DE19755397A1 - Siliciummikromaschine und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Siliciummikromaschine und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft Siliciummikromaschinen sowie Verfahren zu ihrer Herstellung und insbesondere Verfahren zum Verhindern von Beschädigungen derselben während eines nassen chemischen Siliciumätz- und anodischen Bindungsverfahrens.
Verfahren nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Silicium­ mikromaschinen umfassen anodisches Anbinden mikrobearbeiteten Siliciums an einem Glas- oder Pyrexsubstrat, das Metallüberzüge aufweist. Das ano­ dische Anbinden erfordert das Anlegen einer hohen Spannung an das Glas, was zu dielektrischem Brechen des Glases zwischen dem Silicium und dem Metall (Bogenbildung) führen kann, und zur Beschädigung sowohl des Sili­ ciums als auch des Metalls. Derartige Verfahren nach dem Stand der Technik verwenden auch ein naßchemisches Siliciumfreisetzungsätzverfahren (bei­ spielsweise Mischungen von Essigsäure, Salpetersäure und Fluorwasser­ stoffsäure).
Es ist bekannt, daß dieser Typ des Siliciumätzverfahrens mit Metall verunreinigtes Silicium oder beschädigtes Silicium (beispielsweise durch anodisches Anbinden) mit einer anderen Ätzgeschwindigkeit als Silicium, das nicht beschädigt oder verunreinigt ist, ätzt. Dies führt dazu, daß Vertiefungen oder Löcher in die Mikromaschine geätzt werden, die zu einem Versagen der Mikromaschine durch Brechen führen können.
Erfindungsgemäß wird eine Schutzschicht eingesetzt, um das Silicium während des chemischen Siliciumnaßätzens zu schützen, wodurch die Bildung von Ätzlöchern oder Vertiefungen in der Mikromaschine verhindert wird.
Ein zusätzliches Merkmal der Erfindung ist die Verhinderung des dielek­ trischen Durchschlagens der Luft (oder irgend eines anderen Gases) im Spalt zwischen der Siliciummikromaschine und dem Glas oder Pyrexwafer, an dem sie anodisch befestigt wird, wodurch Beschädigungen des Siliciums verhindert werden. Dies wird erfindungsgemäß durch den Einsatz von Siliciumfußteilen verhindert, die die elektrische Potentialdifferenz zwischen dem Metall auf dem Glassubstrat und dem Silicium eliminieren oder stark reduzieren, wodurch eine Bogenbildung und die entsprechende Beschädigung von Silicium und Metall vermieden wird. Diese Fußteile können nach dem anodischen Anbinden ent­ fernt werden. Bevorzugt werden die Schutzschicht und die Siliciumfußteile ver­ wendet, um sowohl gegen die Bogenbildung als auch gegen Ätzlöcher zu schützen.
Nachfolgend wird die Erfindung detailliert anhand der nachfolgenden Beschreibung sowie der begleitenden Zeichnung näher erläutert, auf die sie jedoch keinesfalls beschränkt ist. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Ansicht eines Querschnittes eines mikrobearbeiteten Siliciu­ melementes nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 eine Ansicht eines Querschnittes eines mikrobearbeiteten Siliciu­ melementes gemäß der Erfindung mit einer das Silicium bedeckenden Schutz­ schicht;
Fig. 3-9 verschiedene Verfahrensschritte bei der Herstellung des erfin­ dungsgemäßen Siliciumelementes;
Fig. 10 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfin­ dung, die besonders wirksam für die Verhinderung von Beschädigungen durch Bogenbildung bei Siliciummikromaschinen während des anodischen Anbindens ist;
Fig. 11 eine Draufsicht auf die in Fig. 10 gezeigte Ausführungsform;
Fig. 12 eine fortentwickelte Ausführungsform der Fig. 3-9, wobei Me­ tallinien zum Siliciumdeich ausgebildet sind, um Beschädigung durch Bogen­ bildung zu verhindern; und
Fig. 13 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die das Silicium­ element sowohl vor der Beschädigung durch Bogenbildung als auch durch Naßätzen schützt.
Aus der Zeichnung und zunächst Fig. 1, ist eine Seitenansicht eines mi­ krobearbeiteten Siliciumelementes nach dem Stand der Technik ersichtlich, eines Strahl-Torsions-Beschleunigsmeßsensors vom kapazitiven Typ, be­ schrieben im US-Patent Nr. 5488864, das an den Anmelder dieser Erfindung übertragen wurde und auf das zur Vermeidung von Wiederholungen in vollem Umfang bezug genommen wird. Das mikrobearbeitete Siliciumelement, allge­ mein mit 10 bezeichnet, umfaßt auf einem Glas- oder Pyrexsubstrat 14 liegen­ de Metallkondensatorplatten oder andere Typen von Metallisierungen 12, so­ wie eine Ätzstoppsiliciumschicht 16. Zwischen den Metallkondensatorplatten 12 und dem Siliciumelement 10 besteht eine große Potentialdifferenz von 100 V-1000 V während des anodischen Anbindungsprozesses, der eingesetzt wird, um das Siliciumelement am Glassubstrat zu befestigen.
Die Ätzstoppschicht 16 (üblicherweise stark dotiertes p-Typ Silicium) wird nach dem anodischen Anbinden in einer Silicium-Naßätzlösung entfernt (einer Mischung von Essigsäure, Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure) um das Siliciumelement 10 freizusetzen. Diese Siliciumätzlösung "dekoriert" jegli­ che Beschädigung des Siliciums, die durch Bogenbildung während des anodi­ schen Anbindens oder andere Mechanismen hervorgerufen wurde, da das be­ schädigte Silicium anders als das unbeschädigte Silicium wegätzt. Es dekoriert auch die Flächen im Siliciumkristallgitter, die durch Fremdmaterialien, wie Me­ talle, verunreinigt sind.
In Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Erfindung ge­ zeigt. Fig. 1 und 2 zeigen den Zustand des Verfahrens, der gerade vor dem nassen Siliciumfreisetzungsätzschritt liegt. Eine Schutzschicht 18 wurde vorge­ sehen, um das Siliciumelement 10 während des nassen Siliciumätzens abzu­ decken, das die Ätzstoppschicht entfernt und das Siliciumelement freisetzt. Diese Schutzschicht 18 hindert das Silicium-Element 10 daran, während des Siliciumfreisetzungs-Naßätzschritts angegriffen zu werden, wobei nicht nur die Ausbildung von Ätzvertiefungen oder Löchern an Stellen, an denen der Silicium­ kristall beschädigt oder verunreinigt ist, sondern auch jegliche Änderung der Form des Elementes oder anderer kritischer Dimensionen, die die mechani­ sche Funktion der Vorrichtung beeinträchtigen könnten, verhindert wird.
Selbstverständlich wird die Ausbildung von Ätzlöchern im Element in nachteili­ ger Weise die Zuverlässigkeit der Vorrichtung beeinflussen, wie Brüche, die während eines Falltests oder während Vibrationstests auftreten können. Nach dem Schritt des Siliciumfreisetzungs-Naßätzens kann die Schutzschicht 18 entfernt werden (beispielsweise könnte eine sie Schicht mit Fluorwasser­ stoffsäure entfernt werden), oder, falls sie nicht die Funktion der Vorrichtung beeinträchtigt, an ihrem Ort verbleiben. Eine andere geeignete Beschichtung ist Siliciumnitrid oder jede andere Schutzschicht 18, die für die Ätzchemikalie undurchlässig ist.
Nachfolgend wird ein Beispiel einer Verfahrensschrittabfolge für diese Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 3-8 beschrie­ ben. Die Strukturauslegung des Beschleunigungsmessers ist in der vorgenann­ ten US-PS 5488864 beschrieben. Der erfindungsgemäße Beschleunigungs­ messer verwendet kein Bordotiertes Element, wie in diesem Patent des Stan­ des der Technik vorgeschlagen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Fußteils 20 beginnt mit einem <100< Silicium-Wafer 22 mit einer P+ Ätzstoppschicht 16 (etwa 1E20 Atome/cm3) und einer epitaxialen n-Typ-Si-Schicht 24 (etwa 2E16 Atome/cm3, Phos­ phor). Das Beschleunigungsmeßelement wird in der obersten Schicht des epitaxialen n-Typ-Si ausgebildet, indem ein Verfahren mit "gelöstem Wafer" verwendet wird. Eine Siliciumnitridschicht wird abgeschieden, ein photolitho­ graphischer Maskierungsschritt durchgeführt, anschließend das Nitrid geätzt, gefolgt durch anisotropes naßchemisches Ätzen des Siliciums, um das in Fig. 3 dargestellte Fußteil 20 auszubilden.
Die Ausbildung des Si-Elementes 10 wird durch Wegätzen der Fußteil- Nitrid-Schicht 22 begonnen. Danach wird eine zweite Nitrid-Abscheidung und ein Photolithographie-Schritt durchgeführt. Das Nitrid wird weggeätzt, der Photoresist gestrippt und ein weiterer anisotroper Naßätzschritt durchgeführt, der die Form des Si-Elementes 10 bestimmt. Das verbleibende Nitrid wird so­ dann, wie in Fig. 4 gezeigt entfernt.
Eine SiO2-Schicht 18 wird auf dem Silicium, wie in Fig. 5 gezeigt aus­ gebildet. Ein Pyrex-Metallisierungsschritt wird, wie in Fig. 6 gezeigt, durchge­ führt, der einen photolithographischen Schritt umfaßt, gefolgt durch Metallver­ dampfung und Entfernen des Resists, um Metall-Kondensatorplatten 28, 30 und 32, Bindungsschichten 34-40 und Verbindungen 42-48 herzustellen.
Der in Fig. 7 dargestellte anodische Bindungsverfahrensschritt befestigt das Si-Substrat 22 am Glassubstrat 14 unter Einsatz hoher Spannung (100 V bis 1000 V) und erhöhter Temperatur (150 bis 500°C).
Wie in Fig. 8 gezeigt, wird ein naßchemisches Ätzverfahren wie mit Mi­ schungen von KOH und Alkohol, eingesetzt, das für hohe Borkonzentrationen selektiv ist (< etwa 5E19 Bor-Atome/cm3). Dieses Ätzen entfernt das meiste Si-Substrat und hinterläßt die p+Ätzstoppschicht 16 über dem Si-Element 10 vom n-Typ.
Fig. 9 zeigt die Struktur nach einem Isotropen Naßätz-Frei­ setzungsverfahren, das die P+-Membran 16 entfernt und das Element 10 freisetzt. Dieses Freisetzungs-Ätzmaterial ist typischerweise eine Mischung von Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure entweder mit Essigsäure oder Wasser. Die Erfindung schafft einen Schutz vor diesem Ätzmaterial durch die Oxid-Schutzschicht 18, wie oben beschrieben. Sie verhindert auch elektro­ chemische Reaktionen zwischen der Metallschicht und dem Si während des Naßätzens. Während des Ätzens kann die Oxidschicht 18 durch Einsatz von Fluorwasserstoffsäure entfernt werden. Unterhalb des Fußteils verbleibt eine Oxidschicht, so daß die Vorrichtung, wie in Fig. 9 gezeigt, erscheint.
Obwohl lediglich ein einzelnes Element dargestellt ist, sind selbstver­ ständlich mehrere Si-Elemente auf dem Substrat 14 angeordnet. Eine Si-Wand (oder Deich) 50 trennt die einzelnen Si-Elemente auf dem Substrat 14.
In den Fig. 10 und 11 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit metallgebundenen Schichten 34, 38 und 40 gezeigt, die die mit dem Si-Element 10 verbundenen Opfer-Silikon-Fußteile 52, 54 und 56 berühren, so daß das Si und die Metallschicht sich während des anodischen Hochspan­ nungs-Bindungsverfahrens auf dem gleichen Potential befinden. Fig. 10 zeigt die Erfindung im anodischen Bindungsverfahrensschritt, wie oben für Fig. 7 beschrieben. Die Opferfußteile 52, 54 und 56 werden nach dem anodischen Binden entfernt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird jegliche Be­ schädigung der Metallschichten 28, 30, 32 oder des Si-Elementes 10 durch dielektrisches Durchschlagen (Bogenbildung) der Luft oder eines anderen Ga­ ses im Spalt vermieden, indem die Metallschichten und das Silicium-Element 10 auf das gleiche Potential gebracht werden. Jedes Verfahren, die Metall­ schicht und das Si so in Kontakt oder in die Nähe zu bringen, daß die Poten­ tialdifferenz zwischen dem Si und dem Metall auf unterhalb der Durchsschlags­ spannung des Luftspalts reduziert wird, schafft diesen Schutz. Eine alternative Ausführungsform ist in Fig. 12 gezeigt, wobei Metallinien 68 und 62 zum Si-Deich 50 aus den Verbindungen 42, 46 und 48 herausragen. Diese Metallinien werden nach dem anodischen Anbinden entfernt. In Fig. 13 ist ein bevorzugtes Verfahren zum Kontaktieren oder Annähern der Si-Fußteile 52, 54, und 56 an die Metallbindungsschichten 34 , 38, und 40 dargestellt. Um Beschädigungen des Silicium-Elementes 10 durch Bogenbildung zu vermeiden, bedeckt eine dünne Isolationsschicht das Si, so daß die Fußteile 52, 54, und 56 die Metall­ bindungsschichten 34, 38 und 40 nicht direkt berühren. Das Oxid sollte dünn genug sein, daß, falls irgendein dielektrisches Durchschlagen bei den Fußtei­ len 52, 54 und 56 auftritt, dieses durch den Isolator und nicht durch den Luftspalt auf das empfindliche Si-Element 10 erfolgt. Außerdem ist, falls das Oxid dünn genug ist, um eine starke kapazitive Kopplung zwischen den Si-Fußteilen und dem Metall zu ermöglichen, die Potentialdifferenz zwischen dem Silicium-Element und dem Metall auf unterhalb der Durchschlagsspannung des Spalts reduziert. Diese bevorzugte Ausführungsform schafft auch einen Schutz vor Si-Naßätz-Lochdefekten, wie vorbeschrieben.
Obwohl die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist dem Fachmann ersichtlich, daß diese keineswegs auf die in dem speziellen Teil der Beschreibung dargestellte Ausführungsform be­ schränkt ist, sondern deren Schutzumfang alleine durch die Ansprüche unter Bezugnahme auf die Beschreibung definiert ist.
Bezugszeichenliste
10
Si-Mikromaschine
14
Substrat (Glas oder Pyrexsubstrat)
12
Metallschicht (Kondensatorplatte)
14
Glassubstrat
16
Ätzstoppschicht (meist stark dotiert)
18
Schutzschicht-SiO2-Schicht
20
Fußteil
22
Si-Wafer
23
Fußteil
28
metallische Kondensatorplatte
30
metallische Kondensatorplatte
32
metallische Kondensatorplatte
34
Bindungsschicht, metallisch
38
Bindungsschicht, metallisch
40
Bindungsschicht, metallisch
42
Verbindung
44
Verbindung
46
Verbindung
48
Verbindung
50
Si-Wand (oder Deich)
52
Opfer-Silikon-Fußteil
54
Opfer-Silikon-Fußteil
56
Opfer-Silikon-Fußteil
62
Metallinie
68
Metallinie

Claims (12)

1. Siliciummikromaschine mit:
einem im wesentlichen ebenen Substrat (14);
mindestens einem durch das Substrat (14) an einem Fußteil-Abschnitt abgestützten Siliciumelement (10) und
einer auf einer Seite des Siliciumelements (10) angeordneten Schutzschicht (18) zum Schutz des selben während eines Freisetzungsätzschrittes.
2. Mikromaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (18) SiO2 ist.
3. Mikromaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (14) Glas ist und ein Ätzstopp auf der anderen Seite des Siliciumelements (10) vorgesehen ist.
4. Siliciummikromaschine mit:
einem im wesentlichen ebenen Substrat (14);
einem Siliciumelement (10) mit einem integralen Fußteilabschnitt (20, 23), das auf einer Seite durch das Substrat (14) an einem Fußabschnitt abgestützt ist;
mindestens einem auf dem Substrat (14) aufgebrannten metallisch leitenden Muster, und
Mitteln zur Verringerung der Potentialdifferenz zwischen dem metallisch leitenden Muster und dem Siliciumelement (10) während des anodischen Verbindens des Fußteils (20) mit dem Substrat (14).
5. Siliciummikromaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Verringerung der Potentialdifferenz mindestens ein Siliciumfußteil (20) aufweist, das integral mit dem Siliciumelement (10) und getrennt von diesem angeordnet ist sowie in Nachbarschaft zum metallisch leitenden Muster.
6. Siliciummikromaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Muster erste und zweite Metallkondensatorplatten (28, 30, 32) aufweist, die auf dem Substrat (14) angeordnet sind;
das Mittel zum Verringern der Potentialdifferenz erste und zweite Siliciumopferfußteile (52, 54, 56) aufweist, die einstückig mit und getrennt vom Siliciumelement (10) sind; wobei eine Oberfläche jedes ersten und zweiten Fußteils (52, 54, 56) neben den ersten und zweiten entsprechenden Kondensatorplatten (28, 30, 32) liegt; und
eine Siliciumätzstoppschicht (16) die andere Seite jedes Fußteils und die andere Seite des Siliciumelements (10) berührt.
7. Mikromaschine nach Anspruch 6, ferner gekennzeichnet durch eine Schutzschicht (18), die sich zwischen dem Substrat (14), dem Fußteilabschnitt (20) des Siliciumelementes (10) und den Opferfußteilen (52, 54, 56) erstreckt.
8. Verfahren zum Herstellen einer Silicium-Mikromaschine mit den Schritten:
  • - Ausbilden eines Siliciumsubstrats mit einer unteren Siliciumschicht, die von einer oberen epitaxialen Siliciumschicht durch eine Siliciumätzstoppschicht getrennt ist;
  • - Definieren eines Siliciumelements mit einem Fußteilabschnitt in der oberen Schicht;
  • - Ausbilden einer Schutzschicht auf der freien oberen Oberfläche des Siliciumelements
  • - Entfernen der unteren Schicht durch ein chemisches Naß-Ätzverfahren unter Zurückbleiben der Ätzstoppschicht; und
  • - Entfernen der Ätzstoppschicht unter Freisetzung des Siliciumelementes durch isotropes Naßätzen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner gekennzeichnet durch:
Entfernen freigelegter Abschnitte der Schutzschicht vom Siliciumelement.
10. Verfahren nach Anspruch 8, ferner gekennzeichnet durch:
Anodisches Anbinden eines Glassubstrates am Fußteilabschnitt des Siliciumelementes.
11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Entfernen freigelegter Abschnitte der Schutzschicht vom Siliciumelement.
12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumsubstrat (14) ein n-Typ- und die Ätzstoppschicht P+ epitaxiales Silicium ist.
DE19755397A 1997-02-07 1997-12-12 Siliciummikromaschine und Verfahren zu ihrer Herstellung Withdrawn DE19755397A1 (de)

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