DE19820756C1

DE19820756C1 - Perforiertes Werkstück und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE19820756C1
Application number: DE19820756A
Authority: DE
Inventors: Volker Lehmann; Hans Reisinger; Hermann Wendt; Reinhard Stengl; Gerrit Lange; Stefan Ottow
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-05-08
Filing date: 1998-05-08
Publication date: 1999-11-11
Anticipated expiration: 2018-05-09
Also published as: US6558770B1; TW552322B; DE59906526D1; EP1084285A1; WO1999058746A1; KR20010052320A; JP2002514689A; EP1084285B1

Abstract

Ein Substrat aus Silizium weist einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich auf. In dem ersten Bereich sind durchgehende Poren vorgesehen. In dem zweiten Bereich sind Poren vorgesehen, die das Substrat nicht durchqueren. Die Herstellung des Werkstücks erfolgt mit Hilfe elektrochemischen Ätzens der Poren, Bedecken der gesamten Oberfläche des Substrats mit einer Maskenschicht, die auf der Rückseite des Substrats photolithographisch strukturiert wird und durch Freiätzen der Böden der Poren im zweiten Bereich, vorzugsweise mit KOH.

Description

Für verschiedene technische Anwendungen werden perforierte Werkstücke, insbesondere als preiswerte optische oder mecha nische Filter mit Porendurchmessern im Mikrometer- oder Submi krometer-Bereich benötigt. Solche Anwendungen sind unter an derem isoporöse Membranen, rückspülbare Filter, Laminisato ren, Katalysatorträger, Reagenzienträger, Elektroden für Bat terien und Brennstoffzellen, Düsenplatten, Röhrengitter oder Filter für elektromagnetische Wellen wie zum Beispiel Licht oder Mikrowellen.

Aus DE 42 02 454 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines perforierten Werkstückes bekannt, mit dem Porendurchmesser in diesem Bereich herstellbar sind. Bei diesem Verfahren wird in einer ersten Oberfläche eine Substratscheibe aus n-dotiertem einkristallinem Silizium durch elektrochemisches Ätzen Löcher senkrecht zur ersten Oberflächen gebildet, so daß eine struk turierte Schicht entsteht. Das elektrochemische Ätzen erfolgt in einem fluoridhaltigen Elektrolyten, in dem das Substrat als Anode verschaltet ist. Bei Erreichen einer Tiefe der Lö cher, die im wesentlichen der Dicke des fertigen Werkstücks entspricht, werden die Prozeßparameter so geändert, daß der Querschnitt der Löcher wächst und die strukturierte Schicht als Plättchen, aus dem das Werkstück gebildet wird, abgelöst wird.

Da zur Herstellung erforderlich ist, daß benachbarte Löcher zusammenwachsen, entspricht die Form des hergestellten perfo rierten Werkstücks der Form der Substratscheibe. Das perfo rierte Werkstück ist dabei durchgehend bis zum Rand mit Poren durchsetzt. Dadurch wird die mechanische Festigkeit des per forierten Werkstücks begrenzt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein perforiertes Werkstück sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzuge ben, das eine erhöhte mechanische Festigkeit aufweist.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch ein perfo riertes Werkstück gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß Anspruch 4. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Ansprüchen hervor.

Das Werkstück weist ein Substrat aus Silizium auf, in dem ein erster Bereich und ein zweiter Bereich vorgesehen sind. In dem ersten Bereich durchqueren Poren das Substrat von einer ersten Hauptfläche zu einer zweiten Hauptfläche. In dem er sten Bereich ist das Werkstück perforiert. In einem zweiten Bereich sind Poren vorgesehen, die ausgehend von der ersten Hauptfläche sich in das Substrat hinein erstrecken, das Substrat jedoch nicht durchqueren. Dadurch ist unterhalb der Poren in dem zweiten Bereich massives Substratmaterial vor handen, das die Stabilität des perforierten Werkstücks er höht. Dadurch ist das perforierte Werkstück mit geringerer Gefahr der Zerstörung montierbar.

Die Dicke des Substrats in Richtung der Tiefe der Poren ist vorzugsweise in dem zweiten Bereich größer als in dem ersten Bereich.

Durch Vorsehen mehrerer erster Bereiche lassen sich insbeson dere für die Anwendung als Katalysator oder Reagenzienträger verschiedene Filterbereiche definieren.

Für die Montage des perforierten Werkstücks ist es vorteil haft, den zweiten Bereich ringförmig vorzusehen und den er sten Bereich innerhalb des zweiten Bereichs anzuordnen. In diesem Fall wirkt der massive Rand im zweiten Bereich als Rahmen für das perforiert Werkstück.

Vorzugsweise wird das perforierte Werkstück unter Verwendung elektrochemischen Ätzens hergestellt. Dazu werden in einer ersten Hauptfläche eines Substrats aus Silizium durch elek trochemisches Ätzen Poren erzeugt, deren Tiefe geringer als die Dicke des Substrats ist. Die erste Hauptfläche und die Oberfläche der Poren sowie eine zweite Hauptfläche, die der ersten Hauptfläche gegenüberliegt wird mit einer Masken schicht versehen. Die Maskenschicht wird im Bereich der zwei ten Hauptfläche so strukturiert, daß die zweite Hauptfläche in dem ersten Bereich freigelegt wird. Unter Verwendung einer strukturierten Maskenschicht als Ätzmaske wird das Substrat anschließend im Bereich der freigelegten zweiten Hauptfläche mindestens bis zum Boden der Poren geätzt. Anschließend wird die Maskenschicht entfernt, so daß die im ersten Bereich an geordneten Poren das Substrat von der ersten Hauptfläche zur zweiten Hauptfläche durchqueren.

Die Maskenschicht wird vorzugsweise aus Si₃N₄ oder SiO₂ ge bildet.

Das Ätzen des Substrats zur Bildung der durchgehenden Poren im ersten Bereich erfolgt vorzugsweise mit KOH. Dadurch er gibt sich für den zweiten Bereich im Bereich der zweiten Hauptfläche ein Randbereich mit einer Oberfläche mit einer <111<-Orientierung.

Die elektrochemische Ätzung erfolgt vorzugsweise in einem fluoridhaltigen, sauren Elektrolyten, wobei das Substrat als Anode einer Elektrolysierzelle verschaltet ist. Da das Substrat als Anode geschaltet ist, bewegen sich Minoritätsla dungsträger in dem Silizium zu der mit dem Elektrolyten in Kontakt stehenden ersten Hauptfläche. Dort bildet sich eine Raumladungszone aus. Da die Feldstärke im Bereich von Vertie fungen in einer Oberfläche stets größer ist als außerhalb da von, bewegen sich die Minoritätsladungsträger bevorzugt zu solchen Vertiefungen, die mit statistischer Verteilung in je der Oberfläche vorhanden sind. Dadurch kommt es zu einer Strukturierung der ersten Hauptfläche. Je tiefer eine anfäng lich kleine Unebenheit durch die Ätzung wird, desto mehr Mi noritätsladungsträger bewegen sich wegen der vergrößerten Feldstärke dorthin und desto stärker wird der Ätzangriff an dieser Stelle. Die Löcher wachsen im Substrat in der kristal lographischen <100<-Richtung.

Vorzugsweise wird ein Elektrolyt mit einer Konzentration zwi schen 2 Gewichtsprozent HF und 10 Gewichtsprozent HF verwen det. Bei der elektrochemischen Ätzung wird dann eine Spannung zwischen 1,5 Volt und 3 Volt angelegt. Dadurch ergeben sich Poren 20 µm. Bei einer Substrate Dotierung von 5 Ωcm be trägt der Durchmesser der Löcher vorzugsweise 2 µm.

Zur Einstellung der Stromdichte im Substrat ist es vorteil haft, die zweite Hauptfläche des Substrats beim elektrochemi schen Ätzen zu beleuchten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spiels, das in den Figuren dargestellt ist, näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Substrat, das von einer ersten Hauptfläche ausgehende Poren aufweist.

Fig. 2 zeigt den Schnitt durch das Substrat nach Strukturie rung einer Maskenschicht zur Definition von ersten Bereichen und zweiten Bereichen.

Fig. 3 zeigt den Schnitt durch das Substrat nach Ätzung des Substrates bis zum Boden der Poren.

Fig. 4 zeigt den Schnitt durch das Substrat nach Entfernen der Maskenschicht.

Fig. 5 zeigt eine Aufsicht auf das in Fig. 4 dargestellte Werkstück.

Ein Substrat 1 aus n-dotiertem, einkristallinem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 5 Ohm cm ist an einer er sten Hauptfläche 2 mit einer Oberflächentopologie versehen. Die Oberflächentopologie umfaßt in regelmäßigen Abständen an geordnete Vertiefungen, die unter Verwendung photolithogra phischer Prozeßschritte durch eine alkalische Ätzung herge stellt werden. Alternativ kann die Oberflächentopologie durch lichtinduzierte, elektrochemische Ätzung gebildet werden.

Die erste Hauptfläche 2 des Substrats 1 wird mit einem flu oridhaltigen, sauren Elektrolyten in Kontakt gebracht. Der Elektrolyt weist eine Flußsäurekonzentration von 2 bis 10 Ge wichtsprozent, vorzugsweise 5 Gewichtsprozent auf. Dem Elek trolyten kann ein Oxidationsmittel, zum Beispiel Wasserstoff superoxid, zugesetzt werden, um die Entwicklung von Wasser stoffbläschen auf der ersten Hauptfläche 2 des Substrats 1 zu unterdrücken.

Das Substrat 1 wird als Anode verschaltet. Zwischen das Substrat 1 und den Elektrolyten wird eine Spannung von 1,5 bis 5 Volt, vorzugsweise 3 Volt, angelegt. Das Substrat 1 wird von einer zweiten Hauptfläche 3, die der ersten Hauptfläche 2 gegenüberliegt, her mit Licht beleuchtet, so daß eine Stromdichte von 10 mA pro cm² eingestellt wird. Aus gehend von den Vertiefungen werden bei der elektrochemischen Ätzung Poren 4 erzeugt, die senkrecht zur ersten Hauptfläche 2 verlaufen (siehe Fig. 1). Nach einer Ätzzeit von 4,5 Stun den erreichen die Poren 4 eine Tiefe von 300 µm gemessen von der ersten Hauptfläche 2 in Richtung der Porentiefe und einen Durchmesser von 2 µm. Der Abstand benachbarter Poren 4 be trägt 4 µm.

Durch CVD-Abscheidung wird eine Maskenschicht 5 aus Silizium nitrid in einer Dicke von 100 nm gebildet. Die Maskenschicht 5 bedeckt sowohl die erste Hauptfläche 2 als auch die zweite Hauptfläche 3 als auch die Oberfläche der Poren 4.

Mit Hilfe einer photolithographisch erzeugten Maske (nicht dargestellt) und einer Plasmaätzung mit CF₄, O₂ wird die Mas kenschicht 5 im Bereich der zweiten Hauptfläche 3 struktu riert (siehe Fig. 2). Dadurch werden erste Bereiche 6 und zweite Bereiche 7 definiert. In den ersten Bereichen 6 wird die zweite Hauptfläche 3 freigelegt. In den zweiten Bereichen 7 ist die zweite Hauptfläche 3 von der Maskenschicht 5 wei terhin bedeckt. Die erste Hauptfläche 2 und die Oberfläche der Poren 4 ist ebenfalls von der Maskenschicht 5 vollständig bedeckt.

Durch eine Ätzung mit KOH mit einer Konzentration von 50 Ge wichtsprozent wird anschließend das Substrat 1 mindestens bis zum Boden der Poren 4 geätzt. Die Ätzung des Substrats 1 er folgt bis in eine Tiefe gemessen von der zweiten Hauptfläche 3 von 350 µm bei einer Substratdicke von 625 µm. Dadurch wird in den ersten Bereichen 6 im Bereich des Bodens der Poren 4 die Oberfläche der Maskenschicht 5 freigelegt (siehe Fig. 3). Bei der Ätzung mit KOH erfolgt der Ätzangriff entlang kristallographischen Vorzugsrichtungen, so daß sich am Rand der zweiten Bereiche 7 Randbereiche 71 bilden, die eine Ober fläche mit <111<-Orientierung aufweisen.

Durch Entfernen der Maskenschicht 5 mit 50 Gewichtsprozent HF entsteht ein perforiertes Werkstück, das in den ersten Berei chen 6 durchgehende Poren 4 aufweist (siehe Fig. 4). Dem er sten Bereich 6 benachbart sind die zweiten Bereiche 7, in de nen die Poren das Substrat 1 nicht durchqueren. Die zweiten Bereiche 7 geben dem perforierten Werkstück Stabilität.

In unterschiedlichen Bereichen des perforierten Werkstücks weisen die ersten Bereiche 6 unterschiedliche Formen auf (siehe Aufsicht in Fig. 5). Die ersten Bereiche 6 können großflächig, zum Beispiel rechteckig oder quadratisch, mit einer Vielzahl von Poren, länglich mit einer Reihe Poren oder quadratisch mit nur einer Pore gestaltet sein. Der erste Be reich 6 ist dabei bedingt durch die Ätzung mit KOH zur Frei legung der Böden der Poren 4 im ersten Bereich 6 von dem Randbereich 71 eines der zweiten Bereiche 7 umgeben. Die geo metrische Form der zweiten Bereiche 7 wird entsprechend den Anforderungen an die Stabilität gewählt. Sie entspricht ins besondere Stegen, einem Gitter, einzelnen Fenstern, einem Ritzrahmen oder Identifizierungsmerkmalen.

Die Maskenschicht 5 kann alternativ durch thermische Oxidati on aus SiO₂ gebildet werden.

Claims

1. Perforiertes Werkstück,

1. bei dem ein Substrat (1) aus Silizium, das einen ersten Be reich (6) und einen zweiten Bereich (7) aufweist, vorgese hen ist,
2. bei dem in dem ersten Bereich (6) Poren (4) vorgesehen sind, die das Substrat (1) von einer ersten Hauptfläche (2) zu einer zweiten Hauptfläche (3) durchqueren,
3. bei dem in dem zweiten Bereich (7) Poren vorgesehen sind, die sich ausgehend von der ersten Hauptfläche (2) in das Substrat (1) hinein erstrecken, das Substrat (1) jedoch nicht durchqueren.

2. Werkstück nach Anspruch 1, bei dem der zweite Bereich (7) im Bereich der zweiten Hauptfläche (3) einen Randbereich (71) mit einer Oberfläche mit <111<-Orientierung aufweist.

3. Werkstück nach Anspruch 1 oder 2,

1. bei dem die Tiefe der Poren (4) im ersten Bereich (6) und im zweiten Bereich (7) im wesentlichen gleich ist,
2. bei dem das Substrat (1) in dem zweiten Bereich (7) in Richtung der Porentiefe dicker ist als in dem ersten Be reich (6).

4. Verfahren zur Herstellung eines perforierten Werkstücks,

1. bei dem in einer ersten Hauptfläche (2) eines Substrats (1) aus Silizium durch elektrochemisches Ätzen Poren (4) er zeugt werden, deren Tiefe geringer als die Dicke des Substrats (1) ist,
2. bei dem die erste Hauptfläche (2), die Oberfläche der Poren (4) und eine der ersten Hauptfläche (2) gegenüberliegende zweite Hauptfläche (3) mit einer Maskenschicht (5) versehen wird,
3. bei dem die Maskenschicht (5) im Bereich der zweiten Hauptfläche (3) so strukturiert wird, daß die zweite Hauptfläche (3) in einem ersten Bereich (6) freigelegt wird,
4. bei dem unter Verwendung der strukturierten Maskenschicht als Ätzmaske das Substrat (1) mindestens bis zum Boden der Poren (4) geätzt wird,
5. bei dem die Maskenschicht (5) entfernt wird, so daß die im ersten Bereich (6) angeordneten Poren (4) das Substrat (1) von der ersten Hauptfläche (2) zur zweiten Hauptfläche (3) durchqueren.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Maskenschicht (5) aus Si₃N₄ gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem das Ätzen des Substrats (1) mit KOH erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die elektrochemische Ätzung in einem fluoridhaltigen, sauren Elektrolyten erfolgt, wobei das Substrat als Anode ei ner Elektrolysierzelle verschaltet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7,

1. bei dem ein fluroidhaltiger, saurer Elektrolyt verwendet wird mit einer Konzentration zwischen 2 Gewichtsprozent Flußsäure und 10 Gewichtsprozent Flußsäure,
2. bei dem beim elektrochemischen Ätzen eine Spannung zwischen 1,5 Volt und 3 Volt angelegt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem die zweite Hauptfläche (3) des Substrats (1) beim elektrochemischen Ätzen zur Einstellung der Stromdichte im Substrat (1) beleuchtet wird.