führt.
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Insgesamt werden bisher bei der Ausbildung eines
porösen
Bereiches in einem Siliziumkörper,
der von der Oberfläche
des Siliziumkörpers
ausgeht, wobei der Siliziumkörper
oberflächlich
mit einer strukturierten Maskierschicht aus einem nicht leitenden
Material versehen ist, Feldlinienverbiegungen bei der elektrochemischen
Anodisierung induziert, die sich in die Struktur des gebildeten
porösen
Siliziums abbilden und dort zu lokalen Inhomogenitäten hinsichtlich Struktur,
Porosität
und Tiefe führen.
Derartige Inhomogenitäten
können
sich im weiteren Verlauf der Herstellung von Bauelementen unter
Verwendung von porösem
Silizium oder porösem
Siliziumoxid als störend
erweisen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
war die Bereitstellung eines Strukturkörpers und eines Verfahrens
zu dessen Herstellung, mit dem das Entstehen von lateralen Inhomogenitäten insbesondere
im Randbereich eines gebildeten porösen Bereiches aus Silizium
oder Siliziumoxid verhindert werden kann, d.h. bei dem der poröse Bereich
in dem Strukturkörper
auch im Randbereich oder in der Nähe einer zumindest bei dessen
Ausbildung vorhandenen Maskierschicht hinsichtlich seiner Struktur
möglichst homogen
ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Der erfindungsgemäße Strukturkörper und das
erfindungsgemäße Verfahren
zu dessen Herstellung hat gegenüber
dem Stand der Technik den Vorteil, dass der ausgebildete poröse Bereich
sehr, homogen hinsichtlich seiner Struktur, insbesondere hinsichtlich
Poro- sitätsgrad,
Porengröße und Definiertheit
des gebildeten porösen
Bereiches, ist.
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Insbesondere wird dadurch, dass der
poröse Bereich
in Draufsicht auf den Strukturkörper
seitlich ein bei einer Überführung von
Silizium in poröses
Silizium oder poröses
Siliziumoxid als Porosierungsstopp wirkendes Material aufweist,
vorteilhaft erreicht, dass vor allem laterale Inhomogenitäten des porösen Bereiches
hinsichtlich seiner Struktur oder Ausdehnung verhindert werden bzw.
dass ein Unterätzen
dieses dort als Maskierschicht wirkenden Materials unterbleibt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
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So ist besonders vorteilhaft, wenn
der poröse Bereich
in Draufsicht auf den Strukturkörper
vollständig
von Ausnehmungen, insbesondere in Form von bevorzugt senkrechten
Gräben
umgeben ist, die einen Innenraum definieren, in dem sich der poröse Bereich
befindet. Der Innenraum ist dazu vorteilhaft wannenförmig, prismenförmig oder
quaderförmig ausgebildet.
Auf diese Weise wird im gesamten seitlichen Randbereich des porösen Bereiches
die gewünschte
Homogenität
erzielt, und es kommt auch nirgends zu unerwünschten Unterätzungen.
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Derartige Gräben lassen sich vorteilhaft
mit einem Verfahren gemäß
DE 42 41 045 C1 in
einen Siliziumkörper
einätzen,
bevor sie nachfolgend bevorzugt ganzflächig zumindest im Bereich ihrer
Innenwände
und in der Regel auch im Bereich ihrer Böden mit einer Maskierschicht
aus einem als Porosierungsstopp wirkenden Material versehen werden.
Alternativ kann an Stelle einer Maskierschicht auch eine Füllung der
erzeugten Gräben
oder Ausnehmungen mit einem als Porosierungsstopp wirkenden Material
vorgesehen sein.
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Schließlich kann vorteilhaft neben
einer Maskierschicht oder einer Füllung auch eine Opferschicht vorgesehen
sein, mit der die erzeugten Ausnehmungen oder Gräben zumindest auf ihrer dem
porösen Bereich
zugewandten Seite versehen sind. Diese Opferschicht ist bevorzugt
eine Oxidschicht wie eine Siliziumoxidschicht oder eine Schicht
aus einem Material, das bei einer Überführung von Silizium in poröses Silizium
oder poröses
Siliziumoxid entfernbar oder porosifizierbar ist. Daneben ist in
diesem Fall vorteilhaft vorgesehen, dass auf der dem porösen Bereich
abgewandten Seite der Opferschicht eine weitere Schicht und/oder
eine Füllung
vorgesehen ist, die den lateral außerhalb des porösen Bereiches befindlichen
Teil des Strukturkörpers
vor der Überführung in
poröses
Silizium oder poröses
Siliziumoxid schützt.
Durch die Opferschicht, die sich bei diesem Aufbau zwischen der
Füllung
bzw. der Maskierschicht und dem zu bildenden porösen Bereich befindet, wird
mit dem Erzeugen des porösen
Bereiches zusätzlich
ein Freiraum erzeugt, der eine Breite von bis zu einigen Mikrometern
aufweisen kann. Dieser kann vorteilhaft dazu genutzt werden, eine
etwaige Volumenausdehnung des porösen Siliziums bei einem Überführen in
poröses
Siliziumoxid aufzufangen.
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Zeichnung
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt 1 einen ersten Verfahrensschritt
zur Herstellung eines Strukturkörpers, 2 einen nachfolgenden Verfahrensschritt, 3 einen auf 2 nachfolgenden
Verfalrensschritt und 4 einen
erhaltenen Strukturkörper
im Schnitt. Die 5 zeigt
ein zu 3 und die 6 ein zu 2 alternatives
Ausführungsbeispiel.
Die 7 zeigt, ausgehend
von 6, einen weiteren
Verfahrensschritt zur Herstellung eines Strukturkörpers, und 8 einen abschließenden Verfahrensschritt zur
Herstellung eines Strukturkörpers
in einem gegenüber 4 alternativen Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsbeispiele
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Die
1 zeigt
einen Siliziumkörper
10,
beispielsweise einen Siliziumwafer, in den an Stellen, die einen
zu porosifizierenden Bereich begrenzen bzw. bei der Erzeugung von
porösem
Silizium im Rahmen eines Anodisierens in einem Flusssäureelektrolyten
einen Ätzrand
darstellen sollen, beispielsweise mit dem Verfahren gemäß
DE 42 41 045 C1 senkrechte
Gräben
11 in
den Siliziumkörper
10 eingeätzt worden
sind. Die Tiefe der Gräben
10 entspricht
dabei bevorzugt zumindest näherungsweise der
Tiefe eines im Weiteren zu erzeugenden porösen Bereiches
14.
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Die 2 zeigt,
wie in einem nachfolgenden Verfahrensschritt auf der Oberfläche des
Siliziumkörpers 10 und
im Bereich des Bodens und der Seitenwände der eingeätzten Gräben 11 eine
Maskierschicht 12, insbesondere eine Siliziumnitridschicht (SixNy), abgeschieden
worden ist. Diese Maskierschicht 12 bildet eine laterale Ätzmaske
und "passiviert" die Seitenwände der
Gräben 11 gegenüber einer Überführung von
Silizium in poröses
Silizium oder poröses
Siliziumoxid. Insofern wirkt die Maskierschicht 12 als
Porosierungsstopp und besteht aus einem entsprechenden Material.
Durch sie ist eine Ätzmaske
nicht nur auf der Oberfläche
des Siliziumkörpers 10 sondern
auch in vertikaler Richtung im Bereich der Seitenwände der
Gräben 11 gegeben.
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Die 3 zeigt,
wie in einem nachfolgenden Verfahrensschritt in einem Oberflächenbereich 13 die Maskierschicht 12 geöffnet wurde.
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In 4 ist
dargestellt, wie in einem nachfolgenden Verfahrensschritt in dein
Oberflächenbereich 13,
der von den Gräben
11 begrenzt ist, das dort befindliche Silizium in po röses Silizium überführt worden
ist. Dadurch bildet sich ein poröser
Bereich 14 aus, der bereichsweise die Oberfläche des
Siliziumkörpers 10 bildet,
und der sich in der Tiefe bis zu dem Boden der Gräben 11 erstreckt.
in lateraler Richtung ist der poröse Bereich 14 durch
die vertikale Maskierschicht 12 auf den Seitenwänden der
Gräben 1 1
begrenzt.
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Insgesamt ist somit gemäß 4 ein Strukturkörper 5 mit
dem porösen
Bereich 14 aus Silizium entstanden, der in Draufsicht auf
den Siliziumkörper 10 je
nach Wahl der Lage der Gräben 11 quaderförmig, prismenförmig oder
wannenförmig
mit in Draufsicht rechteckiger, kreisförmiger, ellipsenförmiger oder
bei Bedarf auch beliebig geformter Grundfläche ausgestaltet ist.
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Im Übrigen kann im Anschluss an
den Zustand gemäß 4 vorgesehen sein, dass
verbleibende Teile der Maskierschicht 12 nach Ausbildung des
porösen
Bereiches 14 wieder entfernt wird.
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Wird bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel
gemäß den 1 bis 4 um den porösen Bereich 14 ein
vollständig
geschlossener Graben 11 erzeugt, und sollen danach Strukturen
wie beispielsweise Leiterbahnen auf den porösen Bereich 14 geführt werden,
ist es in der Regel erforderlich, die erzeugten Gräben 11 zumindest
bereichsweise zu verschließen.
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Dies kann nach dem Erzeugen des porösen Bereiches 14 bzw.
auch erst nach dem abschließenden
Entfernen der Maskierschicht 12 geschehen, indem bevorzugt
eine dickere, beispielsweise über
ein CVD-Verfahren ("Chemical
Vapour Deposition")
abgeschiedene Schicht auf die Oberfläche des Siliziumkörpers 10 aufgebracht
wird, die die Gräben 11,
die bevorzugt vergleichsweise schmal sind und eine Breite von 0,5 μm bis 5 μm aufweisen, ähnlich einem Korken
verschließt.
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Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein,
dass, ausgehend von 1,
die erzeugten Gräben 11 zumindest
teilweise mit einer Füllung 15 gemäß 5 versehen werden, wobei
der Oberflächenbereich 13 entweder
nicht mit dieser Füllung 15 bedeckt
wird, oder wobei eine auch dort zunächst aufgebrachte vorgesehene
Füllung 15 nach
dem Füllen
der Gräben 11 wieder
entfernt wird. Die Füllung 15 besteht
dazu aus einem als Porosierungsstopp wirkenden Material, beispielsweise
analog dem Material der Maskierschicht 12 aus Siliziumnitrid.
Insofern ist die Situation gemäß 5 weitgehend analog der
Si tuation gemäß 3, so dass sich nach dem Ausfüllen der
Gräben
l 1 mit der Füllung 15 die
Ausbildung des porösen
Bereiches 14 gemäß 4 anschließen kann.
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Ist es nicht möglich oder nicht zweckmäßig, die
Gräben 11 gemäß 1 vollständig mit einer Füllung 15 gemäß 5 zu füllen, ist es alternativ auch
möglich,
die Gräben 11 und
bevorzugt auch die Oberfläche
des Siliziumkörpers 10 zunächst mit
einer Opferschicht 17 gemäß 6 zu versehen, und dann in einem zweiten
Depositionsschritt eine weitere Schicht 16 aufzubringen.
Die weitere Schicht 16 füllt dabei zunächst das
verbleibende Volumen der Gräben 11 aus,
d.h. sie befindet sich im Inneren der Gräben 11 und ist von
der Opferschicht 17 umschlossen, und überdeckt daneben die Opferschicht 17 auf
der Oberfläche
des Siliziumkörpers 10.
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Die Opferschicht 17 ist
in diesem Fall beispielsweise eine Oxidschicht wie eine Siliziumoxidschicht,
die bei einer Überführung von
Silizium in poröses
Silizium im Rahmen eines elektrochemischen Anodisierens mit Hilfe
eines Flusssäureelektrolyten entfernt
oder porosifiziert wird.
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Das Material der weiteren Schicht 16 entspricht
beispielsweise dem Material der Maskierschicht 12 oder
dem Material der Füllung 15,
d.h. es ist ebenfalls ein als Porosierungsstopp wirkendes Material
wie Siliziumnitrid oder undotiertes Poly-Silizium.
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Die 7 zeigt
einen auf 6 folgenden Verfahrensschritt,
wobei die weitere Schicht 16 und die Opferschicht 17 in
dem Oberflächenbereich 13 der
Oberfläche
des Siliziumkörpers 10 geöffnet worden
ist, so dass sich eine geöffnete
Maske ausbildet.
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Handelt es sich bei der Opferschicht 17 um ein
Oxid wie Siliziumoxid, muss die Opferschicht 17 bei dem Öffnen der
weiteren Schicht 16 gemäß 7 im Übrigen nicht zwingend ebenfalls
geöffnet werden,
da sie bei dem nachfolgenden Porosifizieren des Siliziums ohnehin
geätzt
wird.
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Bei dem nun folgenden Überführen des
Siliziums in poröses
Silizium in dem porösen
Bereich 17 wird auch die dem porösen Bereich 14 zugewandte Seite
der Opferschicht 17, die sich in den Gräben 11 befindet, porosifiziert
oder entfernt. Dadurch entsteht zwischen dem porösen Bereich 17 und
der verbleibenden, vertikal verlaufenden weiteren Schicht 16 im Bereich
des Randes des porösen
Bereiches 14 ein Freiraum, der sich über mehrere Mikrometer erstrecken
kann.
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Wird entsprechend 8 nach
dem Erzeugen des porösen
Bereiches 14 das dort vorliegende poröse Silizium durch Oxidation
in poröses
Siliziumoxid überführt, so
dass ein poröser
Bereich 14' gemäß 8 entsteht, führt dies in der Regel zu einer Volumenausdehnung,
der durch diesen Freiraum aufgefangen werden kann.
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Im Übrigen sei noch erwähnt, dass
bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel
die weitere Schicht 16 bzw. die Opferschicht 17,
die im Bereich der Gräben 11 verblieben
ist, abschließend
bevorzugt nicht entfernt wird.
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Der Strukturkörper 5 gemäß 8 oder gemäß 5 eignet sich beispielsweise zur Verwendung
in einem Massenflusssensor oder einem thermischen Sensor- oder Aktorbauteil.