DE19505981A1 - Anordnung und Verfahren zum einseitigen, naßchemischen Ätzen einer Substratscheibe - Google Patents

Anordnung und Verfahren zum einseitigen, naßchemischen Ätzen einer Substratscheibe

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Description

In der Mikroelektronik sowie in der Mikromechanik tritt häu­ fig das Problem auf, daß in einem Prozeß einseitig eine Schicht von einer Substratscheibe, zum Beispiel einem Silizi­ umwafer, entfernt werden muß. Derartige Schichten bestehen zum Beispiel aus SiO₂, Si₃N₄ oder ähnlichem.
Üblicherweise wird die Substratscheibe mit einer Schutz­ schicht, zum Beispiel aus Photolack, versehen. Durch Belich­ ten und Entwickeln des Photolacks wird die Schutzschicht auf der zu ätzenden Seite der Substratscheibe entfernt. Anschlie­ ßend wird die ganze Substratscheibe in eine Ätze getaucht. Schließlich muß der verbliebene Photolack entfernt werden. Aufbringen, Belichten, Entwickeln und wieder Entfernen des Photolacks sind zusätzliche Schritte, die den jeweiligen Pro­ zeß komplexer und teuerer machen.
Ferner ist eine Ätzanlage bekannt, bei der die Substratschei­ be in Rotation versetzt wird, wobei die zu ätzende Oberfläche nach oben zeigt. Auf die Mitte der Substratscheibe wird Ätz­ mittel aufgetropft, das durch die Rotation der Substratschei­ be nach außen fließt. Um einen Ätzangriff der Unterseite der Substratscheibe zu vermeiden, wird die Substratscheibe von unten mit Wasserdampf angeblasen. Das Ätzmittel muß am Rand der Substratscheibe aufgefangen werden, was recht aufwendig ist.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zum einseitigen, naßchemischen Ätzen einer Substratscheibe anzugeben, das einfach handhabbar ist und bei dem unverbrauchte Ätzmittel auf einfache Weise aufgefangen werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anord­ nung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 7. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Ansprüchen hervor.
Die Anordnung umfaßt einen Scheibenhalter zur Aufnahme der Substratscheibe mit einer zu ätzenden Hauptfläche. Ferner um­ faßt die Anordnung eine Platte, die der zu ätzenden Hauptflä­ che der Substratscheibe gegenüber angeordnet ist. Die Platte weist mindestens einen Ätzmittelzulauf auf, der mit einem Vorratsbehälter verbunden ist. Im Betrieb der Anordnung be­ findet sich in dem Vorratsbehälter das verwendete Ätzmittel. Über den Ätzmittelzulauf wird zwischen eine im Scheibenhalter befindliche Substratscheibe und die Platte eine Ätzmittelmen­ ge eingebracht. Die Ätzmittelmenge wird so auf den Abstand zwischen der Hauptfläche der Substratscheibe und der Oberflä­ che der Platte abgestimmt, daß sowohl die Hauptfläche der Substratscheibe als auch die benachbarte Oberfläche der Platte unter Ausbildung eines Flüssigkeitsmeniskus am Rand der Ätzmittelmenge benetzt wird. Vorzugsweise bildet sich der Flüssigkeitsmeniskus am Rand der Substratscheibe aus. Ätzende Dämpfe können sich in dieser Anordnung nur am Flüssigkeitsme­ niskus bilden, so daß ein Ätzangriff außerhalb der Hauptflä­ che im wesentlichen vermieden wird.
Nach Beendigung des Ätzvorganges wird die Ätzmittelmenge in den Vorratsbehälter zurückgeführt. Dieses erfolgt zum Bei­ spiel durch Absaugen, falls die Platte oberhalb der Substrat­ scheibe angeordnet ist.
Vorzugsweise wird die Platte unterhalb der Substratscheibe angeordnet, so daß die Ätzmittelmenge von selbst in den Vor­ ratsbehälter zurückläuft. Dabei wird ausgenutzt, daß dieses System bestrebt ist, seine Oberflächenenergie zu minimieren. Folglich zieht sich die Flüssigkeitsmenge zwischen der Substratscheibe und der Platte zusammen, weil sich dadurch die Fläche des Flüssigkeitsmeniskus verkleinert.
Ist die Platte unterhalb der Substratscheibe angeordnet, so wird die Ätzmittelmenge zum Beispiel durch Druck aus dem Vor­ ratsbehälter zwischen die Substratscheibe und die Platte ein­ gebracht. Der Druck kann mechanisch erfolgen. Vorzugsweise wird der Druck durch Zuführung einer Gasmenge aus einer Gas­ versorgung erzeugt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, über eine elektronische Ventilsteuerung die zugeführte Gasmenge genau zu dosieren, um damit eine definierte Ätzmittelmenge aus dem Vorratsbehälter zu drücken.
Das verwendete Ätzmittel richtet sich nach dem zu ätzenden Material. Geeignet sind alle flüssigen Ätzmittel, die ohne Gasentwicklung ätzen und die die Platte nicht angreifen.
Der Abstand zwischen der Hauptfläche der Substratscheibe und der Oberfläche der Platte beträgt vorzugsweise < 5 mm.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die Oberfläche der Platte, die der Substratscheibe be­ nachbart ist, eine Biegung auf, so daß der durch die Haupt­ fläche der Substratscheibe und die benachbarte Oberfläche der Platte aufgespannte Raum konvex ist. Der Ätzmittelzulauf ist an demjenigen Ort in der Platte angeordnet, an dem der Ab­ stand zwischen der Hauptfläche der Substratscheibe und der Oberfläche der Platte am geringsten ist. Durch diese Maßnahme wird der vollständige Rücklauf des Ätzmittels nach Beendigung der Ätzung unterstützt, da die Oberflächenenergie nicht nur durch Reduzierung des Umfangs sondern auch der Höhe des Flüs­ sigkeitsmeniskus minimiert wird.
Im Hinblick auf eine gleichmäßige Ätzung ist es vorteilhaft, den Ätzmittelzulauf so in der Oberfläche der Platte vorzuse­ hen, daß er im wesentlichen gegenüber der Mitte der Substrat­ scheibe angeordnet ist.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, das Ätzmittel über mehrere Zuläufe zuzuführen. Diese Zuläufe können mit verschiedenen Vorratsbehältern verbunden sein. Dadurch können verschiedene Schichten, die verschiedene Ätzmittel erfordern, geätzt wer­ den. Ferner kann ein Spülgang mit H₂O durchgeführt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels und der Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung zum einseitigen naßchemischen Ätzen.
Fig. 2 zeigt eine Substratscheibe aus Silizium, die in einer ersten Hauptfläche tiefe Strukturen aufweist und de­ ren Oberfläche mit einer Schutzschicht bedeckt ist.
Fig. 3 zeigt die Substratscheibe nach einseitigem Abätzen der Schutzschicht.
Fig. 4 zeigt die Substratscheibe nach einer Siliziumätzung.
Eine Substratscheibe 1 ist mit einer Schicht 2 versehen, die die gesamte Oberfläche der Substratscheibe 1 bedeckt. Die Schicht 2 umfaßt zum Beispiel Si₃N₄ oder SiO₂. Ein Teil der Schicht 2, der entlang einer Hauptfläche 3 der Substratschei­ be 1 angeordnet ist, wird im folgenden mit Hilfe eines naßchemischen, einseitigen Ätzverfahrens entfernt.
Dazu wird die Substratscheibe 1 mit der Schicht 2 von einem Scheibenhalter 4 aufgenommen (siehe Fig. 1). Der Scheiben­ halter 4 besteht zum Beispiel aus einer Platte mit einer An­ saugvorrichtung. Der Scheibenhalter 4 nimmt die Substrat­ scheibe 1 mit der Schicht 2 so auf, daß die Hauptfläche 3 ei­ ner Platte 5 zugewandt ist. Die Platte 5 besteht zum Beispiel aus PVC. Die Platte 5 weist eine gebogene Oberfläche 6 auf, die der Hauptfläche 3 benachbart angeordnet ist. Der Quer­ schnitt der Platte 5 parallel zur Hauptfläche 3 der Substrat­ scheibe 1 weist mindestens die gleiche Größe wie die Haupt­ fläche 3 auf.
Die Platte 5 weist einen Ätzmittelzulauf 7 auf, der mit einem Vorratsbehälter 8 verbunden ist. Im Vorratsbehälter 8 ist Ätzmittel 9, zum Beispiel 50 prozentige Flußsäure (HF) ent­ halten.
Der Ätzmittelzulauf 7 ist zum Beispiel als Rohr ausgebildet, das einerseits bis in das Ätzmittel 9 hineinreicht und ande­ rerseits die Platte 5 durchstößt. Das Rohr reicht bis durch die gebogene Oberfläche 6 der Platte 5 hindurch. Das Rohr ist an der Stelle der Platte 5 angeordnet, an der der Abstand zwischen der gebogenen Oberfläche 6 und der Hauptfläche 3 der Substratscheibe 1 am geringsten ist.
An dem Vorratsbehälter 8 ist eine Gaszufuhr 10 vorgesehen, die mit einem Gasbehälter 11, zum Beispiel einer Gasflasche, verbunden ist. Der Gasbehälter 11 ist mit einer Steuereinheit 12 versehen, über die eine definierte Gasmenge über die Gas­ zufuhr 10 in den Vorratsbehälter 8 geleitet werden kann. Die Steuereinheit 12 besteht zum Beispiel aus einem elektrisch ansteuerbaren Ventil und einem Mikroprozessor, der das Ventil für eine definierte Zeit öffnet, während der die definierte Gasmenge ausströmt.
Zum einseitigen Abätzen der Schicht 2 von der Hauptfläche 3 der Substratscheibe 1 wird in den Vorratsbehälter 8 eine de­ finierte Gasmenge, zum Beispiel Stickstoff oder Luft, einge­ führt. Dadurch wird über den Ätzmittelzulauf 7 eine defi­ nierte Ätzmittelmenge 13 zwischen die Hauptfläche 3 der Substratscheibe 1 und die gebogene Oberfläche 6 der Platte 5 eingebracht. Die Ätzmittelmenge 13 benetzt sowohl die Haupt­ fläche 3 der Substratscheibe 1 als auch die gebogene Oberflä­ che 6 der Platte 5. Am Rand der Ätzmittelmenge 13 bildet sich ein Flüssigkeitsmeniskus 14 aus. Vorzugsweise wird die Ätz­ mittelmenge 13 über die definierte Gasmenge so bemessen, daß sich der Flüssigkeitsmeniskus 14 im wesentlichen am Rand der Hauptfläche 3 ausbildet. Die Ätzmittelmenge 13 wirkt auf den Teil der Schicht 2 ein, der an der Hauptfläche 3 angeordnet ist und löst ihn auf.
Da die Ätzmittelmenge 13 außerhalb des Flüssigkeitsmeniskus 14 einerseits die Hauptfläche 3 und andererseits die gebogene Oberfläche 6 der Platte 5 bedeckt, können ätzende Dämpfe nur entlang des Flüssigkeitsmeniskus 14 gebildet werden. Da der Abstand zwischen der Hauptfläche 3 und der Platte 5 gering ist, zum Beispiel weniger als 5 mm, vorzugsweise 1 bis 3 mm, ist die Menge der gebildeten ätzenden Dämpfe so gering, daß ein nennenswerter Angriff auf die Schicht 2 außerhalb der Hauptfläche 3 nicht erfolgt.
Die Dauer des Ätzvorgangs wird über die Dauer des Drucks der definierten Gasmenge eingestellt. Nach Beendigung des Ätzvor­ gangs, das heißt wenn der Druck am Gaszufluß 10 auf Normal­ druck geschaltet wird, läuft die Ätzmittelmenge 13 über den Ätzmittelzulauf 7 in den Vorratsbehälter 8 zurück. Der Rück­ lauf wird dadurch bewirkt, daß jedes System bestrebt ist, seine Oberflächenenergie zu minimieren. Das bewirkt in diesem Fall, daß sich der Flüssigkeitsmeniskus 14 zusammenzieht. Da die Platte 5 die gebogene Oberfläche 6 aufweist und der Ätzmittelzulauf 7 am höchsten Punkt der gebogenen Oberfläche 6 angeordnet ist, zieht sich beim Rücklauf der Ätzmittelmenge 13 der Flüssigkeitsmeniskus 14 zum Ätzmittelzulauf 7 hin zu­ sammen. Auf diese Weise wird der vollständige Rücklauf der Ätzmittelmenge 13 sichergestellt.
Alternativ zu dem in diesem Ausführungsbeispiel dargestellten Scheibenhalter 4 kann die Substratscheibe 1 auch durch Ab­ standsstücke, die am Rand der Substratscheibe 1 auf der Plat­ te 5 vorgesehen sind, gehalten werden.
In Abänderung des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei­ spiels kann die Platte 5 mit dem Ätzmittelzulauf 7 auch ober­ halb der Substratscheibe 1 angeordnet sein. Die zu ätzende Hauptfläche 3 ist dann unterhalb der gebogenen Oberfläche 6 angeordnet. In diesem Fall ist eine aktive Absaugung erfor­ derlich, um die Ätzmittelmenge 13 in den Vorratsbehälter 8 nach Abschluß des Ätzvorganges zurückzuleiten.
Die Anordnung zum einseitigen, naßchemischen Ätzen ist für alle Feststoffscheiben verwendbar. Insbesondere können damit ebenfalls Schichten aus Oxiden, insbesondere SiO₂ oder Si₃N₄ von Scheiben aus Si, GaAs oder InP geätzt werden.
Das Verfahren zum einseitigen, naßchemischen Ätzen einer Substratscheibe ist besonders vorteilhaft einsetzbar bei der Herstellung einer frei tragenden Schicht aus Silizium mit durchgehenden Poren. Dazu wird in einer Substratscheibe 15 aus n-dotiertem Silizium durch elektrochemisches Ätzen in ei­ nem flußsäurehaltigen, sauren Elektrolyten, der mit einer er­ sten Hauptfläche 16 der Substratscheibe 15 in Kontakt steht und gegenüber dem die Substratscheibe 15 als Anode verschal­ tet ist, Poren 17 in die erste Hauptfläche 16 geätzt. Bezüg­ lich genauerer Einzelheiten über das elektrochemische Ätzen von n-dotiertem Silizium wird auf den Übersichtsartikel V. Lehmann, J. Electrochem. Soc., Bd. 140, Nr. 10, Seiten 2836 bis 2843 (1993) verwiesen. Beim elektrochemischen Ätzen wird die Tiefe der Poren 17 über die Ätzdauer und der Durchmesser der Poren 17 über die Stromdichte im Elektrolyten einge­ stellt. Die Stromdichte ist wiederum über eine Beleuchtung der Substratscheibe 15 von einer zweiten Hauptfläche 18, die der ersten Hauptfläche 16 gegenüberliegt, her einstellbar. Die Poren 17 werden mit einer Tiefe von zum Beispiel 10 bis 500 um und einem Durchmesser von zum Beispiel 0,2 bis 20 µm erzeugt.
Anschließend wird die Oberfläche der Substratscheibe 15 voll­ ständig mit einer Schutzschicht 19 aus zum Beispiel Si₃N₄ be­ deckt. Die Schutzschicht 19 weist eine Dicke von zum Beispiel 50 nm bis 500 nm auf (siehe Fig. 2).
Die Substratscheibe 15 mit der Schutzschicht 19 wird in einer Anordnung zum einseitigen, naßchemischen Ätzen, wie sie an­ hand von Fig. 1 beschrieben wurde, eingebracht. Dabei wird die Substratscheibe 15 vom Scheibenhalter so aufgenommen, daß die zweite Hauptfläche 18 der Platte benachbart angeordnet ist. Wie anhand von Fig. 1 beschrieben, wird zwischen die zweite Hauptfläche 18 und die Platte Ätzmittel eingebracht, das die Schutzschicht 19 entlang der zweiten Hauptfläche 18 abätzt (siehe Fig. 3). Es verbleibt ein Rest 19′ der Schutz­ schicht, der außerhalb der zweiten Hauptfläche 18 angeordnet ist.
Anschließend wird die Substratscheibe 15 in heiße KOH-Lauge eingebracht. Die heiße KOH-Lauge greift die Substratscheibe von der zweiten Hauptfläche 18 her an. Sie ätzt Silizium selektiv zu Si₃N₄. Die Ätzung wird solange fortgesetzt, bis der am Boden der Poren 17 angeordnete Teil der Schutzschicht 19 freigelegt wird. Dabei wird aus der Substratscheibe 15 ei­ ne freitragende Schicht 15′ aus Silizium mit durchgehenden Poren 17, die lediglich vom Rest 19′ der Schutzschicht be­ deckt sind (siehe Fig. 4). Der Rest 19′ der Schutzschicht wird anschließend selektiv zu Silizium zum Beispiel mit Phos­ phorsäure oder 50%iger Flußsäure entfernt. Die freitragende Schicht 15′ mit durchgehenden Poren ist zum Beispiel als me­ chanisches oder optisches Filter verwendbar. Ferner können durch entsprechende Dotierung der Oberfläche und Aufbringen von Kontakten daraus Solarzellen gebildet werden.
Vor dem einseitigen, naßchemischen Entfernen des entlang der zweiten Hauptfläche 18 angeordneten Teils der Schutzschicht 19 kann in diesem Bereich eine Photolackmaske erzeugt werden, so daß nur unbedeckte Teile der Schutzschicht 19 auf der zweiten Hauptfläche 18 entfernt werden. Beim anschließenden selektiven Siliziumätzen können auf diese Weise mikromechani­ sche Strukturen gebildet werden.
Anstelle von durch elektrochemisches Ätzen gebildeten Poren kann die erste Hauptfläche 16 auch durch zum Beispiel an­ isotropes Ätzen mit tiefen Strukturen versehen werden, an de­ ren Boden dann beim selektiven Siliziumätzen der Rest der Schutzschicht freigelegt wird.

Claims (12)

1. Anordnung zum einseitigen, naßchemischen Ätzen einer Substratscheibe,
  • - bei der ein Scheibenhalter (4) zur Aufnahme der Substrat­ scheibe (1) mit einer zu ätzenden Hauptfläche (3) vorgese­ hen ist,
  • - bei der eine Platte (5) vorgesehen ist, die der zu ätzenden Hauptfläche (3) benachbart angeordnet ist,
  • - bei der die Platte (5) mindestens einen Ätzmittelzulauf (7) aufweist, der mit mindestens einem Vorratsbehälter (8) ver­ bunden ist,
  • - bei der über den Ätzmittelzulauf (7) zwischen die im Schei­ benhalter (4) befindliche Substratscheibe (1) und die Plat­ te (5) eine Ätzmittelmenge (13) zuführbar ist, die sowohl die Hauptfläche (3) der Substratscheibe (1) als auch die benachbarte Oberfläche (6) der Platte (5) unter Ausbildung eines Flüssigkeitsmeniskus (14) am Rand der Ätzmittelmenge (13) benetzt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der zwischen der Hauptfläche (3) der Substratscheibe (1) und der Platte (5) ein Abstand von < 5 mm vorgesehen ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
  • - bei der die der Substratscheibe (1) benachbarte Oberfläche (6) der Platte (5) eine Biegung aufweist, so daß der durch die Hauptfläche (3) der Substratscheibe (1) und die benach­ barte Oberfläche (6) der Platte (5) aufgespannte Raum kon­ vex ist,
  • - bei der der Ätzmittelzulauf (7) dort in der Platte (5) an­ geordnet ist, wo der Abstand zwischen der Hauptfläche (3) der Substratscheibe (1) und der Oberfläche (6) der Platte (5) am geringsten ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Ätzmittelzulauf (7) so in der Oberfläche der Platte (1) angeordnet ist, daß er im wesentlichen gegenüber der Mitte der Substratscheibe (1) angeordnet ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der am Vorratsbehälter (8) eine Gaszufuhr (10) vorgesehen ist, über die Gas in den Vorratsbehälter (8) einleitbar ist, so daß im Vorratsbehälter (8) befindliches Ätzmittel (9) zwi­ schen die Hauptfläche (3) der Substratscheibe (1) und die Platte (5) zuführbar ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, bei der die Gaszufuhr (10) eine Steuereinheit (12) aufweist, über die dem Vorratsbehälter (8) eine definierte Menge Gas zuführbar ist.
7. Verfahren zum einseitigen, naßchemischen Ätzen einer Substratscheibe,
  • - bei dem zwischen die Substratscheibe (1) und eine Platte (5) über einen Ätzmittelzulauf (7), der in der der Substratscheibe (1) zugewandten Oberfläche (6) der Platte (5) angeordnet ist und der mit einem Ätzmittel (9) enthal­ tenden Vorratsbehälter (8) verbunden ist, eine Ätzmittel­ menge (13) eingebracht wird, die sowohl die Substratscheibe (1) als auch die Platte (5) benetzt, wobei sich am Rand der Ätzmittelmenge (13) ein Flüssigkeitsmeniskus (14) ausbil­ det,
  • - bei dem nach Beendigung des Ätzvorgangs die Ätzmittelmenge (13) im wesentlichen in den Vorratsbehälter (8) zurückge­ leitet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
  • - bei dem die Platte (5) eine Biegung aufweist, so daß der durch die Oberflächen der Substratscheibe (1) und der Plat­ te (5) aufgespannte Raum konvex ist,
  • - bei dem der Ätzmittelzulauf (7) an dem Ort der Platte (5) angeordnet ist, an dem der Abstand zwischen der Substrat­ scheibe (1) und der Platte (5) am geringsten ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem in den Vorratsbehälter eine definierte Menge Gas ein­ geleitet wird, die die zwischen die Substratscheibe und die Platte (5) eingebrachte Ätzmittelmenge (13) bestimmt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
  • - bei dem als Substrat (15) ein Siliziumwafer verwendet wird, der in einer ersten Hauptfläche (16) mindestens eine tiefe Struktur (17) aufweist und dessen gesamte Oberfläche mit einer Schutzschicht (19) abgedeckt ist,
  • - bei dem die Ätzmittelmenge zwischen die Platte und eine zweite Hauptfläche (18) des Siliziumwafers, die der ersten Hauptfläche (16) gegenüberliegt, eingebracht wird, um einen an der zweiten Hauptfläche (18) angeordneten Teil der Schutzschicht (19) zu entfernen,
  • - bei dem durch Einbringen in eine Siliziumätze der Silizium­ wafer von der zweiten Hauptfläche (18) her bis zum Freilie­ gen des am Boden der tiefen Struktur (17) angeordneten Teils der Schutzschicht (19) abgeätzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Siliziumwafer (15) in der ersten Hauptfläche (16) eine Vielzahl tiefer Strukturen (17) mit im wesentlichen gleicher Tiefe aufweist.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Schutzschicht (19) im Bereich der zweiten Haupt­ fläche (18) durch eine Photolackmaske teilweise abgeätzt wird.
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