DE19680590B4

DE19680590B4 - Verfahren zur Herstellung von Beschleunigungssensoren

Info

Publication number: DE19680590B4
Application number: DE19680590T
Authority: DE
Inventors: Horst Dr. Münzel; Michael Dr. Offenberg; Klaus Dr. Heyers; Bernhard Elsner; Markus Lutz; Helmut Dr. Skapa; Heinz-Georg Vossenberg; Nicholas Buchan; Eckhard Graf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-07-21
Filing date: 1996-07-09
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2016-07-10
Also published as: WO1997004319A1; DE19680590D2; JP3989545B2; DE19526691A1; US5937275A; JPH10506717A

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Sensoren, insbesondere von Beschleunigungssensoren, bei dem auf einem Träger (1) mit einer Opferschicht (2) in einer Epitaxieanlage eine Siliziumschicht (4) abgeschieden wird, die über der Opferschicht (2) als Polysiliziumschicht (6) abgeschieden wird, wobei auf die Polysiliziumschicht (6) eine erste Photolackschicht (7) aufgebracht wird, die durch optische Verfahren als Ätzmaske strukturiert wird, wobei in die Polysiliziumschicht (6) durch die Ätzmaske Strukturen (8) eingebracht werden, die sich von der Oberseite der Polysiliziumschicht (6) bis zur Opferschicht (2) erstrecken, und wobei die Opferschicht (2) unter den Strukturen (8) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Polysiliziumschicht (6) vor Aufbringen der ersten Photolackschicht (7) in einem Glättungsprozeß nachbearbeitet wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus der DE 43 18 466 A1 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Sensors bekannt, bei dem ein Träger mit einer Opferschicht verwendet wird. Auf diesem Träger wird in einer Epitaxieanlage eine Siliziumschicht abgeschieden. Über der Opferschicht wächst dabei diese Siliziumschicht als Polysiliziumschicht auf. Als Träger wird ein einkristalliner Siliziumwafer verwendet, so daß das Siliziummaterial in den Bereichen, in denen es einen unmittelbaren Kontakt zum Träger hat, als einkristallines Silizium aufwächst.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine Glättung der Polysiliziumschicht erzielt wird. Durch die Glättung lassen sich die Strukturen für die Sensoren mit besonders großer Präzision in die Polysiliziumschicht einbringen. Es können so qualitativ hochwertige Sensorstrukturen mit großer Präzision gefertigt werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich. Besonders präzis erfolgt die Strukturierung der Polysiliziumschicht durch einen Plasmaätzprozeß. Um die Qualität der Polysiliziumschicht von vornherein zu verbessern, kann eine Polysiliziumstartschicht auf der Opferschicht vorgesehen werden. Durch die Verwendung einer Opferschicht, die die gesamte Oberfläche des Trägers bedeckt, wird ein besonders einfaches Verfahren zur Herstellung von Sensoren angegeben. Bei der Verwendung einer strukturierten Opferschicht können die Sensorstrukturen besonders gut auf der Oberfläche des Trägers verankert werden. Durch die Verwendung von einkristallinem Silizium als Wafer entstehen verankerte Bereiche, die aus einkristallinem Silizium bestehen. Dieses Material weist besonders gute Eigenschaften auf. Durch eine Einebnung der polykristallinen Schicht bis diese mit der einkristallinen Schicht eine Ebene bildet, wird eine besonders hochwertige Oberfläche geschaffen, die sich besonders gut für die weitere Bearbeitung eignet. Insbesondere können dann in der einkristallinen Siliziumschicht elektronische Schaltkreise vorgesehen werden, die mit oberflächlichen oder vergrabenen Leiterbahnen mit den Sensorstrukturen verbindbar sind.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die 1 bis 3 das aus dem Stand der Technik ( DE 43 18 466 A1 ) bekannte Herstellungsverfahren, 4 und 5 den erfindungsgemäßen Ätzschritt, 6 und 7 die Einebnung von Polysiliziumschicht und einkristalliner Siliziumschicht und 8 das Verfahren mit ganzflächiger Opferschicht auf dem Träger. Die 9 bis 12 zeigen einen weiteren verbesserten Glättungsprozeß.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der 1 wird ein Träger 1 gezeigt, auf dem eine Opferschicht 2 aufgebracht ist. Auf der Opferschicht ist eine Polysiliziumstartschicht 3 aufgebracht. Im Folgenden wird davon ausgegangen, daß es sich bei dem Träger 1 um ein einkristallines Siliziumsubstrat handelt. Es sind jedoch auch prinzipiell alle anderen Arten von Trägern aus keramischen Materialien, Glas oder Metall verwendbar. Die hier gezeigte Opferschicht ist nur in einzelnen Bereichen der Oberseite des Trägers 1 vorgesehen. Ebensogut ist es jedoch auch möglich, daß die Opferschicht 2 die gesamte Oberfläche des Trägers 1 bedeckt. Die Polysiliziumstartschicht 3 ist auf der Opferschicht 2 aufgebracht, um die Qualität der nachfolgenden Abscheidung von Silizium zu verbessern. Das Verfahren ist jedoch auch ohne diese Polysiliziumstartschicht durchführbar.
Als Material für die Opferschicht 2 sind alle Materialien denkbar, die sich selektiv gegen Silizium ätzen lassen, insbesondere Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Glas oder Metalle. Die Polysiliziumstartschicht 3 wird vorzugsweise in einem LPCVD-(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)Reaktor abgeschieden, da derartige Abscheidungen auf beliebigen Oberflächen bei niedrigen Temperaturen erfolgen können.
Der Träger nach der 1 wird in eine Epitaxieanlage eingebracht, in der dann eine Siliziumschicht 4 abgeschieden wird. Derartige Epitaxieanlagen sind in der Halbleitertechnik zur Abscheidung von einkristallinen Epitaxieschichten auf einkristallinen Siliziumwafern gebräuchlich. Auf einkristallinen Siliziumwafern wachsen die Schichten als einkristalline Siliziumschichten auf. Wenn andere Träger, die keine einkristallinen Siliziummaterialien sind, verwendet werden, so wird eine Siliziumschicht abgeschieden, die eine polykristalline Struktur aufweist. In 1 wird ein Träger 1 verwendet, der teilweise mit einer Opferschicht 2 bedeckt ist. In den Bereichen, in denen die Schicht 4 unmittelbar in Kontakt mit dem einkristallinen Träger 1 steht, wächst eine einkristalline Siliziumschicht 5 auf. Oberhalb der Opferschicht 2 bzw. der Polysiliziumstartschicht 3 wächst eine polykristalline Siliziumschicht 6 auf. Das Wachstum erfolgt dabei derart, daß sich der polykristalline Bereich 6 noch ein wenig zu beiden Seiten der Opferschicht 2 bzw. der Polysiliziumstartschicht 2 erstreckt. Dies wird in 2 gezeigt.
Nach dem Abscheiden der Siliziumschicht 4 wird eine Photolackschicht 7 aufgebracht und strukturiert. Diese Photolackschicht dient dann als Ätzmaske für einen nachfolgenden Ätzschritt.
In der 3 sind Grabenstrukturen 8 gezeigt, die in die Polysiliziumschicht 6 eingeätzt wurden. Das Einätzen der Grabenstrukturen 8 erfolgt vorzugsweise durch einen Plasmaätzprozeß, da derartige Prozesse besonders tiefe und schmale Gräben erlauben. Nach dem Einätzen der Grabenstrukturen 8 wird die Opferschicht 2 herausgelöst. Dies erfolgt durch einen naßchemischen oder Plasmaätzprozeß. Weiterhin können Dämpfe, beispielsweise Flußsäuredampf, verwendet werden.
Der bisherige zu den 1 bis 3 beschriebene Prozeßablauf ist auch bereits aus der DE 43 18 466 A1 bekannt.
In der 4 wird die Oberfläche der polykristallinen Siliziumschicht 6 in einer Vergrößerung gezeigt. Wie zu erkennen ist, weist die Oberfläche der polykristallinen Siliziumschicht 6 eine grobkörnige Struktur auf, die durch die polykristalline Struktur der Polysiliziumschicht 6 bedingt ist. Die Oberflächenrauhigkeit derartiger Schichten kann in der Größenordnung von einigen Mikrometern liegen. Die aus der 2 bekannte Photolackschicht 7 wird in der Regel durch optische Verfahren strukturiert. Aufgrund der Oberflächenrauhigkeit läßt sich dabei die gewünschte Struktur nicht auf eine definierte Ebene abbilden, und es kommt zum Auftreten von Streulicht. Bei einer rauhen Oberfläche ist somit die Genauigkeit der Strukturierung der Photolackschicht 7 begrenzt. Da für Sensoren, insbesondere Beschleunigungssensoren, Strukturbreiten von einigen Mikrometern verwendet werden, welche auf wenige Zehntel Mikrometer genau gefertigt sein müssen, sollte die Oberflächenrauhigkeit verringert werden.
Dazu wird in der 4 gezeigt, daß in einem Zwischenschritt eine weitere Photolackschicht 9 aufgebracht wird. Es erfolgt dann ein Plasmaätzschritt, wobei für diesen Plasmaätzschritt die Ätzparameter so gewählt werden, daß Polysilizium 6 und Photolack 9 mit gleicher Ätzrate geätzt werden. In der 5 wird ein Zwischenschritt dieses Ätzverfahrens gezeigt. Die glättende Wirkung des Ätzverfahrens beruht darauf, daß der Photolack zunächst als Flüssigkeit aufgebracht wird und so nach dem Härten eine glatte Oberfläche bildet. Da die Ätzrate von Photolack und Polysilizium gleich ist, wird durch das Ätzverfahren diese glatte Oberfläche in das Polysilizium selbst übertragen. Der Glättungsschritt wird an der abgeschiedenen Siliziumschicht vorgenommen, bevor die Photolackschicht 7 für die Ätzgräben 8 aufgebracht wird. Durch die so geglättete Oberfläche der Polysiliziumschicht 6 kann eine besonders genaue Strukturierung der Photolackschicht 7 und somit eine besonders genaue Strukturierung der Ätzgräben 8 erfolgen.
Für die Plasmaätzung ist beispielsweise ein Gasgemisch aus SF₆ und Sauerstoff möglich. Durch das Verhältnis der beiden Ätzgase zueinander können die Ätzraten von Polysilizium und Photolack aneinander angepaßt werden.
In den 9 bis 12 wird ein weiterer verbesserter Glättungsprozeß gezeigt. Ausgegangen wird hierbei von einer extrem grobkörnigen polykristallinen Siliziumschicht 6. Auf diese polykristalline Siliziumschicht 6 wird eine Photolackschicht 9 aufgebracht. Wegen der extremen Unregelmäßigkeit der Polysiliziumschicht 6 weist auch die Photolackschicht 9 eine, wenn auch deutlich geringere und abgerundete, Unregelmäßigkeit der Oberfläche auf. Bei sehr groben Oberflächenrauhigkeiten ist eine solche Photolackoberfläche auch bei Auswahl eines besonders dünnflüssigen Photolacks nicht vollständig zu vermeiden. Dies ist in 9 dargestellt.
Es erfolgt dann ein Plasmaätzschritt, wobei für diesen Plasmaätzschritt die Ätzparameter so gewählt werden, daß Polysilizium 6 und Photolack 9 mit gleicher Ätzrate geätzt werden. In der 10 wird die resultierende Polysiliziumschicht 6 gezeigt. Die Polysiliziumschicht 6 wurde deutlich geglättet, jedoch blieb eine gewisse Restwelligkeit bestehen.
Trotz der verbliebenen Restwelligkeit sind nun schon deutlich verbesserte Grabenstrukturen 8 erzielbar. Eine nochmalige Verbesserung wird jedoch erzielt, indem abermals eine Photolackschicht 9 auf die Polysiliziumschicht 6 aufgebracht wird. Da die auszugleichenden Oberflächenunregelmäßigkeiten klein sind, ist nunmehr die Oberfläche der Photolackschicht 9 planar. Dies ist in 11 gezeigt.
Wiederum erfolgt ein Ätzschritt, wobei die Ätzparameter so gewählt werden, daß Polysilizium 6 und Photolack 9 mit gleicher Ätzrate geätzt werden. In 12 ist die Polysiliziumschicht 6 nach Beendigung dieses Ätzschritts gezeigt. Die nunmehr glatte Oberfläche der Polysiliziumschicht 6 erlaubt eine nochmals verbesserte Strukturierung.
Durch den Zweischritt-Glättungsprozess bietet sich noch die weitere Optimierungsmöglichkeit, die Viskosität und die Oberflächenspannung des Photolacks sowie das Ätzverfahren an die auszugleichende Rauhigkeit anzupassen. So könnte beipielsweise der Photolack für den ersten Glättungsschritt etwas dünnflüssiger gewählt werden, um die größeren Rauhigkeiten auszugleichen.
Eine weitere Möglichkeit zur Glättung der Oberfläche der Polysiliziumschicht 6 besteht in einem chemisch-mechanischen Polierverfahren. Hierzu können Poliereinrichtungen wie sie beispielsweise aus der Metallurgie zum Polieren von Metallschliffen, welche optisch untersucht werden, oder auch der Halbleiterphysik bekannt sind, benutzt werden. Diese Poliereinrichtung weist einen rotierenden Poliertisch auf, welcher mit einer elastischen Polierauflage versehen ist. Die Polierauflage ist mit einem Poliermittel getränkt. Die zu bearbeitende Polysiliziumoberfläche wird auf die Polierauflage gedrückt. Im Gegensatz zu dem seit langem eingesetzten rein mechanischen Polieren enthält das Poliermittel sowohl Polierkörner als auch aktive chemische Zusätze. Zum Geringhalten des Streulichts empfiehlt es sich, Polierkörner mit einem möglichst kleinen Durchmesser zu wählen. Diese chemisch-mechanische Oberflächenbehandlung führt ebenfalls zu einer Oberfläche der Polysiliziumschicht 6, welche in einem nachfolgenden Schritt eine sehr feine Strukturierung erlaubt.
Überraschend ist hierbei, daß auch mikrostrukturierte Bauteile bearbeitet werden können. Zu Beginn des Polierprozesses weist das Bauteil eine Stufe auf, welche einen Angriffspunkt zur Beschädigung beim Polieren bieten könnte. Im weiteren Polierprozeß wird diese jedoch verringert und das Polysilizium wird geglättet. Es bietet sich an, den Polierprozeß zu beenden, bevor die Stufe vollständig eingeebnet ist. Die Oberfläche ist dann glatt genug um die beabsichtigte Verbesserung der optischen Strukturierung zu erreichen, gleichzeitig kann die kleine Stufe als Justiermarke benutzt werden.
In den 6 und 7 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Der Träger 1, die Opferschicht 2, die Polysiliziumstartschicht 3 und die Siliziumschicht 4 mit der einkristallinen Siliziumschicht 5 und der polykristallinen Siliziumschicht 6 entsprechen wieder den Schichten, wie sie bereits aus den 1 bis 3 bekannt sind. Auf die Oberfläche der Siliziumschicht 4 wird jedoch noch eine weitere Maskierungsschicht 10 aufgebracht, die aus einem Material besteht, welches eine besonders geringe Ätzrate im nachfolgenden Glättungsätzen aufweist. Diese Maskierungsschicht 10, die beispielsweise aus Siliziumoxid oder einer dicken Lackschicht bestehen kann, läßt jedoch den polykristallinen Bereich 6 weitgehend frei. Danach wird wieder eine Photolackschicht 9 aufgebracht. Im nachfolgenden Glättungsätzschritt, bei dem die Photolackschicht 9 mit der gleichen Ätzrate wie das Polysiliziummaterial 6 geätzt wird, führt wieder zu einer Glättung des polykristallinen Siliziums 6. Der Prozeß wird jedoch so lange weitergeführt, bis die Polysiliziumschicht 6 eine ebene Oberfläche mit der einkristallinen Siliziumschicht 5 bildet. Dieser Zustand wird in der 7 gezeigt. Die polykristalline Siliziumschicht 6 und die einkristalline Siliziumschicht 5 bilden nun eine gemeinsame ebene Oberfläche. Auf diese Oberfläche können besonders einfach Leiterbahnstrukturen 11 abgeschieden werden, die nun keinerlei Höhenunterschied zwischen diesen beiden Siliziumschichten mehr überwinden müssen. Dieses Verfahren ist daher besonders gut geeignet, wenn in der einkristallinen Siliziumschicht 5 integrierte Halbleiterelemente 12 vorgesehen werden, durch die eine Auswertung der Sensorstruktur in der Polysiliziumschicht 6 vorgenommen werden soll.
In der 8 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Auf einem Träger 1 wird dazu eine die gesamte Oberfläche des Trägers 1 bedeckende Opferschicht 2 aufgebracht. Auf die Opferschicht 2 wird dann in einem Epitaxiereaktor eine Siliziumschicht 4 aufgebracht, die auf der gesamten Oberfläche als polykristalline Schicht 6 aufwächst. Vor dem Abscheiden der Siliziumschicht 4 kann auch, wie in der 8 gezeigt wird, eine polykristalline Startschicht 3 aufgebracht werden. Danach erfolgt dann ein Glättungsschritt, mit dem die Oberflächenrauhigkeit der gesamten Oberfläche der polykristallinen Siliziumschicht 6 geglättet wird. Dieser Glättungsschritt entspricht dem Verfahren, wie es zu den 4 und 5 beschrieben wurde. In einem weiteren Schritt werden dann Grabenstrukturen 8 eingeätzt, die sich von der Oberseite der polykristallinen Siliziumschicht 6 bis zur Opferschicht 2 erstrecken. In einem weiteren Ätzschritt wird dann die Opferschicht 2 unterhalb der eingeätzten Strukturen in der Polysiliziumschicht 6 entfernt. Dieser Ätzschritt der Opferschicht erfolgt, indem durch die geätzten Grabenstrukturen 8 eine Ätzlösung an die Opferschicht 2 herangeführt wird. Diese Ätzlösung löst die Opferschicht 2 auf, wobei ausgehend von den Grabenstrukturen 8 nur langsam eine seitliche Unterätzung unter die polykristalline Siliziumschicht 6 erfolgt. Die Unterätzung wird dann beendet, sobald die Opferschicht 2 unterhalb der eingeätzten Strukturen entfernt ist, jedoch die sonstigen, großflächigeren Bereiche der polykristallinen Schicht 6 noch nicht unterätzt sind. Da bei diesem Verfahren eine Strukturierung der Opferschicht 2 entfällt, ist dieses Verfahren besonders einfach.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Sensoren, insbesondere von Beschleunigungssensoren, bei dem auf einem Träger (1) mit einer Opferschicht (2) in einer Epitaxieanlage eine Siliziumschicht (4) abgeschieden wird, die über der Opferschicht (2) als Polysiliziumschicht (6) abgeschieden wird, wobei auf die Polysiliziumschicht (6) eine erste Photolackschicht (7) aufgebracht wird, die durch optische Verfahren als Ätzmaske strukturiert wird, wobei in die Polysiliziumschicht (6) durch die Ätzmaske Strukturen (8) eingebracht werden, die sich von der Oberseite der Polysiliziumschicht (6) bis zur Opferschicht (2) erstrecken, und wobei die Opferschicht (2) unter den Strukturen (8) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Polysiliziumschicht (6) vor Aufbringen der ersten Photolackschicht (7) in einem Glättungsprozeß nachbearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glättungsprozeß erfolgt, indem ein Photolack (9) aufgebracht wird und ein Ätzprozeß durchgeführt wird, der die Polysiliziumschicht (6) und den Photolack (9) mit in etwa der gleichen Ätzrate ätzt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ätzen des Photolacks (9) eine weitere Schicht Photolack (9) aufgetragen wird und ein weiterer Ätzprozeß durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ätzprozeß als Plasmaätzprozeß durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glättungsprozeß durch chemisch-mechanisches Polieren erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Opferschicht (2) vor der Abscheidung der Siliziumschicht (4) in der Epitaxieanlage eine Polysiliziumstartschicht (3) abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Opferschicht (2) die gesamte Oberfläche des Trägers (1) bedeckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Opferschicht (2) vor dem Abscheiden der Siliziumschicht (4) in der Epitaxieanlage strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) aus einkristallinem Silizium besteht, und daß die Siliziumschicht (4) in den Bereichen, in denen keine Opferschicht (2) vorgesehen ist, als einkristalline Siliziumschicht (5) aufgewachsen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Glättungsschritt der Polysiliziumschicht (6) so lange durchgeführt wird, bis die polykristalline Siliziumschicht (6) und die einkristalline Siliziumschicht (5) eine gemeinsame ebene Oberfläche bilden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der einkristallinen Siliziumschicht (5) elektronische Schaltkreise (12) gebildet werden, und daß auf der gemeinsamen ebenen Oberfläche Leiterbahnen (11) vorgesehen werden, die von den Schaltkreisen (12) bis zur Polysiliziumschicht (6) reichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Glättungsprozeß eine geringe Stufe zwischen Polysiliziumschicht (6) und einkristalliner Siliziumschicht (5) besteht, welche als Justiermarke benutzt wird.