DE19621349C2 - Verfahren zur Erzeugung dreidimensionaler Strukturen in einem aus monokristallinem Material mit Diamantstruktur bestehenden Substrat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung dreidimen­ sionaler Strukturen in einem aus monokristallinem Material mit Diamantstruktur bestehenden Substrat, bei dem mindestens eine Ausnehmung, die auch eine Durchgangsöffnung sein kann, mit einer in einer Tiefe in dem Material liegenden Grundfläche und an den Seiten der Grundfläche anliegenden Seitenflächen, die bis zur Oberfläche des Substrates reichen, erzeugt wird. Hier­ zu wird auf der Oberfläche des Substrates eine Ätzmaske aufge­ bracht, die bis zur Oberfläche des Substrates durchgehende Maskenöffnungen aufweist. Diese Maskenöffnungen werden im Bereich einer gedachten Sollätzfläche eingebracht, welche sich über der zu ätzenden Ausnehmung befindet und deren Fläche ähnlich der maskenseitigen Fläche der Ausnehmung, aber kleiner als diese ist. Anschließend wird die Oberfläche des Sub­ strates mit der Maske einem anisotropen Ätzprozeß ausgesetzt. Dabei werden zur Erzeugung der Ausnehmung während des überwie­ genden Teiles des Ätzprozesses den Maskenöffnungen entspre­ chende Teilausnehmungen derart geätzt, daß zumindest zwei einander gegenüberliegende Seitenflächen der Ausnehmung in sich nicht berührende separate Seitenteilflächen, die Seiten­ flächen der Teilausnehmungen darstellen, getrennt sind. Diese Seitenteilflächen gehen spätestens zum Zeitpunkt des Errei­ chens der Sollätztiefe unter Bildung je einer ungeteilten Seitenfläche und unter Verbindung der beiden Teilausnehmungen zu der Ausnehmung ineinander über. Dabei sind in der Maske einander benachbarte Maskenöffnungen durch je eine Masken­ brücke voneinander getrennt, welche sich von einer Seite der Sollätzfläche zu einer ihr gegenüberliegenden Seite erstreckt und eine Breite aufweist, die bei Erreichung der Sollätztiefe vollständig unterätzt ist.

Ein eingangs genanntes anisotropes Naßätzen, im folgenden anisotropes Ätzen genannt, ist aus der Halbleitertechnologie, beispielsweise aus der DE 41 06 287 A1 und aus der DE 40 20 724 A1, bekannt.

Sowohl bei der DE 41 06 287 A1 als auch bei der DE 40 20 724 A1 beziehen sich die Verfahrensschritte auf die richtungs­ abhängigen Ätzraten beim anisotropen Ätzverfahren und auf das daraus resultierende Maskendesign und die Maskenjustage am Kristallgitter des Substrates.

Grundsätzlich müssen beim Maskendesign für das anisotrope Ätzen die lateralen Unterätzungen der Maskenkanten zwangs­ läufig berücksichtigt werden. Dies ist in den Anisotropie­ eigenschaften von Ätzer und Substrat begründet. Durch Varia­ tion der Formen und Größen sowie der Anordnung von Maskenöff­ nungen können jedoch über die einfache Funktionalität des Entwurfes hinausgehende Zielstellungen verfolgt werden.

Weiterhin wird infolge der Anisotropie des Ätzprozesses die Maßhaltigkeit der zu erzeugenden Ätzstrukturen maßgeblich durch die Präzision der Maskenausrichtung am Kristallgitter des Wafers bestimmt. Beim heutigen Stand der Technik ist daher im allgemeinen nach der Grobjustage am Waferflat eine Fein­ justage der Maske auszuführen. Diese erfordert vorab zusätzli­ che Verfahrensschritte zur ätztechnischen oder röntgenogra­ fischen Orientierungsbestimmung.

Das Ätzverfahren gemäß DE 41 06 287 A1 setzt gezielte Unter­ ätzungen der Maskierschicht ein, um somit eine Minimierung der für die zu ätzenden Ausnehmungen erforderlichen Substratfläche zu erreichen. Erreicht wird diese Zielstellung dadurch, daß die Dimensionierung einer Maskenöffnung und deren Orientierung so gewählt wird, daß die gewünschte Größe und Form der Grund­ fläche der Ausnehmungen durch gezieltes Unterätzen der Mas­ kierschicht erreicht wird.

Dabei kommt es bei diesem Verfahren wesentlich auf die Orien­ tierung der Öffnungen in der Maskierschicht bezüglich der Kristallorientierungen des Trägers an. Grundsätzlich besteht das Erfordernis, daß bestimmte Kanten der Maskenöffnungen parallel zu zwei in der <100<-Waferebene liegenden senkrecht aufeinanderstehenden <110<-Richtungen orientiert sind.

Daraus schlußfolgernd ist festzustellen, daß bei diesem Ver­ fahren nur bei einer fehlerfreien Ausrichtung der Maskenkanten am Kristall die durch gezielte Unterätzung der Maskierschicht erzeugten Grundflächen der Ausnehmungen in gewünschter Form und Größe entstehen. Ist diese fehlerfreie Ausrichtung nicht gewährleistet, treten Ätzfehler der Ausnehmungen in Form und Größe auf.

Das in DE 40 20 724 A1 vorgesehene Verfahren zur Strukturie­ rung eines einkristallinen Siliziumträgers sieht eine vor­ übergehende Unterteilung der Sollätzfläche in Teilätzflächen vor. Dabei können mit nur einem Ätzschritt und ohne Bor- und Epitaxieschichten Ausnehmungsgrundflächen in unterschiedlicher Materialtiefe realisiert werden.

Die mit diesem Verfahren beabsichtigte Ausbildung von Flächen in definierter unterschiedlicher Materialtiefe durch Unter­ ätzung von Maskenstegen und die anschließende Ebnung der Grundflächen der entstandenen Gesamtausnehmungen ist ebenfalls bezüglich der Kristallstrukturen sehr richtungsempfindlich. Bei Justagefehlern der Ätzmaske würden die Ausnehmungsgrund­ flächen nicht in der vorgesehenen Materialtiefe entstehen. Die Maßhaltigkeit der mikromechanischen Bauelemente wäre auch hier beeinträchtigt. Zur Vermeidung derartiger Probleme wird die Vorteilhaftigkeit von Vorversuchen angegeben, was allerdings einen erheblichen Zusatzaufwand bedeuten würde.

Das aniosotrope Ätzen wurde für die Herstellung dreidimensio­ nal strukturierter mikromechanischer Bauelemente (bulk-micro­ machining) auf der Basis der Silizium-Planartechnologie wei­ terentwickelt. Serienmäßig wird das anisotrope Ätzen beispielsweise bei der Herstellung von Tintenstrahldüsen und Drucksensorelementen eingesetzt. Neuere Anwendungen betreffen unter anderem Feder-Masse-Systeme für Beschleunigungs- und Neigungsmesser sowie mikrofluidische Bauelemente (Pumpen, Ventile oder Fluidkanäle) und mikroopti­ sche Komponenten (V-Nuten zur Glasfaser-Justage oder Spiegel- Arrays). Bei typischen Lateralabmessungen der Größenordnung 10^-3 bis 10^-4 m sind Maßtoleranzen im Bereich von 10^-5 bis 10^-7 m einzuhalten. An die Oberflächenqualität bestehen bezüglich Sauberkeit und Defektfreiheit im allgemeinen sehr hohe An­ forderungen.

Das anisotrope Ätzen beruht auf der Abhängigkeit der Ätzrate von der kristallographischen Richtung in einem monokristalli­ nen Material. Alle für Silizium bekannten anisotropen Ätzer sind basisch. Praktische Bedeutung haben wässrige Lösungen von Kaliumhydroxid, Tetramethylammoniumhydroxid und Ethylendi­ amin/Pyrocatechol erlangt. Eine wichtige Gemeinsamkeit dieser Ätzmittel besteht in den minimalen Ätzraten der {111}-Ebenen. Andere niedrig indizierte Ebenen werden bei gleicher Tempera­ tur und Ätzmittelkonzentrationen um etwa zwei Größenordnungen schneller abgetragen. Die Ätzratenverhältnisse sind dabei für jedes Ätzmittel spezifisch.

Für mikromechanische Anwendungen auf der Basis von Silizium werden überwiegend (100)-Wafer eingesetzt. Zur Ausrichtung der ersten Fotoschablone dient hier der <110<-orientierte Flat. Bei den ebenfalls verwendeten (110)-Wafern können die in der Waferoberfläche liegenden <111<-Richtungen zur Positionierung genutzt werden.

In Vorbereitung der anisotropen Ätzung durchlaufen die Silizi­ umwafer einen technologischen Prozeß, bei dem die erforderli­ chen Maskierungsschichten aufgebracht und strukturiert werden. Überwiegend kommen hier thermische Oxide oder Kombinationen aus Oxid- und Siliziumnitridschichten zur Anwendung. Mit foto­ lithografischen Mitteln wird auf den Maskierungsschichten zunächst eine Lackmaske erzeugt. Die Ausrichtung der Lackmaske gegenüber bestimmten Kristallrichtungen des Wafers muß sehr präzise erfolgen, da Gestalt und Maße der dreidimensionalen Silizumstrukturen durch Winkelfehler erheblich verändert wer­ den können. Bei Verdrehungen der Maskenkanten gegenüber den Sollrichtungen entstehen infolge des zusätzlichen Freiliegens schnellätzender Flächen fehlerhafte Unterätzungen der Ätzmas­ ke. Besonders groß kann dabei der relative Fehler des Breiten­ maßes langer schmaler Nuten und Stege werden. Für einen (100)- Wafer mit um 1° gegenüber der <100<-Richtungen fehlorientier­ ten Maskenkanten sei ein einfaches Beispiel gegeben:
Eine wenigstens 900 µm lange und höchstens 16 µm breite Masken­ brücke würde bei einer Ätztiefe von mindestens 150 µm in Kali­ lauge (30%, 80°C) bereits vollständig unterätzt.

Bei Herstellungstoleranzen beim Flatschleifen von bis zu ± 1,5° ist die Positionierung einer herkömmlichen Fotoscha­ blone am Waferflat demnach für viele Anwendungen nicht aus­ reichend. Selbst mit vom Hersteller auf minimal ± 0,5° selek­ tiertem Material müssen oft zusätzliche Maßnahmen zur Gewähr­ leistung der Maß- und Gestalttreue der mikromechanischen Bau­ elemente getroffen werden.

Nach der Lackbelichtung mit der justierten Schablone erfolgt die Lackentwicklung. Bei Anwendung des in der Halbleitertech­ nologie üblichen Sprühschleuderverfahrens tritt hier ein wei­ teres Problem auf. Im Falle langer Lackstege, die nur wenige Mikrometer breit und nur an den Enden verankert sind, ent­ stehen durch "Wegschwimmen" des Lackes häufig deformierte Masken.

Im Anschluß an den fotolithografischen Prozeß werden durch Naß- oder Trockenätzverfahren Öffnungen in den Maskierungs­ schichten erzeugt. Nach der Lackentfernung kann der mit der fertiggestellten Ätzmaske bedeckte Wafer nun dem anisotropen Ätzmittel ausgesetzt werden. Dabei kommt es zur Unterätzung von Maskenteilen. Durch aufgeprägte Ätzmittelbewegungen und entstehende Gase brechen tief unterätzte Maskenbereiche und zum Einreißen neigende Überhänge an sehr langen Kanten leicht ab. Häufig klappen sie auf Waferoberflächen um. Insbesondere bei Siliziumnitrid-Masken können umgeklappte oder aufgespülte Maskenteile nach dem anisotropen Ätzen nicht in jedem Falle hinreichend selektiv entfernt werden. Speziell für spätere Montageschritte der mikromechanischen Bauelemente bedeuten die so entstandenen lokalen Mehrfachschichten oft eine irreversi­ ble Schädigung funktionaler Oberflächen.

Für eines der angegebenen technologischen Probleme, die Ge­ währleistung geringer Maßtoleranzen dreidimensionaler mikro­ mechanischer Strukturen, sind verschiedene Lösungsansätze bekannt. Ziel dieser Ansätze ist es, Fehlorientierungen der Wafer zu erkennen und zu berücksichtigen, bzw. deren Auswir­ kungen auf die Maßhaltigkeit der Bauelemente zu verringern.

Ein bekannter Lösungsweg besteht darin, die Fehlorientierung des Waferflats gegenüber der kristallographischen Sollrichtung experimentell zu bestimmen. Beim Lithografieschritt für die Ätzmaske läßt sich der Winkelfehler durch definierte Verdre­ hung der Schablone gegen den Flat korrigieren. Ein derartiges, auf der Erzeugung von Meßstrukturen durch anisotrope Ätzung beruhendes Verfahren, ist in der Patentschrift DE 41 36 089 A1 angegeben. Die für eine Winkelkorrektur bei der Justage der Fotoschablone notwendigen Daten werden hier aus der Vermessung der Maskenunterätzung an rinnenförmigen Ausnehmungen gewonnen. Infolge stark streuender Flatorientierungen muß im allgemeinen jeder Wafer die dazu notwendigen zusätzlichen Technologie­ schritte durchlaufen. Dem Vorteil der vollständigen Korrigier­ barkeit dieses Winkelfehlers steht somit ein beträchtlicher Zusatzaufwand gegenüber.

Eine andere Möglichkeit zur präzisen Bestimmung der Kristall­ orientierung geht von der röntgenographischen Vermessung der Wafer aus. Auch hier wird die ermittelte Fehlorientierung des Flats bei der Schablonenjustage berücksichtigt. Der Meßaufwand ist bei diesem sehr genauen Verfahren allerdings ebenfalls erheblich.

Bei einem zweiten bekannten Lösungsweg zur Herstellung maßlich eng tolerierter, dreidimensionaler mikromechanischer Struktu­ ren kann bei Anwendung spezieller Designregeln auf die exakte Ausrichtung der Ätzmaske gegenüber dem Kristall verzichtet werden. So sind mit dem in der Patentschrift DE 43 34 666 C1 vorgeschlagenen Verfahren an ausgewählten, vorgegebenen De­ signpunkten unzulässige Maskenunterätzungen sicher vermeidbar. Dies wird dadurch erreicht, daß die Maskenöffnungen zur Erzeu­ gung von Ausnehmungen bewußt kleiner ausgelegt und die Masken­ kanten mit Kerben versehen werden. Die Kerben sind dabei so ausgebildet, daß sich punktförmig an deren tiefster Stelle das berechnete Sollmaß einstellt. An anderen Orten des Designs werden positive und negative Abweichungen gegenüber den jewei­ ligen Sollpunkten zugelassen. Bei der Positionierung relativ kleiner piezoresistiver Widerstände in der Mitte einer langen Membrankante, die einen präzisen Abstand zu dieser aufweisen, sind Maßabweichungen an entfernten Orten beispielsweise von untergeordneter Bedeutung. Allerdings entstehen bei diesem "selbstpositionierenden" Verfahren tief unterätzte Masken­ bereiche, die nur einseitig verankert sind und daher besonders zum Abreißen oder Umklappen neigen können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung dreidimensionaler Strukturen in einem aus mono­ kristallinem Material mit Diamantstruktur bestehenden Substrat anzugeben, welches bei einer möglichen Fehlorientierung der Kristallstruktur bezüglich der Ätzmaske insbesondere bei schmalen, langgestreckten Strukturen die Strukturgenauigkeit sowie defektfreie Masken und Materialoberflächen in hohem Maße gewährleistet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß mit mehreren Maskenöffnungen über der Sollätzfläche ein Mas­ kenbereich gebildet wird, in dem die Maskenöffnungen in Läng­ serstreckung derart hintereinander angeordnet sind, daß ihre Maskenbrücken schräg zur Längserstreckung des Maskenbereiches liegen. Dabei liegt jede der Maskenöffnungen mit wenigstens jeweils zwei einander gegenüberliegenden Ecken auf je einer Kante der Sollätzfläche.

Die Maskenbrücken verankern einander gegenüberliegende Kanten der Sollätzfläche gegenseitig und unterbrechen gleichzeitig deren homogenen Verlauf. Damit erfüllen diese Brücken und die durch sie definierten Übergangsstrukturen im Materialvolumen erfindungsgemäß mehrere Funktionen. So wird insbesondere bei sehr schmalen, stegförmigen Strukturen durch die zusätzliche Verankerung bereits beim Entwickeln der Lackmaske eine mögli­ che Deformation durch Lackablösungen verhindert. Beim aniso­ tropen Ätzprozeß wirken die aus dem Lack in die Ätzmaske über­ tragenen Brücken zwischen den Kanten der Sollätzfläche durch zwei weitere Effekte. Zum einen werden die langsamätzenden seitlichen Begrenzungsflächen der zu erzeugenden Ausnehmungen zunächst nur abschnittweise zwischen den Brücken freigelegt, da der Ätzprozeß nur in den Maskenöffnungen beginnen kann. Die Unterätzung der entsprechenden Kanten der Sollätzfläche bleibt demzufolge für eine bestimmte Zeitspanne auf diese Abschnitte beschränkt. Es entstehen gewissermaßen entlang den sich aus­ bildenden langen Kanten der Ausnehmungen kurze Wiederholstruk­ turen mit gegenüber der vollen Kantenlänge verringerter Unter­ ätzung.

Zum anderen werden die mit fortschreitendem Ätzprozeß immer tiefer unterätzten seitlichen Maskenteile durch die brücken­ förmigen Verbindungen zwischen ihnen stabilisiert. Infolgedes­ sen kommt es selbst bei langer Ätzdauer nicht zum Abreißen oder Umklappen der weit überhängenden Maskenbereiche. Auf Grund dieser Eigenschaft kann mit dem beschriebenen Verfahren auch die Stabilisierung von Kompensationsstrukturen an konve­ xen Ecken sinnvoll sein. Bei der abschließenden Entfernung der Ätzmaske werden auch die Ätzbrücken rückstandsfrei abgetragen.

Zur Gewährleistung ihrer Funktion unterliegen die brückenför­ migen Maskenbereiche speziellen Designregeln. So ist bei der Festlegung von Kantenrichtung, Abstand und Breite der Brücken die Sollätztiefe zu berücksichtigen. Die Brücken sind so aus­ zulegen, daß die durch sie erzeugten Übergangsstrukturen im Material während des anisotropen Ätzprozesses vollständig abgetragen werden. Das heißt, spätestens zum Zeitpunkt des Erreichens der Sollätztiefe müssen sich die zunächst separat entstandenen Seitenteilflächen der Ausnehmungen vollständig berühren. Bei Ätzmasken mit fehlerhafter Ausrichtung der Mas­ kenkanten, verursacht durch Positionierfehler oder unberück­ sichtigt gebliebene Flatorientierungstoleranzen, entstehen an den Berührungsstellen der Seitenteilflächen stufenförmige Absätze. Diese Stufen sind durch den Übergang auf andere, parallele Netzebenen verursacht. Der mit Hilfe der Masken­ brücken erzielte mittlere Querschnitt der jeweiligen mikro­ mechanischen Struktur kommt dabei dem Sollzustand ohne Fehl­ orientierung des Wafers und ohne Fehlpositionierung der Maske sehr nahe. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet demnach die Verwendung von Wafern mit typischen Orientierungstoleran­ zen des Flats ohne Selektion und Vermessung der Flatfehlorien­ tierung. Bei der Fotolithographie ist es dann ausreichend, die nach den genannten Designregeln entworfene Fotoschablone am Waferflat auszurichten.

Für viele Anwendungen ist es sinnvoll, entlang langer Kanten der Sollätzfläche mehrere gleichartige Maskenöffnungen hinter­ einander anzuordnen. Diese Wiederholstrukturen mit unterein­ ander parallelen Maskenkanten bilden einen gemeinsamen Masken­ bereich.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird gegenüber dem bekannten Stand der Technik erriecht, daß wesentlich geringere Anforde­ rungen an die Maskenjustage zu stellen sind und dennoch ins­ besondere längserstreckte Strukturen mit hoher Maßhaltigkeit erzeugt werden können.

Infolge der Symmetrieverhältnisse des Diamantgitters ist es auch möglich, nebeneinander gleichartige aber an der Längs­ achse der Ausnehmung gespiegelte Maskenbereiche einzubringen.

Es können zur Erzeugung mehrerer zueinander parallelliegender längserstreckter auch nebeneinanderliegende Ausnehmungen durch gleichartige Maskenbereiche eingebracht werden, deren Masken­ öffnungen gleichgerichtet sind.

Die Breitentoleranz der zu erzeugenden Ausnehmungen ist in geringem Maß von der relativen Lage der gegenüber der Fehl­ orientierungsrichtung der Maske in Bezug auf den Kristall abhängig. Bei der Erzeugung mehrerer paralleler, nebenein­ anderliegender Ausnehmungen kann dies zur Feineinstellung der Stegbreiten zwischen den Ausnehmungen genutzt werden, die durch den Abstand der Maskenbereiche grob bestimmt sind. Man verwendet hierbei gleichartige oder alternierend zueinander spiegelbildliche Maskenbereiche, die nebeneinander parallel angeordnet sind.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Kanten der Maskenbrücken aus Teilkanten zusammengesetzt, so daß sie eine gezackte Form aufweisen. Dabei ist eine voll­ ständige Unabhängigkeit der Breitentoleranz der Ausnehmung von der Fehlorientierungsrichtung erreichbar. Hierzu sind die Maskenbrücken spiegelsymmetrisch zu der Sollätzfläche auszule­ gen. Eine andere Lösung besteht in der senkrechten Einbindung der die langen Kanten der Sollätzfläche berührenden Brücken­ teilkanten.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Er­ zeugung dreidimensionaler Strukturen auf der Basis von {100}- Siliziumwafern mit vorzugsweise in <110<-Richtungen verlaufen­ den Längskanten der Ausnehmungen. Dabei ist es vorteilhaft, die Kanten der durch Brücken getrennten Maskenöffnungen par­ allel zu <100<- und <110<-Richtungen oder nur parallel zu <100<-Richtungen auszulegen. Bei Einhaltung der angegebenen allgemeinen Designregeln für die Brücken sind Abweichungen hiervon möglich. Der Ätzangriff auf des Substrat kann zuerst nur in den Maskenöffnungen erfolgen. Mit wachsender Ätzdauer werden die Maskenkanten in Abhängigkeit von ihrer Richtung in Bezug auf den Kristall mehr oder weniger weit unterätzt. An seitlichen Maskenkanten zwischen den Brücken bilden sich mit den langsamätzenden {111}-Flächen auf der Substratoberfläche <110<-Materialkanten heraus. Bei Fehlorientierungen der Ätz­ maske gegenüber dem Kristall verlaufen diese Materialkanten nicht parallel zu den entsprechenden Maskenkanten. Im Unter­ schied zur idealen Ausrichtung der Maske entstehen hier größe­ re, keilförmige Unterätzungen, deren Tiefe somit von der Länge der freien Maskenkanten abhängig ist. Infolge der mit den Maskenbrücken erreichten Unterteilung der Längskanten der Sollätzfläche in jeweils mehrere kurze Abschnitte bleiben diese Unterätzungen kleiner als bei Einwirkung des Ätzmittels auf die ungeteilten Maskenkanten. Als gewünschte Folge gegen­ über der Ätzung der Maskenbrücken resultiert ein mittlerer Querschnitt der Ausnehmung, der dem Sollzustand bei fehler­ freier Maske sehr nahe kommt.

Die Unterätzung der Maskenbrücken erfolgt von jeweils beiden Seiten mit höheren Ätzraten. Zu einem bestimmten Zeitpunkt werden dabei zusätzliche schnellätzende Flächen freigelegt. Durch die konstruktive Gestaltung der Brücken wird gewähr­ leistet, daß bis zum Erreichen der Sollätztiefe alle Über­ gangsstrukturen abgetragen sind und eine durchgehende Aus­ nehmung entsteht. Die unterätzten Maskenbrücken bleiben bis zur Entfernung der Ätzmaske erhalten und stabilisieren so die einander gegenüberliegenden seitlichen Maskenkanten gegen Abrisse und Umklappen.

In analoger Weise kann das Verfahren auf {110}-Siliziumwafer angewendet werden, wobei die Kanten der Maskenöffnungen vor­ zugsweise parallel beziehungsweise senkrecht zu <100<-, <110<- sowie auch <111<-Richtungen ausgelegt werden. Abweichungen von diesen Richtungen sind erlaubt, wenn die allgemeinen Designre­ geln für die Masken eingehalten werden.

Es kann zweckmäßig sein, daß unter der Grundfläche wenigstens einer Ausnehmung ein Materialbereich verbleibt, dessen Dicke durch einen Ätzstopp eingestellt wird.

Für andere Applikationen kann es erforderlich sein, daß das Substrat im Bereich wenigstens einer Ausnehmung durchgeätzt wird, so daß sich unter der Grundfläche kein Material befin­ det.

Besonders bei der Herstellung mikromechanischer Bauteile ist es häufig erforderlich, schmale Materialstege aus dem monokri­ stallinen Material herauszuarbeiten. Dabei ist es zweckmäßig, das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden und das Material bis auf seine Unterseite durchzuätzen. Dabei bleiben die ge­ wünschten Materialstege als Materialstreifen zwischen durchgehenden Ausnehmungen stehen.

Die Erfindung soll nachfolgend am Beispiel der Herstellung paralleler Siliziumstege mit großem Länge-Breiten-Verhältnis auf der Basis von (100)-Wafern näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 die Draufsicht auf einen Ausschnitt einer erfindungs­ gemäßen Maske mit rechteckigen und trapezförmigen Maskenöffnungen und

Fig. 2 die Draufsicht auf einen Ausschnitt einer erfindungs­ gemäßen Maske mit parallelogrammartigen und trapezförmigen Maskenöffnungen.

Das Verfahren dient der Herstellung eines oder mehrerer Sili­ ziumstege 1, die an Einspannstellen 2 mit dem Silizium 3 ver­ bunden sind.

Der Siliziumsteg 1 mit Längs- und Querdimensionen in <110<- Richtungen wird durch ein Durchätzen des Siliziumwafers 3 her­ gestellt. Dazu sind beiderseits des herzustellenden Silizi­ umsteges 1 Maskenbereiche 4 vorgesehen, die jeweils aus mehre­ ren kleinen, einander nicht berührenden Maskenöffnungen 5 bestehen. Deren Längskanten verlaufen annähernd parallel zu <100<-Richtungen. Diese gleichgroßen Maskenöffnungen 5 sind dabei derart angeordnet, daß die Endpunkte 6 jeweils einer der Flächendiagonalen 7 genau auf einer Kante 8 der Sollätz­ fläche 9 liegen.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind die Maskenöffnungen 5 rechteckig. An Einspannstellen und eventuell vorhandenen Ecken werden trapezförmige Maskenöffnungen verwendet. Eine der kurzen Kanten fällt dann mit einem Kantenstück der Soll­ ätzfläche 9 zusammen.

Zwischen den benachbarten Maskenöffnungen 5, die eine Breite a aufweisen, befinden sich Maskenbrücken 10 mit einer Breite b.

Bei der anisotropen Ätzung mit 30%iger KOH-Lösung bilden sich in den entstehenden Ausnehmungen unter den Maskenöffnungen 5 zunächst nur {100}- und {111}-Flächen heraus. Die {100}-Flä­ chen werden natürlich mit der gleichen Geschwindigkeit abge­ tragen, mit der der (100)-Siliziumwafer 3 in die Tiefe geätzt wird. Die größte erlaubte Breite b_max der Maskenbrücken 10 folgt dann aus der Bedingung, daß zwischen den Siliziumstegen 1 keine dauerhaften {111}-Flächen entstehen dürfen. Mit einer Sollätztiefe h und einer Ätzkonstante k folgt dann

Dabei gilt

Die Forderung nach einem vollständigen Abtrag der unter den Maskenbrücken 10 entstehenden Übergangsstrukturen bis zum Erreichen der Sollätztiefe h wird dabei mit

sicher erfüllt.

Für größere Ätzkonstanten k gilt dagegen

Der Wertebereich von k < √2 bedeutet dabei, daß die für das Gesamtdesign gültige Sollätztiefe zwischen den Stegen nicht gilt.

Der Abstand A der einander benachbarten Sollätzflächen be­ stimmt die zu erreichende tatsächliche Breite B des Silizi­ umsteges 1. Bei der Festlegung des Abstandes A wird die für ideale Maskenausrichtung gegenüber dem Kristall bekannte late­ rale Unterätzung berücksichtigt, so daß sich die Breite B des Siliziumsteges 1 einstellt. Für den Fall eines fehlorientier­ ten Waferflats oder bei Positionierfehlern ergeben sich die dargestellten aus stufenförmigen Absätzen bestehenden Kanten der Ausnehmung, die die Kanten des Siliziumsteges 1 darstel­ len.

Der Abstand dieser Absätze beträgt

√2.(a + b)

Durch die Wahl der Parameter a und b kann die "Rauhigkeit" der Seitenflächen des Siliziumsteges 1 und die Kantenverschiebung bei Fehlorientierung in gewissen Grenzen festgelegt werden. Für viele Anwendungen erweist sich die Auslegung mit b < a als vorteilhaft, da Maßunterschiede für positive und negative Winkelfehler dann vernachlässigbar klein werden. Bei hinrei­ chend großen Breiten b kommt der sich einstellende mittlere Querschnitt der Siliziumbalken dem Sollquerschnitt sehr nahe.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind die Maskenöffnungen 5 als Parallelogramme und an den Einspannstellen 2 oder an eventuell anderen vorhandenen Ecken trapezförmig gestaltet. Bei der trapezförmigen Gestaltung fällt dann eine der kurzen Kanten mit einem gedachten Kantenstück der Sollätzfläche 9 zusammen.

Die langen Kanten der Parallelogramme und Trapeze bilden die Begrenzungen der Maskenbrücken 10 und weisen <100<-Richtungen auf. Die Maskenöffnungen 5 haben eine Breite a' und die Breite der Maskenbrücken sei b'. Bei der anisotropen Ätzung bilden sich auch hier zunächst nur {111}- und {100}-Flächen heraus. Für die größtmögliche Breite b'_max ergibt sich in diesem Fall

Die obigen Angaben zu den Wertebereichen der Ätzkonstante k gelten hier gleichermaßen. In Analogie zu Fig. 1 ergibt sich mit dem Abstand A der Sollätzflächen bei idealer Maskenaus­ richtung wieder die Breite B des Siliziumsteges 1. Bei Winkel­ fehlern bilden sich auch hier Kanten der Siliziumstege 1 mit stufenförmigen Absätzen heraus, wobei der Abstand dieser Ab­ sätze

√2.(a' + b')

beträgt. Obwohl für die Breite a' der Maskenöffnungen 5, im Gegensatz zu der Breite b' der Maskenbrücken 10 kein oberer Grenzwert existiert, ist die Auslegung mit a' ≈ b' oft von Vorteil, da die Maßunterschiede für positive und negative Winkelfehler dann klein bleiben. Für hinreichend große Breiten b' kommt der sich einstellende mittlere Querschnitt der Sili­ ziumstege dem Sollquerschnitt sehr nahe.

Bezugszeichenliste

1

Siliziumsteg

2

Einspannstelle

3

Siliziumwafer

4

Maskenbereich

5

Maskenöffnung

6

Endpunkt der Flächendiagonalen

7

Flächendiagonale

8

Kante der Sollätzfläche

9

Sollätzfläche

10

Maskenbrücke
a, a' Breite der Maskenöffnung
b, b' Breite der Maskenbrücke
h Sollätztiefe
A Abstand der Sollätzflächen
B Breite des Siliziumsteges

Claims (8)

1. Verfahren zur Erzeugung dreidimensionaler Strukturen in einem aus monokristallinem Material mit Diamantstruktur bestehenden Substrat, bei dem mindestens eine Ausnehmung, die auch eine Durchgangsöffnung sein kann, mit einer in einer Tiefe in dem Material liegenden Grundfläche und an den Seiten der Grundfläche anliegenden Seitenflächen, die bis zur Oberfläche des Substrates reichen, erzeugt wird, indem auf der Oberfläche des Substrates eine Ätzmaske aufgebracht wird, die bis zur Oberfläche des Substrates durchgehende Maskenöffnungen aufweist, diese Maskenöff­ nungen im Bereich einer gedachten Sollätzfläche einge­ bracht werden, welche sich über der zu ätzenden Ausnehmung befindet und deren Fläche ähnlich der maskenseitigen Flä­ che der Ausnehmung, aber kleiner als diese ist, und daß anschließend die Oberfläche des Substrates mit der Maske einem anisotropen Ätzprozeß ausgesetzt wird, wobei, zur Erzeugung der Ausnehmung während des überwiegenden Teiles des Ätzprozesses, den Maskenöffnungen entsprechende Teil­ ausnehmungen derart geätzt werden, daß zumindest zwei einander gegenüberliegende Seitenflächen der Ausnehmung in sich nicht berührende separate Seitenteilflächen, die Seitenflächen der Teilausnehmungen darstellen, getrennt sind und diese Seitenteilflächen spätestens zum Zeitpunkt des Erreichens der Sollätztiefe unter Bildung je einer ungeteilten Seitenfläche und unter Verbindung der beiden Teilausnehmungen zu der Ausnehmung ineinander übergehen, wobei in der Maske einander benachbarte Maskenöffnungen durch je eine Maskenbrücke voneinander getrennt sind, welche sich von einer Seite der Sollätzfläche zu einer ihr gegenüberliegenden Seite erstreckt und eine Breite auf­ weist, die bei Erreichung der Sollätztiefe vollständig unterätzt ist, dadurch gekennzeich­ net,
daß mit mehreren Maskenöffnungen (5) über der Sollätz­ fläche (9) ein Maskenbereich (4) gebildet wird, in dem die Maskenöffnungen (5) in Längserstreckung derart hinterein­ ander angeordnet sind, daß ihre Maskenbrücken (10) schräg zur Längserstreckung des Maskenbereiches (4) liegen, und
daß jede der Maskenöffnungen (5) mit wenigstens jeweils zwei einander gegenüberliegenden Ecken auf je einer Kante (8) der Sollätzfläche (9) liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Erzeugung mehrerer zueinander liegender längserstreckter Ausnehmungen nebeneinander gleichartige aber an der Längsachse der Ausnehmung gespie­ gelte Maskenbereiche (4) eingebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Erzeugung mehrerer zueinander liegender längserstreckter Ausnehmungen nebeneinander gleichartige Maskenbereiche (4) eingebracht werden, deren Maskenöffnungen (5) gleichgerichtet sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Masken­ brücken aus Teilkanten zusammengesetzt werden, so daß sie eine gezackte Form aufweisen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß (100)-Siliziumwafer (3) verwendet werden, und die Kanten der Maskenöffnungen (5) annähernd parallel zu der <100<- und <110<- Richtung oder ausschließlich zu der <100<-Richtung verlaufen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß (110)-Siliziumwafer ver­ wendet werden und die Kanten der Maskenöffnungen (5) annä­ hernd parallel oder senkrecht zu der <100<-, <110<- oder <111<-Richtung verlaufen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Grundfläche wenigstens einer Ausnehmung ein Materialbereich verbleibt, dessen Dicke durch einen Ätzstopp eingestellt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (3) im Be­ reich wenigstens einer Ausnehmung durchgeätzt wird, so daß sich unter der Grundfläche kein Material befindet.