DE4106287A1

DE4106287A1 - Verfahren zum anisotropen aetzen von monokristallinen, scheibenfoermigen traegern

Info

Publication number: DE4106287A1
Application number: DE4106287A
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl Ing Findler; Hans-Peter Trah
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-10-25
Filing date: 1991-02-28
Publication date: 1992-04-30
Also published as: JPH04280984A; US5282926A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum anisotropen Ätzen von monokristallinen, scheibenförmigen Trägern nach der Gattung des Hauptanspruchs.

In "The Fabrication of High Precision Nozzles by the Anisotropic Etching of (100) Silicon" von E. Bassous und E.F. Baran veröffent licht im Journal of Electrochemical Society, August 1978 wird ein Verfahren zur Herstellung von in einem Raster angeordneten Düsen mit quadratischen Ausgangsöffnungen für Tintenstrahldrucker beschrieben. Die Düsen werden durch anisotropes Ätzen von Durchgangslöchern in einem monokristallinen Siliziumwafer mit (100)-Kristallorientierung erzeugt. Dazu wird ausgehend von quadratischen Öffnungen in der Ätzmaske, deren Kanten parallel zu zwei in der (100)-Waferoberfläche liegenden, aufeinander senkrecht stehenden (110)-Richtungen aus gerichtet sind, einseitig in den Wafer eingeätzt. Dabei bilden sich pyramidenartige Ätzvertiefungen aus, deren seitliche Begrenzungs wände (111)-Kristallorientierung haben. Diese Kristallebenen sind gegen die (100)-Waferoberfläche um ca. 54,74° geneigt. Die quadra tischen Öffnungen in der Maskierschicht sind entsprechend der Dicke des Wafers und diesem Neigungswinkel der (111)-Kristallebenen gegen die (100)-Kristallebenen so dimensioniert, daß bei ausreichend langer Einwirkung der ansisotropen Ätze der Siliziumwafer voll ständig durchgeätzt wird und sich auf der Unterseite des Wafers quadratische Austrittsöffnungen bilden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sich die Packungs dichte von in einem Raster angeordneten Löchern durch Ausnutzen der Anisotropieeigenschaften des Trägermaterials und durch gezieltes Unterätzen der Maskierschicht erhöhen läßt. Das Verfahren läßt sich außerdem vorteilhaft bei der Herstellung von Membranen anwenden. Auch für die Strukturierung von nur einem Durchgangsloch oder nur einer Membran ist das erfindungsgemäße Verfahren von Vorteil, da dabei vergleichsweise wenig Nutzfläche des monokristallinen Trägers, nämlich die Oberfläche, auf die beispielsweise elektronische Schaltungselemente aufgebracht werden, verloren geht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Ver fahrens möglich. Als günstig erweist es sich, die Öffnungen in der Maskierschicht so anzuordnen, daß beim Einätzen durch die Öffnungen je Öffnung eine Ausnehmung im Träger entsteht und daß die Aus nehmungen bis zum Ende des Ätzprozesses nicht beim Unterätzen der Maskierschicht ineinander übergehen. Dadurch läßt sich auf einfache Weise die Form der beim Ätzen erzeugten Ausnehmungen im Träger bestimmen. Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auf monokristalline Siliziumwafer mit (100)-Kristall orientierung anwenden. Insbesondere bei der Strukturierung von Membranen ist es vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren auf monokristalline Siliziumwafer anzuwenden, die mindestens zwei Schichten aufweisen, zwischen denen ein Dotierungsübergang, wie zum Beispiel ein pn-Übergang oder ein pp⁺-Übergang, besteht. Die Ver wendung des Dotierungsübergangs als Ätzstopgrenze für die Tiefen ätzung ist besonders vorteilhaft, da dadurch eine Entkopplung der vertikalen und der lateralen Ätztiefe erreicht wird. Im Gegensatz zur Größe der Membran, die über die Dauer der Ätzeinwirkung bestimmt wird (laterale Ätztiefe), hängt die Dicke der entstehenden Membranen von den Schichtdicken des Siliziumwafers bzw. der Tiefe ab, in der sich der Dotierungsübergang befindet. Zur Erhöhung der Packungs dichte von Lochplatten mit rechteckigen Austrittslöchern oder Arrays mit rechteckigen Membranen in (100)-Silizium ist es vorteilhaft, sechseckige Öffnungen in die Maskierschicht einzubringen, wobei jeweils zwei parallele Kanten der Öffnungen parallel zu einer in der (100)-Waferoberfläche liegenden (100)-Richtung orientiert sind und die übrigen vier Kanten jeder Öffnung parallel zu zwei aufeinander senkrecht stehenden, in der (100)-Waferoberfläche liegenden (110)-Richtungen orientiert sind.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1a ein erfindungsgemäßes Ätzschema für einen (100)-Siliziumwafer, die Fig. 1b einen Schnitt durch einen (100)-Siliziumwafer, der nach einem Ätzschema entsprechend Fig. 1a geätzt ist, und zum Vergleich Fig. 2 ein weiteres Ätzschema für (100)-Siliziumwafer nach dem Stand der Technik.

Beschreibung der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auf einfache Weise in einem Träger Ausnehmungen oder Durchgangslöcher erzeugen. Eine mögliche Anwendung stellt die Erzeugung von in einem Raster angeord neten Strukturelementen, wie beispielsweise Durchgangslöcher oder Membranen, mit gleichen geometrischen Abmessungen dar. Dabei ist es oft wichtig, die Packungsdichte zu erhöhen, bzw. die Fläche des Trägers, die anderweitig, z. B. zum Aufbringen von elektronischen Schaltungselementen, genutzt werden kann, so wenig wie möglich zu reduzieren. Als Träger wird ein monokristallines, scheibenförmiges Substrat verwendet. Die Strukturierung dieses Trägers erfolgt durch anisotropes Ätzen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich beson ders für die Strukturierung von Siliziumwafern mit (100)-Kristall orientierung. Diese können beispielsweise undotiert oder gleichmäßig dotiert sein. Zur Erzeugung bestimmter Strukturelemente, wie z. B. Membranen, ist es jedoch vorteilhaft, Siliziumwafer zu verwenden, die zwei unterschiedlich dotierte Schichten aufweisen, so daß zwischen den Schichten ein Dotierungsübergang, wie z. B. ein pn-Übergang oder ein pp⁺-Übergang, besteht. Dieser Dotierungsüber gang wird als Ätzstopgrenze für die Tiefenätzung verwendet, so daß die Tiefe der Ätzausnehmungen bzw. die Dicke der zu erzeugenden Membranen in diesem Fall unabhängig von der Dauer der Ätzeinwirkung ist. Gegenstand der Erfindung ist es, bei der Strukturierung der Ätzmaske die kristallographischen Anisotropieeigenschaften des Trägers zu berücksichtigen und eine gezielte Unterätzung der Maskierschicht vorzusehen.

Beispielhaft wird hier ein Verfahren zur Erzeugung von Lochplatten aus (100)-Siliziumwafern beschrieben und mit einem Verfahren nach dem Stand der Technik verglichen. In den Fig. 1a und 2 sind zwei unterschiedliche Ätzschemata für diesen Fall dargestellt. Mit den Pfeilen in der linken oberen Ecke der Fig. 1a und 2 sind die Kristallorientierungen des Siliziumwafers bezeichnet, da es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich auf die Orientierung der Öffnungen in der Maskierschicht bezüglich der Kristallorientierungen des Trägers ankommt. Um den Platzbedarf der beiden Schemata bei gleicher Austrittsöffnungsform und Anzahl der Austrittsöffnungen 30 vergleichen zu können, sind jeweils Schemata mit zwölf quadratischen Austrittsöffnungen 30 dargestellt. Zum anisotropen Ätzen von Durch gangslöchern in (100)-Silizium wird entsprechend dem Stand der Technik von Ätzmasken gemäß Abb. 2 ausgegangen. Mit 20 sind die Ätzmaskenöffnungen bezeichnet. Aufgrund der kristallographischen Winkel zwischen der (100)-Siliziumwaferoberfläche und den stabilen, ätzbegrenzenden (111)-Kristallebenen von ca. 54,74° müssen die Ätzmaskenöffnungen je nach gewünschter Tiefe der Ausnehmungen bzw. je nach Dicke des Siliziumwafers, wenn Durchgangslöcher geätzt werden sollen, ausreichend groß gewählt werden. In Fig. 2 sind quadratische Ätzmaskenöffnungen gewählt worden, deren Kanten parallel zu zwei in der (100)-Waferebene liegenden, senkrecht aufeinanderstehenden (110)-Richtungen orientiert sind. Die quadra tischen Ätzmaskenöffnungen müssen je nach Dicke des Siliziumwafers größer als die Austrittsöffnungen 30 gewählt werden. Beim Einätzen durch die Ätzmaskenöffnungen 20 bilden sich pyramidenförmige Aus nehmungen aus, deren Grundflächen immer während des gesamten Ätz prozesses quadratisch sind. Eine gezielte Unterätzung der Maskier schicht tritt nicht auf, da die Orientierung der Ätzmaskenöffnungen 20 so gewählt ist, daß sich sofort (111)-Kristallebenen als seit liche Begrenzungswände der Ätzausnehmungen bilden.

Will man die Packungsdichte der Durchgangslöcher erhöhen, so kann vorteilhaft die Tatsache ausgenützt werden, daß bei entsprechender Gestalt und Orientierung der Ätzmaske durch gezielte Unterätzung derselben im Design Platz gespart werden kann. Da die Ätzrate in allen (100)-Richtungen gleich groß ist, wird bei Orientierung der Ätzmaske entlang der (100)-Richtungen die Unterätzung der Maskier schicht gerade so groß wie die Ätztiefe. In Fig. 1a ist ein solches Ätzschema dargestellt. Die Ätzmaskenöffnungen 20 sind sechseckig und praktisch Segmente der in Fig. 2 dargestellten quadratischen Ätz maskenöffnungen entlang der Diagonalen dieser Quadrate. Das heißt, daß zwei parallele Kanten der sechseckigen Ätzmaskenöffnungen 20 parallel zu einer (100)-Richtung, die in der (100)-Waferoberfläche liegt, ausgerichtet sind. Die übrigen vier Kanten der Ätzmasken öffnungen 20 sind wie in Fig. 2 parallel zu zwei aufeinander senk recht stehenden, in der (100)-Waferoberfläche liegenden (110)-Rich tungen orientiert. Mit 40 ist die Maskenunterätzung bezeichnet. Bei der dargestellten Orientierung und Dimensionierung der Ätzmasken- Öffnungen bilden sich also durch anistropes Einätzen sechseckige Ausnehmungen aus, die nur auf vier Seiten von ätzbegrenzenden (111)-Ebenen begrenzt sind, die jeweils paarweise einen rechten Winkel einschließen. Die verbleibenden zwei Seitenwände der Aus nehmungen sind durch die Dauer der Ätzeinwirkung definiert. Auf diese Weise kann bezüglich eines in Fig. 2 dargestellten Ätzschemas eine Platzersparnis von ca. 11% erzielt werden.

In Fig. 1b ist ein Schnitt durch einen (100)-Siliziumwafer 50 dar gestellt, der nach einem Ätzschema entsprechend Fig. 1a anisotrop geätzt ist. Der Schnitt verläuft entlang der Achse I. Der Silizium wafer 50 in diesem Beispiel weist nicht überall dieselbe Dicke auf; er wird aus einer ersten Schicht 51 gebildet, auf die eine zweite Schicht 52 mit definierter Dicke aufgebracht ist. Die beiden Schichten 51, 52 weisen unterschiedliche Dotierungen auf, so daß zwischen ihnen ein Dotierungsübergang, wie zum Beispiel ein pn- oder ein pp⁺-Übergang, besteht. Dieser wurde in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Ätzstopgrenze für die Tiefenätzung benutzt, wodurch die laterale Ätztiefe unabhängig von der vertikalen Ätztiefe wird. Dadurch wurden Membranen 56 mit definierter Dicke und gleichem Durchmesser erzeugt, obwohl der Siliziumwafer 50 keine einheitliche Dicke aufweist. Die Dicke der Membranen ist bei Verwendung eines Dotierungsüberganges als Ätzstopgrenze weitgehend unabhängig von der Dauer der Ätzeinwirkung und entspricht der Dicke der zweiten Schicht 52. Die Größe bzw. der Durchmesser a der Membranen hingegen hängt entscheidend von der Dauer der Ätzeinwirkung ab. Da bei dem er findungsgemäßen Verfahren die laterale Ätztiefe von der vertikalen Ätztiefe entkoppelt ist, können auch in Siliziumwafern mit nicht einheitlicher Dicke mehrere Strukturen mit gleicher Dicke und gleichem Durchmesser erzeugt werden.

Die Ausnutzung der Anisotropieeigenschaften von monokristallinen Trägersubstraten zur Erzeugung von Strukturelementen bei der Orien tierung und Dimensionierung bzw. Strukturierung von Ätzmasken für anisotropes Ätzen, in dem die Ätzmaske gezielt unterätzt wird, beschränkt sich nicht nur auf die Anwendung bei monokristallinen Siliziumwafern mit (100)-Kristallorientierung sondern schließt auch solche monokristallinen Substrate ein, deren Anisotropieeigen schaften sich bei Ätzprozessen ausnutzen lassen.

Claims

1. Verfahren zum anisotropen Ätzen von Ausnehmungen in einem mono kristallinen, scheibenförmigen Träger zum Erzeugen von Struktur elementen, wie Membranen oder Durchgangsöffnungen, bei dem eine Maskierschicht auf eine erste Oberfläche des Trägers aufgebracht wird, die Maskierschicht strukturiert wird, indem mindestens eine Öffnung in die Maskierschicht eingebracht wird und bei dem eine anisotrope Ätze durch die mindestens eine Öffnung in der Maskier schicht auf den Träger einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionierung der mindestens einen Öffnung (20) und deren Orien tierung bezüglich der Kristallorientierung des Trägers und der Anisotropieeigenschaften des Trägermaterials so gewählt wird, daß die gewünschte Größe und Form der Grundfläche der Ausnehmung oder des Austrittslochs (30) durch gezieltes Unterätzen der Maskier schicht erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Öffnungen (20) in einem Raster angeordnet werden und daß beim Einätzen durch die Öffnungen (20) je Öffnung (20) eine Ausnehmung im Träger entsteht und daß die Ausnehmungen nicht beim Unterätzen der Maskierschicht ineinander übergehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der monokristalline, scheibenförmige Träger ein Siliziumwafer mit (100)-Kristallorientierung ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der als Träger dienende monokristalline Siliziumwafer (50) mindestens zwei Schichten (51, 52) aufweist, zwischen denen mindestens ein Dotie rungsübergang, vorzugsweise ein pn-Übergang oder ein pp⁺-Übergang, besteht, und daß der mindestens eine Dotierungsübergang als Ätzstop grenze für die Tiefenätzung dient.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Ausnehmungen mit rechteckigen Grundflächen oder Aus trittslöchern (30) sechseckige Öffnungen (20) in die Maskierschicht eingebracht werden, wobei jeweils zwei parallele Kanten der Öffnun gen (20) parallel zu einer in der (100)-Waferoberfläche liegenden (100) -Richtung orientiert sind und die übrigen vier Kanten jeder Öffnung (20) parallel zu zwei aufeinander senkrecht stehenden, in der (100)-Waferoberfläche liegenden (110)-Richtungen orientiert sind.