DE19522004A1

DE19522004A1 - Herstellungsverfahren von teilbeweglichen Mikrostrukturen auf der Basis einer trockenchemisch geätzten Opferschicht

Info

Publication number: DE19522004A1
Application number: DE19522004A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Goergen; Karsten Mayr; Alexander Ruf
Original assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Current assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Priority date: 1995-06-21
Filing date: 1995-06-21
Publication date: 1997-01-02

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung teilbeweglicher oder freitragender Mikrostrukturen aus einem Mehrschichtsystem mit einer Opferschicht.

Eine große Anzahl mikrotechnisch realisierter Sensoren und Aktoren beruht auf dem Prinzip teilbeweglicher oder freitragender Strukturen. Zu solchen Systemen gehören zum Beispiel Mikrophone, Gyroskope und Beschleunigungssensoren, x-y-Verschiebeeinheiten, Linearmotoren und Mikrogreifer. Sie werden her gestellt, indem die beweglichen oder freitragenden Teile auf einer Schicht abgeschieden und anschließend diese Schicht selektiv gegen das restliche Schichtsystem entfernt wird (W. Menz, P. Bley: "Mikrosystemtechnik für Ingenieure", Weinheim, VCH, 1993).

Es sind verschiedene Verfahren zur Herstellung teilbeweglicher Mikrostrukturen mit der Opferschichtmethode bekannt. Als Opferschichten werden Metalle oder, vor allem in der Siliziumtechnik, Siliziumoxid benutzt.

Metallische Opferschichten werden meist mit Physical Vapour Deposition (PVD) -Verfahren (zum Beispiel Aufdampfen, Kathodenzerstäubung) auf das Substrat aufgebracht. Charakteristische Opferschichtdicken liegen im Bereich von 2 µm. Um Teilbeweglichkeit zu erreichen, wird die metallische Opferschicht naßchemisch geätzt. An den Ätzschritt schließt sich ein Spülen mit destilliertem Wasser an. Metallische Opferschichten haben den Nachteil, daß sie durch teuere Anlagen aufgebracht werden müssen. Um realistische Opferschicht dicken von einigen Mikrometern abzuscheiden, sind lange Anlagennutzungs zeiten und anschließend lange Reinigungszeiten notwendig.

Ein weiterer Nachteil ist, daß beim Herauslösen der Opferschicht aus dem Schichtsystem die zum Naßätzen benötigte Selektivität berücksichtigt werden muß, um nur die Opferschicht und nicht die anderen Schichtmaterialien zu ätzen. Bei der Verwendung metallischer Schichten, können, besonders wenn bei der Herstellung des Schichtsystems mit höheren Prozeßtemperaturen gearbeitet wurde, Legierungen entstehen, so daß die metallische Opferschicht nicht vollständig entfernt werden kann.

Nach dem Naßätzen der Opferschicht und dem Spülen zur Entfernung des Ätzmediums werden die teilbeweglichen Strukturen aufgrund von Kapillarkräften auf das Substrat gezogen, wo sie anhaften und damit unbrauchbar werden. Daher sind in der Vergangenheit Verfahren entwickelt worden, um dieses Problem zu beheben. Bei diesen Verfahren werden Trocknungsschritte nötig, die zusätzliche Prozeßschritte und einen erhöhten Aufwand bedeuten. Verschiedene Trocknungsverfahren versuchen dieses Problem durch Absenkung der Oberflächenspannung zu minimieren (P. R. Scheeper, J. A. Voorthuyzen, W. Olthuis, P. Bergveld: "Investigation of attractive forces between PECVD silicon nitride microstructures and an oxidized silicon substrate", Sensors and Actuators A, 30, 1992, 231-239) bzw. das Medium im Spalt einzufrieren und zu sublimieren (H. Guckel, J. J. Sniegowski, T. R. Christenson, F. Raissi: "The Application of Fine-grained, Tensile Polysilicon to Mechanically Resonant Transducers", Sensors and Actuators, A21-A23, 1990, 346-351). Auch die Kritisch-Punkt-Trocknung stellt eine Möglichkeit dar, dem Problem des Anhaftens der Strukturen auf dem Substrat zu begegnen (G. T. Mulhern, D. S. Soane, R. T. Howe: Supercritical Carbon Dioxide Drying of Microstructures", The 7th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, 296- 299).

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, nach dem naßchemischen Ätzen der Opferschicht die Flüssigkeit im Spalt zwischen Struktur und Substrat gegen Photolack (Photoresist) auszutauschen und diesen trockenchemisch zu entfernen (M. Orpana, A. O. Korhonen, "Control of residual stress of polysilicon thin films by heavy doping in surface micromachining", Transducers′ 91, pp. 957-960, 1991).

Nachteil der oben aufgeführten Trocknungsprozesse sind die zusätzlichen Prozeßschritte und die damit verbundene erhöhte Gefahr der Partikel kontamination. Aus diesem Grund müssen hier reinste Chemikalien verwendet werden, womit erhöhte Kosten verbunden sind. Eine Massenfertigung ist hier nur in Verbindung mit einem erhöhten apparativen Aufwand möglich. Weiterhin werden an die Chemikalien höchste Anforderungen bezüglich Wasserfreiheit und Reinheit gestellt, was erhöhte Kosten bedeutet.

Als polymeres Opferschichtmaterial ist bisher nur Polyimid bekannt, das durch Spin-Coating (Aufschleudern) aufgebracht wird. Da es naßchemisch in Ammoniumhydroxid geätzt wird, darf es nicht vollständig imidisiert werden, um löslich zu bleiben (H. Guckel, K. J. Skrobis, T. R. Christenson, J. Klein, S. Han, B. Choi, E. G. Lovell, T. W. Chapman: "On the application of deep X-Ray Litho graphy with sacrificial layers to sensor and actuator construction" Transducers 91, 1991).

Dieses Verfahren bringt den Nachteil mit sich, daß das nicht vollständig imidisierte Polyimid nicht die volle chemische und thermische Stabilität besitzt. Somit sind z. B. keine Beschichtungen bei Temperaturen über 250°C möglich, weswegen Beschichtungen nur mit bestimmten Materialien möglich sind. Die Selektivität beim naßchemischen Ätzen muß bei der Auswahl der Schichtmaterialien berücksichtigt werden, damit auch nur das Opferschicht material und nicht andere Schichtmaterialien des Mehrschichtsystems geätzt werden. Um die volle mechanische, chemische und thermische Stabilität zu erreichen, muß das Polyimid vollständig imidisiert werden. Da es hierbei zu einer Schrumpfung der Schichtdicke kommt, können Spannungen in den abdeckenden Schichten die Folge sein. Da die Opferschicht naßchemisch geätzt wird, bringt die Verwendung einer Polyimid-Opferschicht in diesem Fall keinen Vorteil mit sich. Alle bereits beschriebenen Trocknungsprobleme bleiben auch hier, wie bei Verwendung einer naßchemisch geätzten metallischen Opferschicht, erhalten.

Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung teilbeweglicher Mikrostrukturen zu liefern, welches die oben beschriebenen Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weil das Entfernen der Opferschicht durch trockenchemisches Ätzen in einem Plasma erfolgt, entfallen die Trocknungsschritte der herkömmlichen Verfahren. Durch die Verwendung eines Trockenätzprozesses ist die Gefahr der Partikelkontamination stark reduziert, da die Zahl der Prozeßschritte minimiert ist, wodurch der Kontakt bei und nach dem naßchemischen Ätzen mit fluiden, verunreinigten Medien wie der Ätzlösung, deionisiertem Wasser oder den Trocknungschemikalien verhindert wird. Ein weiterer Vorteil ist die unein geschränkte Massenfertigungstauglichkeit des Verfahrens. Das Verfahren zur Herstellung einer teilbeweglichen Mikrostruktur besteht darin, daß auf einem Substrat, das zum Beispiel Silizium, Glas, photostrukturierbarem Glas, Metall, Metalloxid, oder ein Polymer enthält, ein Mehrschichtsystem hergestellt wird, welches mindestens eine Opferschicht enthält. Vorteilhaft ist die Wahl einer polymeren Opferschicht, insbesondere Polyimid, die durch Spin-Goating auf gebracht und in Abhängigkeit von der geforderten chemischen und thermischen Stabilität ausgehärtet wird. Prinzipiell ist auch eine Kombination verschiedener Opferschichtmaterialien möglich, wobei die Opferschicht, sofern es nötig ist, durch entsprechende Strukturierungsprozesse vorstrukturiert werden kann. Die Schicht für die teilbewegliche Mikrostruktur kann z. B. mit PVD-, Chemical Vapour Deposition (CVD)-Verfahren oder galvanisch aufgebracht werden. Die Verwendung weiterer Zwischenschichten stellt keine prinzipielle Einschränkung des Verfahrens dar. Die Mikrostruktur erhält ihre Teilbeweglichkeit durch iso tropes trockenchemisches Ätzen der Opferschicht im Plasmareaktor, wodurch diese partiell unter der Mikrostruktur entfernt wird.

Dieses Verfahren bringt den Vorteil mit sich, daß beliebige Opferschichtdicken durch Spin-Goating aufgebracht werden können. Die Anlagenzeit ist hier geringer als bei PVD- und CVD-Prozessen. Weiterhin sind die Anschaffungs- und Betriebskosten eines Spin-Coaters im allgemeinen niedriger als die einer PVD- oder CVD-Anlage. Ein weiterer Vorteil ist, daß auf einem vollständig imidisierten Polymer Beschichtungsprozesse bei Temperaturen bis zu 500°C möglich sind. Im Gegensatz zu einem naßchemisch ätzbaren Polymer, das nicht vollständig imidisiert sein darf, bedeutet dies größere Auswahlmöglichkeiten an Materialien für die Mikrostrukturschicht. Außerdem kann das Opferschicht material gleichzeitig die Funktion einer Isolationsschicht übernehmen. Der Trockenätzprozeß im Sauerstoffplasma eines Plattenreaktors ist besonders selektiv gegenüber Schichtmaterialien, die im PVD- oder CVD-Verfahren abgeschieden werden. Im Gegensatz zu naßgeätzten Opferschichtmaterialien ist es bei Verwendung einer trockenchemisch ätzbaren Opferschicht wesentlich einfacher, diese selektiv zu den anderen Schichtmaterialien zu entfernen.

Die vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines frei tragenden Federarmes wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Substrat mit dem Schichtaufbau Opferschicht, Cantilever- und Spitzenmaterialschicht, Maskierungsschicht,

Fig. 2 Strukturierung der Maskierungsschicht und Cantileverschicht,

Fig. 3 Strukturierung der Spitze,

Fig. 4 Herstellung der freitragenden Mikrostruktur durch Unterätzung der Opferschicht,

Fig. 5 Substrat mit dem Schichtaufbau Opferschicht, Haftvermittlungs- und Galvanikstartschicht,

Fig. 6 Strukturierung der Galvanikstartschicht,

Fig. 7 Strukturierung des Röntgenresists,

Fig. 8 Galvanische Abscheidung der Mikrostruktur und Resistentfernung,

Fig. 9 Ätzen der Haftvermittlungsschicht,

Fig. 10 Herstellung der freitragenden Mikrostruktur durch Unterätzung der Opferschicht.

Ausführungsbeispiele Freitragender Rasterkraftmikroskop (AFM)-Sensor

Im ersten Schritt wird auf ein Glassubstrat (1) Polyimid (2) aufgeschleudert. 5 Milliliter des flüssigen Polyimids werden im Stillstand auf das Substrat gegossen. Dann wird 10 Sekunden bei 1000 Umdrehungen pro Minute ausgeschleudert, woran sich ein 30 Sekunden dauernder Schleuderprozeß bei 7000 Umdrehungen pro Minute anschließt. Hiernach wird das Lösemittel verdampft, indem das Schichtmaterial auf einer Heizplatte 15 Minuten lang nacheinander jeweils auf 100°C und 150°C temperiert wird. Die anschließende Imidisierung des Polyimids wird im Vakuumofen durchgeführt, wobei die Temperatur, ausgehend von 200°C, mit 5°C pro Minute auf 380°C erhöht wird. Die Verweilzeit bei 380°C beträgt 30 Minuten. Nach Abkühlung unter Temperaturen von 200°C kann das Substrat aus dem Ofen entnommen werden. Bei diesen Prozeßparametern stellt sich eine Polyimidschichtdicke von 8 Mikrometern ein, es ist temperaturstabil bis 520°C.

Auf die Polyimidschicht (2) wird nun eine Plasma Enhanced CVD (PECVD)- Siliziumnitridschicht der Dicke 4 Mikrometer aufgebracht, die als Cantilever- und Spitzenmaterialschicht (3) dient. Die Abscheidetemperaturen liegen hierbei im Bereich von 350°C. Auf dieses Schichtsystem wird ein 5,8 Mikrometer dicker Photoresist (4) aufgebracht (Fig. 1).

Im Anschluß an einen bekannten Photolithographieprozeß können die Cantilever (5) nach einem an sich bekannten Verfahren im Fluorplasma eines Reactive Ion Etcher (RIE)-Plasmareaktors strukturiert werden (Fig. 2).

Nach dem Entfernen des Resists im Ablackbad oder im Sauerstoffplasma werden in einem weiteren Photolithographieprozeß die Spitzenpads in Photo lack übertragen, um schließlich die Spitzen (6) in einem Plattenreaktor durch isotropes Ätzen in einem Fluorplasma herzustellen (Fig. 3). Dieser Spitzen herstellungsprozeß beruht auf bekannten Verfahren.

Durch einen isotropen Trockenätzprozeß im Plattenreaktor wird die Polyimid- Opferschicht (2) in einem Sauerstoffplasma bei einem Druck von 190 Pa, einem Sauerstoffgasfluß von 1 l/min (bei Standardbedingungen: 20°C, 0,1 MPa) und einer Leistung von 300 W verascht bzw. unter den Cantilevern (5) entfernt (Fig. 4).

Freitragende, galvanisch abgeschiedene Mikrostruktur

Auf ein beliebiges Substrat (1) wird zunächst die Polyimid-Opferschicht (2) auf geschleudert. Anschließend wird hierauf die metallische Startschicht (7, 8) für die galvanische Abscheidung von Nickel aufgebracht (Fig. 5). Hier empfiehlt sich ein Schichtsystem aus zum Beispiel 100 nm Titan (7) und 70 nm Kupfer (8), wobei die Kupfer-Schicht (8) in Form der Cantilever (5) vorstrukturiert wird (Fig. 6). Im nächsten Schritt wird der röntgenstrahlempfindliche Resist aufgebracht. Bei der Belichtung mit Synchrotronstrahlung wird die Mikrostruktur in den Resist übertragen, so daß bei der Resistentwicklung eine Form (9) (Fig. 7) für die galvanische Abscheidung der Cantilever (5) entsteht. Hier ist zu beachten, daß die laterale Ausdehnung der feststehenden Strukturen größer sein muß als die der später freitragenden Strukturen, damit die Haftung der feststehenden Strukturen durch Unterätzung nicht zu stark beeinträchtigt wird.

Die Resiststruktur haftet auf der Titanschicht (7), während die Cantilever (5) auf der Kupferschicht (8) haften können. Nach der galvanischen Abscheidung der Cantilever (5) in die Resistform (9) wird diese entfernt (Fig. 8). Nun wird die Titanschicht (7) vertikal naßchemisch weggeätzt, so daß die Polyimidschicht (2) freiliegt (Fig. 9). Im Anschluß kann die Polyimidschicht (2) zur Erlangung der Teilbeweglichkeit partiell unter der Mikrostruktur durch isotropes Ätzen im Sauerstoffplasma entfernt werden (Fig. 10).

Bezugszeichenliste

1 Substrat
2 Polyimid-Opferschicht
3 Cantilever- und Spitzenmaterialschicht
4 Maskierungsschicht
5 Cantilever
6 Spitze
7 Haftvermittlungsschicht
8 Galvanikstartschicht
9 Röntgenresiststruktur

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines teilbeweglichen, mikrostrukturierten Gegenstandes (5) aus einem Mehrschichtsystem, bei dem mindestens eine Schicht eine Opferschicht (2) ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernen der Opferschicht (2) durch trockenchemisches Ätzen in einem Plasma erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Opferschichtmaterial (2) durch Spin-Coating, Dip-Coating, Sprüh-Coating oder einen ähnlichen Prozeß aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Opferschichtmaterial (2) nach dem Aufbringen Temperaturen zwischen 20°C und 500°C ausgesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Mehrschichtsystem Haftvermittlungsschichten für die bzw. auf der Opferschicht (2) enthält.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Opferschicht (2) in einem Photolithographieprozeß oder durch Ätzen mit Hilfe einer Maskierungsschicht (4) strukturiert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Opferschicht (2) Polyimid, Spin-On Glas und/oder Photolack enthält.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Opferschichtmaterial teilweise oder vollständig ausgehärtet, polymerisiert oder imidisiert wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht für die Mikrostruktur (3) mit PVD-Ver fahren, CVD-Verfahren oder galvanisch abgeschieden wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus ein Material, wie z. B. Silizium, Glas, photostrukturierbarem Glas, Metall, Metalloxid oder Polymer enthält.