DE19506400C1

DE19506400C1 - Sepg. micro-mechanical functional elements by etching

Info

Publication number: DE19506400C1
Application number: DE1995106400
Authority: DE
Inventors: Markus Biebl; Thomas Scheiter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1995-02-23
Filing date: 1995-02-23
Publication date: 1996-03-14
Anticipated expiration: 2015-02-24

Abstract

Separating (by etching) structural micro-mechanical functional elements of semiconductor components comprises: (a) producing a micro-mechanical functional element (3) structured on an auxiliary layer (2) which can be selectively removed (w. r. t. to the material of the element (3)); (b) removing the auxiliary layer by wet chemical process, with the exception of a residue (with sufficiently small dimensions for the subsequent step d)) underneath the element (3); (c) removing the liq. remaining so that the next step can still be carried out; (d) removing the rest (5) of the auxiliary layer underneath the element (3) by dry etching.

Description

Ein wesentliches Problem bei der Herstellung mikromechani scher Funktionselemente, z. B. beweglicher Komponenten von Sensoren oder Aktuatoren, ist die Vermeidung von Sticking. Damit ist das Klebenbleiben des beweglichen Teiles auf dem Bauelement als Folge starker wirkender Kapillarkräfte während des Abtrocknens der bei und nach dem Ätzen verwendeten Flüs sigkeit gemeint. Das naßchemisch ätzende Mittel, z. B. Fluor wasserstoffsäure wird üblicherweise mit einer Flüssigkeit als Spülmittel, wofür deionisiertes Wasser verwendet werden kann, entfernt. Beim Abtrocknen dieser Spülflüssigkeit tritt das vorgenannte Problem auf. Bei herkömmlichen Verfahren zur Trocknung wird die zu trocknende Flüssigkeit z. B. auf eine Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur erwärmt. Ober halb der kritischen Temperatur liegt im Gleichgewicht nur der gasförmige Aggregatzustand vor, und es ist nicht möglich, dieses Gas bei gleichbleibender Temperatur allein durch eine Erhöhung des Druckes zu verflüssigen. Eine Alternative be steht darin, die Flüssigkeit zunächst zum Erstarren zu brin gen und dann aus dem festen Aggregatzustand direkt in den gasförmigen Aggregatzustand zu sublimieren, wobei keine Ka pillarkräfte in der Flüssigkeit oder turbulente Strömungen auftreten, die das bewegliche Teil des Bauelementes in Kon takt mit der festen Oberfläche bringen könnten, so daß ein Klebenbleiben des beweglichen Teiles vermieden wird.A major problem in the manufacture of micromechani shear functional elements, e.g. B. moving components of Sensors, or actuators, is avoiding sticking. This is the sticking of the moving part on the Component as a result of strong capillary forces during drying of the rivers used during and after the etching liquid meant. The wet chemical caustic agent, e.g. B. fluorine hydrochloric acid is usually used as a liquid Detergent for which deionized water can be used away. This occurs when this rinsing liquid dries aforementioned problem. In conventional methods for Drying the liquid to be dried z. B. on a Temperature warmed up above the critical temperature. Ober half the critical temperature is only in equilibrium gaseous state and it is not possible this gas at a constant temperature by just one Liquefy increase in pressure. An alternative be is to brine the liquid to solidify first gen and then from the solid state of aggregation directly into the to sublimate gaseous aggregate state, with no Ka pillar forces in the liquid or turbulent flows occur that the moving part of the component in Kon could bring with the solid surface, so that a Sticking of the moving part is avoided.

In der Veröffentlichung von C.H. Mastrangelo et al. in IEEE 1993, Micro Electro Mechanical Systems, Conf. Fort Lauder dale, 7.-10.02.1993, Seite 77-81 ist ein Verfahren zum Freiätzen (Separieren) mikromechanischer Strukturen beschrieben, bei dem die freizuätzende Struktur mittels Säulen aus Polymer abge stützt wird, eine Hilfsschicht naßchemisch mittels konzen trierter HF-Säure entfernt wird und anschließend die Polymer säulen mittels Trockenätzens in O₂-Plasma entfernt werden.In the publication by C.H. Mastrangelo et al. in IEEE 1993, Micro Electro Mechanical Systems, Conf. Fort Lauder dale, February 7-10, 1993, pages 77-81 is a process for Free etching (separating) of micromechanical structures is described in which the structure to be etched abge using columns made of polymer is supported, an auxiliary layer wet chemical by means of conc HF HF acid is removed and then the polymer columns are removed by dry etching in O₂ plasma.

In der Veröffentlichung von D. Kobayashi et al. in Jpn. J. Appl. Phys., 32, Part 2, No 11A, L 1642-L 1644 (1993) ist ein Verfahren be schrieben, bei dem zur Separierung eines strukturierten mi kromechanischen Funktionselementes zunächst ein Fotolack auf gebracht wird, der lateral einseitig entfernt wird, so daß das Funktionselement mittels HF naßchemisch freigeätzt werden kann, ohne daß Sticking auftritt. Die verbleibenden Anteile des Fotolackes werden anschließend durch Veraschen im Sauer stoffplasma entfernt.In the publication by D. Kobayashi et al. in Jpn. J. Appl. Phys., 32, Part 2, No 11A, L 1642-L 1644 (1993) is a method wrote in which to separate a structured mi cromechanical functional element first a photoresist is brought, which is laterally removed on one side, so that the functional element can be wet-etched using HF can without sticking. The remaining shares of the photoresist are then washed away in the acid cloth plasma removed.

In der Veröffentlichung in J. Micromech. Microeng. 2, 190 bis 192 (1992) ist ein Verfahren beschrieben, bei dem das Stick ing von strukturierten mikromechanischen Funktionselementen dadurch vermieden wird, daß nach dem naßchemischen Ätzen und Spülen die Wafer mit einer Lösung aus H₂SO₄/H₂O₂ behandelt werden, anschließend erneut gespült werden, dann nacheinander in Aceton und einer Mischung aus Fotolack und Aceton getaucht werden und dann bei 90°C getempert werden, um anschließend in einem Trockenätzprozeß in Sauerstoffplasma den Fotolack ent fernen zu können und so die Strukturen zu separieren.In the publication in J. Micromech. Microeng. 2, 190 to 192 (1992) describes a method in which the stick ing of structured micromechanical functional elements thereby is avoided that after wet chemical etching and Rinse the wafer treated with a solution of H₂SO₄ / H₂O₂ be rinsed again, then one after the other dipped in acetone and a mixture of photoresist and acetone be and then annealed at 90 ° C, then in a dry etching process in oxygen plasma ent the photoresist to be able to distant and thus separate the structures.

In der DE 43 15 012 A1 wird ein Verfahren zur Separierung mi kromechanischer Funktionselemente beschrieben, bei dem eine Hilfsschicht aus Siliziumoxid mittels einer Ätzflüssigkeit, z. B. Flußsäure, entfernt wird. Bei dem in der WO 90/09677 A1 beschriebenen Verfahren wird die Flüssigkeit zwischen dem Substrat und den freigeätzten Funktionselementen entfernt, in dem die Flüssigkeit verfestigt und anschließend durch Subli mieren in den gasförmigen Zustand überführt wird. Bei dem Verfahren der US 4 849 070 wird für die Hilfsschicht direkt ein Material verwendet, das durch Sublimation durch Tempera turerhöhung entfernt werden kann. Als Beispiel für ein sol ches Material wird As₂S₃ angegeben.DE 43 15 012 A1 describes a method for separating mi described cromechanical functional elements, in which a Auxiliary layer made of silicon oxide by means of an etching liquid, e.g. B. hydrofluoric acid is removed. In the case of WO 90/09677 A1 described method is the liquid between the Removed substrate and the etched functional elements, in to which the liquid solidifies and then by subli Mieren is converted into the gaseous state. In which The method of US 4,849,070 is direct for the auxiliary layer a material used by sublimation through tempera door increase can be removed. As an example of a sol ches material is given As₂S₃.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren für die Separierung (Freiätzen) mikromechanischer Funktionsele mente anzugeben, bei dem ein Haftenbleiben (Sticking) dieses beweglichen Teiles auf dem Bauelement vermieden wird. The object of the present invention is to provide a method for the separation (free etching) of micromechanical functional elements to indicate in which sticking this moving part on the component is avoided.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This task is accomplished with the method with the characteristics of Claim 1 solved. Further configurations result from the dependent claims.

In einem ersten Abschnitt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zu separierende mikromechanische Funktionselement in einem konventionellen naßchemischen Ätzprozeß strukturiert und von dem Bauelement separiert. Dieses Separieren oder Freiätzen geschieht allerdings nur soweit, daß unter dem Funktionselement, das anschließend ein bewegliches Teil oder eine bewegliche Komponente z. B. eines Sensors bilden soll, noch kleine stegartige oder säulenartige Reste einer darunter befindlichen Schicht stehenbleiben. Diese Reste der Hilfs schicht oder Opferschicht (sacrificial layer), auf der das freizuätzende Funktionselement angeordnet war, dienen als Abstandshalter, um ein Haften dieses strukturierten Teiles auf der Oberseite des Bauelementes zu verhindern, bis die noch vorhandene Flüssigkeit abgetrocknet ist. Um diesen Ver fahrensschritt zu unterstützen, kann das Design der mikrome chanischen Strukturen darauf abgestimmt werden, daß bei die sem Trockenprozeß das strukturierte Funktionselement an kri tischen Stellen mit einem jeweils ausreichenden Abstand von dem restlichen Bauelement unterstützt wird.In a first section of the method according to the invention the micromechanical functional element to be separated is shown in structured a conventional wet chemical etching process and separated from the component. This separating or However, free etching only happens to the extent that under the Functional element, which is then a moving part or a movable component z. B. is to form a sensor, still small web-like or columnar remains of one below remaining layer remain. These remnants of the auxiliary layer or sacrificial layer on which the Function element to be etched was arranged, serve as Spacers to adhere this structured part to prevent on the top of the device until the any remaining liquid has dried. To this ver The design of the microme can support the driving step chanical structures are coordinated so that the sem drying process the structured functional element on kri tables with a sufficient distance of the remaining component is supported.

In einem zweiten Abschnitt des erfindungsgemäßen Verfahrens nachdem Trocknen der Flüssigkeit werden die verbliebenen An teile dieser Hilfsschicht in einer Anlage zum Trockenätzen entfernt. Die Ätzrate wird dabei so gering eingestellt, daß von dem mikromechanischen Funktionselement nur in unwesentli chem Umfang Material abgetragen wird, die Ätzrate aber aus reicht, um das Funktionselemente vollständig freizuätzen, d. h. zu separieren. Auf diese Weise können die mikromechani schen Komponenten separiert werden, ohne daß es zum Auftreten der das Bauelement zerstörenden Kapillarkräfte bzw. Sticking-Problematik kommt.In a second section of the method according to the invention after drying the liquid, the remaining An parts of this auxiliary layer in a system for dry etching away. The etching rate is set so low that of the micromechanical functional element only in insignificant chem extent material is removed, but the etching rate from is sufficient to completely etch the functional element d. H. to separate. In this way, the micromechani components are separated without causing them to occur the capillary forces or sticking problem that destroys the component.

Es folgt eine Beschreibung dieses Verfahrens anhand der Fig. 1 bis 4, die ein erfindungsgemäß bearbeitetes Bauelement nach verschiedenen Schritten des Verfahrens im Querschnitt zeigen.A description of this method follows with reference to FIGS. 1 to 4, which show a component processed according to the invention in cross section after various steps of the method.

In Fig. 1 ist eine für ein mikromechanisches Funktionsele ment vorgesehene strukturierte Schicht 3, im folgenden als Strukturschicht bezeichnet, auf einer Hilfsschicht 2 auf ei nem Substrat 1 eingezeichnet. Das Substrat 1 kann eine Halb leiterscheibe, das Substrat eines einzelnen Chips oder eine Halbleiterschichtstruktur sein. Die Hilfsschicht 2 dient als Opferschicht (sacrificial layer), auf der das beweglich her zustellende mikromechanische Teil aufgebracht ist und die an schließend entfernt wird. Diese Opferschicht kann z. B. ein Oxid oder ein anderes Dielektrikum sein, während die für das Funktionselement vorgesehene Strukturschicht 3 z. B. kri stallines Silizium oder Polysilizium sein kann. In Fig. 1 ist diese Strukturschicht 3 bereits als zu einem Funktions element strukturiert dargestellt. Entsprechend der Zeichnung von Fig. 2 wird eine naßchemische Ätzung vorgenommen, mit der in dem nicht von der Strukturschicht 3 bedeckten Bereich Ätzöffnungen 4 in der Hilfsschicht 2 ausgeätzt werden.In Fig. 1 is an element provided for a micromechanical Funktionsele patterned layer 3, hereinafter referred to as a structure layer, located on egg nem substrate 1 on an auxiliary layer 2. The substrate 1 can be a semiconductor wafer, the substrate of a single chip or a semiconductor layer structure. The auxiliary layer 2 serves as a sacrificial layer, on which the moveable micromechanical part is applied and which is then removed. This sacrificial layer can e.g. B. be an oxide or another dielectric, while the structural layer provided for the functional element 3 z. B. may be crystalline silicon or polysilicon. In Fig. 1, this structure layer 3 is already shown as structured to form a functional element. According to the drawing of FIG. 2, a wet chemical etching is carried out, with which etching openings 4 in the auxiliary layer 2 are etched out in the area not covered by the structural layer 3 .

Diese Ätzung, die mit den konventionell verwendeten chemi schen Mitteln durchgeführt werden kann, wird soweit fortge setzt, daß - wie in Fig. 3 gezeigt - unter der Strukturschicht von der Hilfsschicht 2 nur stegartige oder säulenartige Reste 5 stehenbleiben. Diese Reste 5, von denen in Fig. 3 nur ein Anteil eingezeichnet ist, sind ausreichend, um die Struktur schicht 3 im Abstand von dem Substrat 1 zu halten und so ein Abtrocknen der zum Wegspülen der Ätzflüssigkeit verwendeten Flüssigkeit (deionisiertes Wasser z. B.) zu ermöglichen, ohne daß die beschriebene Sticking-Problematik auftritt. Die ver bliebenen Reste 5 der Hilfsschicht werden dann in dem Trockenätzverfahren entfernt, so daß wie in Fig. 4 darge stellt das durch die Strukturschicht 3 gebildete Funktions element von dem Substrat 1 vollständig separiert ist. Das Funktionselement ist z. B. mittels federartiger Verstrebungen oder dergleichen auf der Oberfläche des Substrates 1 befe stigt. Diese in der Regel dünnen Verstrebungen sind der Über sichtlichkeit halber in Fig. 4 nicht eingezeichnet.This etching, which can be carried out with the conventionally used chemical agents, is continued to the extent that - as shown in FIG. 3 - only web-like or columnar residues 5 remain under the structural layer of the auxiliary layer 2 . These residues 5 , of which only a portion is shown in FIG. 3, are sufficient to keep the structure layer 3 at a distance from the substrate 1 and thus dry off the liquid used to rinse away the etching liquid (deionized water, for example ) to enable without the described sticking problem. The remaining remnants 5 of the auxiliary layer are then removed in the dry etching process, so that, as in FIG. 4, the functional element formed by the structural layer 3 is completely separated from the substrate 1 . The functional element is e.g. B. by means of spring-like struts or the like on the surface of the substrate 1 BEFE Stigt. These usually thin struts are not shown in Fig. 4 for the sake of clarity.

Das Trockenätzen der restlichen Stege oder Säulen der Hilfs schicht 2 kann in einer Anlage zum Trockenätzen erfolgen, z. B. in einer Plasmaätzanlage. Die Betriebsbedingungen werden dabei so gewählt, daß die Ätzrate ausreichend niedrig ist, so daß eine isotrope Komponente bei der Ätzung überwiegt. Der Ätzangriff erfolgt daher auch von der Seite unterhalb der Strukturschicht 3, ohne daß die Strukturschicht 3 zu stark angegriffen wird. Um das zu erreichen, wird die Leistung der zum Erzeugen des Plasmas eingekoppelten elektromagnetischen Wellen (z. B. HF-Leistung) ausreichend niedrig eingestellt. Zwar ist die Selektivität bei diesem Prozeß des Trockenätzens nicht so hoch wie bei der naßchemischen Ätzung, so daß ein gewisses Abtragen des Materials der Strukturschicht 3 nicht vermieden werden kann; aber bei geringer Ätzrate kann die Dauer des Verfahrens so begrenzt werden, daß die Struktur schicht nicht wesentlich beschädigt wird, aber die Reste 5 der Hilfsschicht 2 vollständig oder zumindest in ausreichen dem Maße entfernt werden. Die vorhergehende naßchemische Ätzung muß daher soweit geführt werden, daß die verbleibenden Reste 5 so geringe Abmessungen haben, daß sie bei dem nach folgenden Trockenätzprozeß auch bei niedriger Ätzrate in ei ner ausreichend kurzen Zeit entfernt werden können. Mit der Dauer der naßchemischen Ätzung kann festgelegt werden, wie groß die verbleibenden Anteile der geätzten Schicht sind.The dry etching of the remaining webs or columns of the auxiliary layer 2 can be carried out in a system for dry etching, for. B. in a plasma etching system. The operating conditions are chosen so that the etching rate is sufficiently low that an isotropic component predominates in the etching. The etching attack therefore also takes place from the side below the structural layer 3 without the structural layer 3 being attacked too strongly. In order to achieve this, the power of the electromagnetic waves coupled in to generate the plasma (eg RF power) is set sufficiently low. The selectivity in this process of dry etching is not as high as in wet chemical etching, so that a certain removal of the material of the structural layer 3 cannot be avoided; but with a low etching rate, the duration of the method can be limited so that the structure layer is not significantly damaged, but the residues 5 of the auxiliary layer 2 are removed completely or at least to a sufficient extent. The previous wet chemical etching must therefore be carried out so far that the remaining residues 5 are so small that they can be removed in a sufficiently short time in the subsequent dry etching process even at a low etching rate. The duration of the wet chemical etching can determine how large the remaining portions of the etched layer are.

Das Plasma kann z. B. durch die Verwendung eines Faraday-Kä figs von dem zu bearbeitenden Bauelement abgeschirmt werden, so daß keine geladenen Teilchen auf die zu ätzende Fläche be schleunigt werden und nur ein gemäßigter isotroper Ätzangriff stattfindet. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich daher problemlos in handelsüblichen Plasmaätzanlagen durchführen.The plasma can e.g. B. by using a Faraday cheese figs are shielded from the component to be processed, so that no charged particles on the surface to be etched are accelerated and only a moderate isotropic etching attack takes place. The method according to the invention can therefore be Carry out easily in standard plasma etching systems.

Eine mögliche Alternative zur Plasmaätzung der unter der Strukturschicht verbliebenen Reste 5 der Hilfsschicht besteht darin, daß die trockene Ätzung mit Hilfe von Fluorwasser stoff-Gas (HF) durchgeführt wird. Diese Art der Ätzung er folgt ausreichend isotrop und selektiv zu dem Material der Strukturschicht. Statt HF können je nach dem für die Hilfs schicht verwendeten Material andere Gase zur trockenen Ätzung eingesetzt werden.A possible alternative to the plasma etching of the residues 5 of the auxiliary layer remaining under the structural layer is that the dry etching is carried out using hydrogen fluoride gas (HF). This type of etching is sufficiently isotropic and selective to the material of the structural layer. Instead of HF, other gases can be used for dry etching, depending on the material used for the auxiliary layer.

Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß zu seiner Durchführung die üblichen Ausrüstungen einer Fertigungsanlage für Halbleiterbauelement und die Stan dardprozesse eingesetzt werden können. Das Verfahren ist also in weitem Umfang kompatibel zu bekannten Verfahren und ermög licht das Separieren der mikromechanischen Funktionselemente auf den mit diesen herkömmlichen Verfahren hergestellten Bau elementen ohne wesentlichen zusätzlichen Aufwand. Trotz der einfachen Durchführbarkeit ergibt sich mit diesem Verfahren eine höhere Ausbeute an funktionsfähigen Bauelementen.There is a great advantage of the method according to the invention in that the usual equipment for its implementation a manufacturing plant for semiconductor device and the Stan standard processes can be used. So the procedure is to a large extent compatible with known methods and made possible the separation of the micromechanical functional elements on the construction made with these conventional methods elements without significant additional effort. Despite the This procedure makes it easy to carry out a higher yield of functional components.

Claims

1. Method for free etching (separating) structured micromechanical functional elements in semiconductor components, in which

a) a micromechanical functional element ( 3 ) is produced and structured on an auxiliary layer ( 2 ) from a material which can be removed selectively with regard to the material of this functional element,
b) this auxiliary layer is removed by wet chemistry, with the exception of residues remaining under the functional element, the dimensions of which are sufficiently small for the subsequent step d,
c) liquid still present from these residues is removed so far that the subsequent step d can be carried out, and
d) the residues of the auxiliary layer are removed by means of dry etching to such an extent that the functional element is separated from the material of this auxiliary layer.

2. The method according to claim 1, wherein step d was carried out in a dry etching installation will and the etching rate is set so low that a isotropic removal of the remains of the auxiliary layer predominates and Removal of the material of the functional element by a Limiting the duration of the etching can be limited.

3. The method according to claim 2, wherein a plasma etching system is used for dry etching and the Etching rate due to a low power setting Generation of the plasma coupled electromagnetic Waves is reduced.

4. The method according to claim 2 or 3, in which a plasma etching system is used for dry etching and an isotropic etch and a low etch rate by use of a Faraday cage that causes the acceleration of charged particles of the plasma to the structure to be etched element prevented.

5. The method according to claim 1, wherein the step d using one with the material of the Auxiliary layer of chemically reacting gas is carried out.

6. The method according to claim 5, wherein this gas is HF (hydrogen fluoride).