DE19530944A1

DE19530944A1 - Mikrobearbeitung von Silizium

Info

Publication number: DE19530944A1
Application number: DE1995130944
Authority: DE
Inventors: Charles Walter Pearce
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1994-10-07
Filing date: 1995-08-23
Publication date: 1996-04-11
Also published as: JPH08109500A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mikrobearbeitung und im speziellen ein Verfahren zur Mikrobearbeitung von Silizium durch selektives Ätzen.

Die Mikrobearbeitung betrifft die Bearbeitung von sehr kleinen mechanischen Strukturen, die üblicherweise im Bereich einiger weniger Mikrometer liegen. Anwendungen für mikrobearbeitete Strukturen umfassen beispielsweise Spannungsmeßeinrichtungen sowie Tintenstrahldruckköpfe mit winzigen Kanälen für die Fluidströmung. In typischer Weise wird Silizium als das Herstellungsmaterial verwendet.

Ein Verfahren zur Mikrobearbeitung von Silizium ist das Kaliumhydroxid oder alkalische Lösungen eines ähnlichen Typs verwendende Siliziumnaßätzverfahren. Jedoch ist dieses Verfahren durch die anisotrope Ätzgeschwindigkeit zwischen den {100} und {111} Ebenen von kristallinem Silizium beschränkt. Somit wird alkalisches Ätzen durch die Orientierung der Kristallebene beschränkt.

Das US-Patent No. 4 995 954 beschreibt ein alternatives Verfahren des Naßätzens von Silizium durch Aufprägen einer Spannung an dem Silizium in einer elektrochemischen Zelle mit einem wässrigen Flußsäureelektrolyten. Das dort beschriebene Verfahren erzeugt poröse Bereiche im Silizium, welche nachher in einem alkalischen Bad gelöst werden.

Ein anderes Verfahren zur Mikrobearbeitung von Silizium ist Trockenätzen, bei welchem ein Plasma zum Ätzen exakter Profile in das Silizium verwendet wird.

Es hat sich herausgestellt, daß Silizium unter Verwendung strukturierter Dotierung mikrobearbeitet werden kann.

Im speziellen bezieht sich das Verfahren der vorliegenden Erfindung auf den relativen Unterschied im Widerstand gegenüber Ätzen zwischen n-dotierten und p dotierten Bereichen von Silizium.

Dementsprechend wird ein Verfahren zur Mikrobearbeitung von Silizium hier beschrieben, welches die Ausbildung eines Musters von differentiell dotierten Bereichen in einer Siliziumoberfläche umfaßt, wobei wenigstens einer der Bereiche anodisch ist relativ zu zumindest einem der anderen Bereiche, welcher kathodisch ist, und umfaßt das Ätzen der Oberfläche mit einem sauren oxidierenden Ätzmittel. Die anodischen Bereiche sind vorzugsweise p-dotiert, wobei die kathodischen Bereiche vorzugsweise n-dotiert sind. Das Dotieren wird unter Verwendung von fotolithografischen Standardtechniken erreicht. Die Säure ist vorzugsweise eine Mischung von Chromsäure und Flußsäure.

Zum besseren Verständnis und einfacheren Nacharbeitbarkeit des Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht, welche die Bemusterung von dotierten Bereichen im Silizium darstellt;

Fig. 2 eine die Siliziummikrobearbeitung durch Ätzen darstellende Seitenansicht;

Fig. 3 eine Seitenansicht, welche eine durch Mikrobearbeitung gebildete Brücke darstellt;

Fig. 4 eine durch Mikrobearbeitung gebildete vorkragende Struktur darstellende Seitenansicht.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfaßt das selektive Dotieren zum Erzeugen von Bereichen am Silizium, bei welchem das Ätzen bei verschiedenen Geschwindigkeiten stattfindet, d. h. mit verschiedenen Ätzraten. Durch geeignete Bemusterung der dotierten Bereiche kann das Silizium mit einfachem chemischen Ätzen mikrobearbeitet werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird ein Siliziumkörper 100 bereitgestellt, der ein Substrat von kristallinem Silizium 101 mit einem Seite an Seite geformten Bereich 102, der p dotiert ist und einem geformten Bereich 103, der n-dotiert ist, aufweist. Der Siliziumkörper 100 kann ein Wafer von monokristallinem Silizium oder abgeschiedenes polykristallines Silizium, beispielsweise durch chemische Gasfasernabscheidung abgeschiedenes polykristallines Silizium sein. Unter Verwendung von weithin bekannten Standarddotierungstechniken (beispielsweise Fotolithografie und Ionenimplantation) werden durch das Bemustern differentiell hochdotierte Bereiche, d. h. hochgradig verschieden dotierte Bereiche, erzeugt. Das Dotierungsniveau ist vorzugsweise so, daß Elektronendichteniveaus von mehr als 10¹⁸/cc (10¹⁸ cm³) erreicht werden. Standarddotierstoffe, wie beispielsweise Phosphor können für die n-Bereiche und Bor für die p-Bereiche verwendet werden. Im speziellen wird die erwünschte Form der mikrobearbeiteten Struktur mit n- Dotierung bemustert. Der wegzuätzende Bereich ist p-dotiert.

Als nächstes wird der Wafer durch Eintauchen in ein oxidierendes Ätzmittel selektiv geätzt. Das bevorzugte oxidierende Ätzmittel ist eine wässrige Lösung von Chrom- und Flußsäure. Die bevorzugte Zusammensetzung ist eine 1 : 1- Mischung von 1,2M Chromsäure und 49 Gew.% von Flußsäure. Andere Konzentrationen von Chrom- und Flußsäure können ebenfalls wirkungsvoll verwendet werden. Beispielsweise kann das Verhältnis von Chromsäure zu Flußsäure von ungefähr 0,5 : 1,5 bis zu ungefähr 1,5:0,5 erreichen. Die Konzentration von Chromsäure kann von ungefähr 0,5M bis zu ungefähr 1,5M reichen. Die Konzentration der Flußsäure kann von ungefähr 30 Gew.% bis zu ungefähr 60 Gew.% reichen. Darüber hinaus können andere oxidierende Agenzien, wie beispielsweise Salpetersäure und Wasserstoffperoxid anstelle der Chromsäure verwendet werden. Die Temperatur der Ätzlösung und die Dauer des Ätzens können eingestellt werden, um den erwünschten Grad des Ätzens zu erreichen.

In Anwesenheit eines oxidierenden Elektrolyten wird eine auch als Biasing bezeichnete interne Vorspannung zwischen den p-dotierten und n-dotierten Bereichen erzeugt. Die p dotierten Bereiche führen den n-dotierten Bereichen Elektronen zu. Somit sind die p-dotierten Bereiche anodisch vorgespannt, wohingegen die n-dotierten Bereiche kathodisch vorgespannt sind. Es besteht kein Bedarf an externer Vorspannung durch Anlegen einer Spannung von einer externen Spannungsquelle. Die anodischen p-dotierten Bereiche werden vorzugsweise geätzt. Es ist nicht Wunsch, durch eine spezielle Theorie des chemischen oder elektrischen Mechanismus, durch welchen die vorliegende Erfindung erreicht wird, Beschränkungen einzuführen, jedoch wird angenommen, daß die Kathodenreaktion die folgende ist:

Cr₂O₇= + 6e + 14H → 2Cr⁺³ + 7 H₂O (1)

und die Anodenreaktionen die folgenden sind:

2H₂O + Si → SiO₂ + 2H₂ (2)

SiO₂ + 6HF → H₂SiF₆ + 2H₂O (3)

Wenn Elektroden von den p-dotierten Bereichen weggezogen werden, wird angenommen, daß hochreaktive Orte in der Anordnung der Siliziumatome erzeugt werden, wobei die Reaktion zwischen dem Silizium und dem Elektrolyten bewirkt wird.

Fig. 2 erläutert die sich nach dem Ätzen ergebende Struktur. Die p-dotierten Bereiche 103 verbleiben als Podest am Substrat 101. Der n-dotierte Bereich wurde weggeätzt.

Obwohl ein Grad an Kristallebenen-Selektivität vorliegt, kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Mikrobearbeitung von relativ komplizierten und unregelmäßigen Formen im Silizium verwendet werden. Es können ebenfalls herkömmliche Unterätzungs-Techniken, wie beispielsweise das gesteuerte Ätzen, welches auch als Controlled Etching bezeichnet wird, im Zusammenhang mit dem hier beschriebenen Verfahren eingesetzt werden.

Beispielsweise zeigt Fig. 3 einen Siliziumwafer 200 mit einem Substrat 201 mit zwei mikrobearbeiteten Bereichen 202 und 204, die durch einen Brückenabschnitt 203 verbunden sind. In einer anderen, in Fig. 4 dargestellten Struktur, umfaßt der Siliziumwafer 300 ein Substrat 301 mit einem vorstehenden mikrobearbeiteten Bereich 302 mit einem vorkragenden Balken 303, der sich seitlich von diesem Bereich erstreckt. Derartige mikrobearbeitete Strukturen können ferner durch herkömmliche Techniken unterätzt werden, um vollständig vom Siliziumsubstrat entfernt zu werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug aufbevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es für Fachleute auf dem Gebiet klar, daß Änderungen, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen, vorgenommen werden können.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Siliziummikrostrukturen, umfassend:

a) das Bereitstellen eines Siliziumsubstrats,
b) das Ausbilden eines Musters von verschieden und/oder differentiell geätzten Bereichen von vorbestimmter Form in einer Oberfläche des Siliziumsubstrats, wobei wenigstens einer der geformten Bereiche relativ anodisch und wenigstens ein anderer der geformten Bereiche relativ kathodisch ist, wenn die Oberfläche in Kontakt mit einem Elektrolyten gebracht wird, und
c) Ätzen der Oberfläche mit einem oxidierenden sauren Ätzmittel, wobei die anodischen Bereiche durch das Ätzmittel bevorzugt entfernt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der geformte relativ anodische Bereich p-dotiert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der relativ kathodische Bereich n-dotiert ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das oxidierende Ätzmittel eine wässrige Lösung von Flußsäure und einem oxidierenden Agens umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das oxidierende Agens Chromsäure ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das oxidierende Säure-Ätzmittel im wesentlichen eine 1 : 1-Mischung von 1,2M Chromsäure und 49 Gew.% Flußsäure umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das oxidierende Agens Salpetersäure ist.

8. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das oxidierende Agens Wasserstoffperoxid ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Silizium monokristallin ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Silizium polykristallin ist.