DE19522004A1 - Herstellungsverfahren von teilbeweglichen Mikrostrukturen auf der Basis einer trockenchemisch geätzten Opferschicht - Google Patents
Herstellungsverfahren von teilbeweglichen Mikrostrukturen auf der Basis einer trockenchemisch geätzten OpferschichtInfo
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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.
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).
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
2 Polyimid-Opferschicht
3 Cantilever- und Spitzenmaterialschicht
4 Maskierungsschicht
5 Cantilever
6 Spitze
7 Haftvermittlungsschicht
8 Galvanikstartschicht
9 Röntgenresiststruktur
Claims (9)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19522004A DE19522004A1 (de) | 1995-06-21 | 1995-06-21 | Herstellungsverfahren von teilbeweglichen Mikrostrukturen auf der Basis einer trockenchemisch geätzten Opferschicht |
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Publications (1)
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DE19522004A Withdrawn DE19522004A1 (de) | 1995-06-21 | 1995-06-21 | Herstellungsverfahren von teilbeweglichen Mikrostrukturen auf der Basis einer trockenchemisch geätzten Opferschicht |
Country Status (1)
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