DE4129206C2

DE4129206C2 - Process for structuring wafers

Info

Publication number: DE4129206C2
Application number: DE19914129206
Authority: DE
Inventors: Franz Dr Laermer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-09-03
Filing date: 1991-09-03
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2011-09-04
Also published as: DE4129206A1

Description

Die Erfindung betrifft ein gattungsgemäßes Verfahren zur Strukturierung von Wafern durch Erzeugen von Vertiefungen mit unterschiedlicher Tiefe, gegebenenfalls auf der Vorder- und der Rückseite des Wafers, mit Methoden der Mikromechanik.The invention relates to a generic method for Structuring wafers by creating wells with different depths, if necessary on the front and the Back of the wafer, using micromechanical methods.

State of the art

Wafer aus einkristallinen Materialien werden in der Technik in erheblichem Umfang und zunehmend verwendet. So lassen sich zum Beispiel aus Siliziumwafern mit mikromechanischen Methoden Düsen für Kraftstoffeinspritzung, sowie Sensoren, dünne schwingungsfähige Strukturen oder Träger für optische Hybride herstellen. Sie zeichnen sich durch hervorragende mechanische Eigenschaften und extrem hohe Maßgenauigkeit aus. Für die Herstellung solcher und anderer Vorrichtungen werden Verfahren zur Erzeugung vielfältiger, komplizierter Strukturen benötigt, unter anderem von Strukturen mit Vertiefungen, die eine unterschiedliche Tiefe aufweisen.Wafers made of single-crystal materials are used in the art in considerable and increasingly used. For example, from silicon wafers with micromechanical methods nozzles for fuel injection, as well as sensors, thin structures or supports for optical hybrids capable of vibrating produce. They are characterized by excellent mechanical Properties and extremely high dimensional accuracy. For the Manufacture of such and other devices become processes needed to create diverse, complicated structures, among other things from structures with recesses, the one have different depths.

Ein Verfahren gemäß der Gattung des Hauptanspruchs ist aus der US-PS 4 911 783 bekannt. Diese Druckschrift beschreibt ein Ätzverfahren, welches mit einer durch HF und HNO₃ geätzten SiO₂-Maske arbeitet. Dieses Verfahren basiert auf der Tatsache, daß das Ätzmittel gleichzeitig das Substrat und die Maske ätzt, eine von der Ätzlösung nicht angegriffene Schutzmaske, welche in einem getrennten Schritt mit einem anderen Ätzverfahren bearbeitet wird, ist nicht vorgesehen. Hierdurch werden die Maskenstrukturen durch die Ätzlösung ebenfalls verändert, wodurch die Präzision der geätzten Struktur verringert wird. A method according to the type of the main claim is known from the U.S. Patent 4,911,783 is known. This document describes a Etching process, which is etched with HF and HNO₃ SiO₂ mask works. This process is based on the fact that the etchant simultaneously etches the substrate and the mask, a protective mask which is not attacked by the etching solution and which in a separate step with another etching process is not planned. This will make the Mask structures also changed by the etching solution, reducing the precision of the etched structure.

Aus der Druckschrift IBM TDB, Vol. 31, No. 7, December 1988, S. 81 bis 82, ist ein Verfahren bekannt, bei dem in einer auf einer Isolierschicht angeordneten Photolackschicht zunächst unterschiedlich tiefe Ausnehmungen erzeugt werden. Die Ausnehmungen werden dann mittels eines Ionenplasmaätzverfahrens, das für den Photolack und die Isolierschicht die gleiche Ätzrate aufweist, in die Isolierschicht übertragen.From the publication IBM TDB, Vol. 31, No. 7, December 1988, pp. 81 to 82, is a procedure known, in which in one on one Insulating layer arranged photoresist layer First, recesses of different depths be generated. The recesses will be then using an ion plasma etching process, that for the photoresist and the Insulation layer has the same etching rate, transferred into the insulating layer.

Ein anderes Verfahren zur Erzeugung obengenannter Strukturen auf Siliziumwafern ist in der europäischen Patentanmeldung 0 418 423 A1 beschrieben. Dabei werden unter Verwendung einer geeigneten Maskierung und eines geeigneten Ätzmittels aus der Oberfläche des Wafers ineinander übergehende Strukturen unterschiedlicher Größe anisotrop herausgeätzt, indem die Struk turen, durch entsprechende Maskierung in Einzelstrukturen zerlegt, in mindestens zwei Ätzschritten nacheinander aus dem Wafer herausgeätzt werden und zwischen den Ätzschritten die bereits geätzten Einzelstrukturen durch eine weitere Maskierungsschicht aus durch thermische Oxidation erzeugtem Siliziumdioxid zum Herausätzen der nachfolgenden Einzel strukturen abgedeckt werden. Nachteile dieses Verfahrens sind die bei den thermischen Oxidationsprozessen erforderli chen hohen Temperaturen, Strukturverluste durch "Vogelschnä bel", die die bei dem Oxidationsprozeß entstehende verhält nismäßig dicke Siliziumdioxidschicht an den Rändern der aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) bestehenden Maske verursacht, und die vergleichsweise geringe Selektivität von Siliziumdioxid als Maskenmaterial für das anisotrope Naßätzen, was relativ hohe Schichtdicken und lange Oxidationszeiten erfordert.Another method for producing the above-mentioned structures on silicon wafers is described in European patent application 0 418 423 A1. Using a suitable masking and a suitable etching agent, structures of different sizes which merge into one another from the surface of the wafer are etched out anisotropically by the structures being broken down into individual structures by appropriate masking, being etched out of the wafer in succession in at least two etching steps and between the etching steps the already etched individual structures are covered by a further masking layer made of silicon dioxide generated by thermal oxidation in order to etch out the subsequent individual structures. Disadvantages of this method are the high temperatures required in the thermal oxidation processes, structural losses caused by "bird beaks", which causes the relatively thick silicon dioxide layer that arises in the oxidation process at the edges of the mask consisting of silicon nitride (Si ₃ N ₄ ), and the comparison low selectivity of silicon dioxide as mask material for the anisotropic wet etching, which requires relatively high layer thicknesses and long oxidation times.

Advantages of the invention

Die geschilderten Nachteile der bekannten Verfahren werden bei dem Verfahren nach der Erfindung, wie es in den Patent ansprüchen definiert ist, vermieden. Man erzeugt nach diesem Verfahren in einfacher, zuverlässig reproduzierbarer Weise Strukturen von hervorragender Maßgenauigkeit. Das Verfahren eignet sich besonders zur Automatisierung unter weitgehendem Verzicht auf manuelle Verfahrensschritte.The disadvantages of the known methods are described in the method according to the invention as described in the patent claims is avoided. One creates after this Process in a simple, reliably reproducible manner Structures of excellent dimensional accuracy. The procedure is particularly suitable for automation under extensive No manual process steps.

Description of the invention

Nach dem Verfahren der Erfindung lassen sich die Wafer (1) genannten, im allgemeinen 0,1 bis 1,0 mm starken und kreis runden Scheiben, die aus Einkristallen der verschiedensten Materialien, z. B. Quarz (einkristallines Siliziumdioxid), elementarem Silizium, usw., herausge schnitten wurden, strukturieren. Da sie aus einkristallinem Material beste hen, ist auch der Ätzvorgang im allgemeinen anisotrop. Die Scheiben müssen daher in bestimmter Orientierung aus den Einkristallen gewonnen werden. Siliziumwafer werden bei spielsweise häufig so aus den Einkristallen geschnitten, daß die kreisrunde Oberfläche der Scheiben der kristallographi schen (100)-Ebene entspricht. Die unter 54,7° zur Oberfläche geneigten (111)-Ebenen sind die Stop-Ebenen des Ätzvorgangs.According to the method of the invention, the wafers ( 1 ) mentioned, generally 0.1 to 1.0 mm thick and circular round disks, which are made of single crystals of various materials, for. B. quartz (single crystal silicon dioxide), elemental silicon, etc., were cut out, structure. Since they consist of single-crystal material, the etching process is also generally anisotropic. The wafers must therefore be extracted from the single crystals in a specific orientation. Silicon wafers are often cut from the single crystals in such a way that the circular surface of the wafers corresponds to the crystallographic (100) plane. The (111) planes inclined at 54.7 ° to the surface are the stop planes of the etching process.

Wegen der Anisotropie des Ätzvorgangs sind die mit diesen Orientierungen erzeugten Vertiefungen (2) trogartige Gebilde mit vier Seitenflächen, die mit fortschreitendem Ätzvorgang aufeinander zuwachsen. Der Ätzgrund, an dem das Ätzmittel rasch angreift, wird dementsprechend ständig kleiner. Der Ätzvorgang wird üblicherweise spätestens dann beendet, wenn sich die Seitenflächen in einem Punkt (bei quadratischer Grundfläche) oder in zwei Punkten und einer Linie (bei rechteckiger Grundfläche) treffen. Der kleinste Abstand zweier gegenüberliegender Kanten der Grundfläche bestimmt zugleich im wesentlichen die maximal erreichbare Tiefe der Vertiefung (2). Die Tiefe der nach dem Verfahren der Erfin dung erzeugten Vertiefungen (2), maximal oder durch Abbruch des Ätzvorgangs bestimmt, beträgt im allgemeinen 1 bis 1000 µm. Die Unterschiede in den Tiefen liegen in der Regel min destens bei 0,5 µm.Because of the anisotropy of the etching process, the depressions ( 2 ) produced with these orientations are trough-like structures with four side surfaces which grow towards one another as the etching process progresses. The etching base on which the etchant quickly attacks is correspondingly becoming smaller. The etching process is usually ended at the latest when the side surfaces meet in one point (with a square base) or in two points and a line (with a rectangular base). The smallest distance between two opposite edges of the base area essentially determines the maximum achievable depth of the recess ( 2 ). The depth of the depressions ( 2 ) produced according to the method of the invention, determined at most or by stopping the etching process, is generally 1 to 1000 μm. The depth differences are usually at least 0.5 µm.

Nach dem Verfahren der Erfindung lassen sich besonders vor teilhaft disjunkte, d. h. voneinander unabhängige Vertiefun gen (2) erzeugen. Es eignet sich aber prinzipiell auch zur Erzeugung von ineinander übergehenden, zusammenhängenden Strukturen.According to the method of the invention, particularly disjunct, ie mutually independent, wells ( 2 ) can be generated. In principle, however, it is also suitable for the creation of merging, coherent structures.

Geeignete Ätzmittel sind die im allgemeinen wäßrigen Lösun gen solcher Stoffe, die das Wafer-Material lösen, aber das Material der Schutzmaske (3) nicht angreifen. Für Quarz-Wa fer eignet sich z. B. Fluorwasserstoffsäure, die gegebenen falls gepuffert ist. Für Silizium-Wafer können z. B. wäßrige Lösungen der Alkalihydroxide, wie Kaliumhydroxid, von Ammo niak oder Ethylendiamin/Brenzkatechin eingesetzt werden. Die für eine gewünschte Tiefe erforderlichen Einwirkungszeiten hängen von dem Wafermaterial , dem gewählten Ätzmittel und dessen Konzentration sowie der Ätztemperatur ab, die im all gemeinen zwischen 60 und 90°C liegt. Sie lassen sich für die gewählten Parameter unschwer experimentell bestimmen.Suitable etching agents are the generally aqueous solutions of those substances which dissolve the wafer material but do not attack the material of the protective mask ( 3 ). For quartz wa fer z. B. hydrofluoric acid, which is buffered if appropriate. For silicon wafers, e.g. B. aqueous solutions of alkali metal hydroxides, such as potassium hydroxide, ammonia or ethylenediamine / pyrocatechol. The exposure times required for a desired depth depend on the wafer material, the chosen etchant and its concentration as well as the etching temperature, which is generally between 60 and 90 ° C. They can easily be determined experimentally for the selected parameters.

Die Schutzmaske (3) besteht aus einem Material, das gegen das Ätzmittel in sehr hohem Maße beständig ist und daher die Teile der Oberfläche des Wafers (1), die nicht geätzt werden sollen, vor dem Angriff des Ätzmittels schützt, ohne seine Dicke dabei nennenswert zu verändern. Für Siliziumdioxid-Wa fer eignet sich z. B. Gold. Geeignete Materialien für Schutz masken (3) auf Silizium-Wafern ist z. B. Siliziumnitrid (Si₃N₄), gegebenenfalls auf einer dünnen Siliziumdioxid- Schicht. Die Schutzschicht wird zweckmäßig nach dem bekann ten sogenannten LPCVD-Verfahren (low pressure chemical vapor deposition) durch Einwirkung von Sauerstoff und Dichlorsi lan bzw. von Ammoniak und Dichlorsilan erzeugt. Siliziumdio xid-Schichten können aber auch durch rein thermische Oxida tion erzeugt werden. Es ist üblich, aber nicht erforderlich, auf Silizium-Wafern zunächst eine Siliziumdioxid-Schicht und auf diese eine Siliziumnitrid-Schicht aufzubringen. Die Dic ke der Schutzschicht kann in weiten Grenzen variieren. Sie hängt u. a. von der Zahl der unterschiedlichen Tiefen ab, die die erzeugten Vertiefungen (2) aufweisen sollen, und beträgt im allgemeinen 0,1 bis 1,0 µm, insbesondere 0,1 bis 0,2 µm. Die Wafer (1) können auf einer Seite oder beidseitig struk turiert werden.The protective mask ( 3 ) consists of a material that is very resistant to the etchant and therefore protects the parts of the surface of the wafer ( 1 ) that are not to be etched from the attack of the etchant, without appreciable its thickness to change. For silicon dioxide wa fer z. B. Gold. Suitable materials for protective masks ( 3 ) on silicon wafers is e.g. B. silicon nitride (Si ₃ N ₄ ), optionally on a thin silicon dioxide layer. The protective layer is expediently produced by the known so-called LPCVD process (low pressure chemical vapor deposition) by the action of oxygen and dichlorosilane or of ammonia and dichlorosilane. Silicon dioxide layers can also be produced by purely thermal oxidation. It is common, but not necessary, to first apply a silicon dioxide layer on silicon wafers and a silicon nitride layer on this. The thickness of the protective layer can vary within wide limits. It depends, inter alia, on the number of different depths which the depressions ( 2 ) are to have and is generally 0.1 to 1.0 μm, in particular 0.1 to 0.2 μm. The wafers ( 1 ) can be structured on one side or on both sides.

Das Verfahren der Erfindung wird im folgenden am Beispiel der Strukturierung eines Silizium-Wafers unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Auf dem Wafer (1) wird zunächst nach dem thermischen Oxida tionsverfahren eine etwa 0,05 µm dicke Schicht Siliziumdio xid erzeugt. Auf diese wird nach dem LPCVD-Verfahren eine etwa 0,15 µm dicke Schutzschicht aus Siliziumnitrid aufge bracht. Der Wafer entspricht dann der Fig. 1, aber noch ohne die Ausnehmungen in der Schutzschicht, die nun erzeugt werden. Dazu wird zunächst auf die Schutzschicht ein Photo lack mit hoher Gleichmäßigkeit aufgetragen, z. B. aufge schleudert. Die Lacke können Positiv- oder Negativ-Lacke sein. Geeignete Lacke sind ohne weiteres im Handel erhält lich.The method of the invention is explained in more detail below using the example of the structuring of a silicon wafer with reference to FIGS. 1 to 3. An approximately 0.05 μm thick layer of silicon dioxide is first produced on the wafer ( 1 ) using the thermal oxidation process. An approximately 0.15 µm thick protective layer made of silicon nitride is applied to these by the LPCVD process. The wafer then corresponds to FIG. 1, but still without the recesses in the protective layer which are now being produced. For this purpose, a photo varnish with high uniformity is first applied to the protective layer, for. B. thrown up. The varnishes can be positive or negative varnishes. Suitable paints are readily available commercially.

Auf die getrocknete und durch Erwärmen auf mäßig erhöhte Temperaturen vorgehärtete Lackschicht wird eine Maske ge legt, die das erste oder, wenn mehrere gleich tiefe Vertie fungen im Wafer erzeugt werden sollen, die ersten der Fen ster (4) markiert, die später den Zutritt des Ätzmittels zum Silizium des Wafers ermöglichen sollen. Zweckmäßig wird des sen Lage durch gleichzeitiges Übertragen von Justierkreuzen o. ä. auf dem Wafer festgehalten, damit die später aufgeleg ten Masken, die die anderen Fenster (4) markieren, entspre chend aufgelegt werden und die Fenster (4) insgesamt und zu einander die gewünschte Position erhalten. Die durch die Maske nicht abgedeckten Teile der Lackschicht werden dann belichtet, z. B. mit UV-Licht. Dauer und Intensität der Be strahlung hängen von dem jeweiligen Lack ab. Im gewählten Beispiel ist der Lack ein Positiv-Lack auf Polyimid-Basis, und der belichtete Teil wird mit einem "Entwickler", das ist in der Regel eine verdünnte wäßrige Lösung von Alkalihydro xid, Ammoniak oder Hydrazin, von der Siliziumnitrid-Schicht gelöst.A mask is applied to the dried and cured by heating to moderately elevated temperatures pre-cured layer of lacquer sets ge to be generated in the wafer, the first or, if a plurality of equal depth Vertie levies, the first of the dow (4) is selected, the later from entering the To enable etchant to silicon of the wafer. Appropriately, the sen location is held by simultaneous transfer of crosses or the like on the wafer, so that the later masks that mark the other windows ( 4 ) are placed accordingly and the windows ( 4 ) as a whole and to each other Get the desired position. The parts of the lacquer layer not covered by the mask are then exposed, e.g. B. with UV light. The duration and intensity of the radiation depend on the respective paint. In the example selected, the lacquer is a positive lacquer based on polyimide, and the exposed part is dissolved from the silicon nitride layer using a "developer", which is usually a dilute aqueous solution of alkali metal hydroxide, ammonia or hydrazine.

Im nächsten Schritt wird nun die erste Ausnehmung (5) in der Schutzschicht geschaffen, die das entsprechende Fenster (4) festlegt. Das geschieht zweckmäßig in an sich bekannter Wei se mit Hilfe eines anisotropen, also gerichteten Ionenplas maätzverfahrens unter Verwendung von Reaktionsgasen, wie Fluorkohlenwasserstoffen, z. B. Trifluormethan, Tetrafluorme than oder Hexafluorethan, gegebenenfalls unter Zusatz von geringen Mengen an Sauerstoff. Trifluormethan mit geringen Mengen Sauerstoff weist speziell eine hohe Selektivität ge genüber Siliziumdioxid und auch gegenüber Silizium auf, so daß kein Schaden entsteht, wenn das Ionenplasma auf offene Siliziumflächen einwirkt. Die erforderliche Ätzdauer hängt von den Parametern des Ionenplasmaätzverfahrens, z. B. der Hochfrequenzleistung, der Bias-Spannung und der Temperatur die im allgemeinen zwischen 15 und 80°C liegt, sowie der Art und der Konzentration der Reaktionsgase ab und läßt sich un schwer experimentell ermitteln.In the next step, the first recess ( 5 ) is created in the protective layer, which defines the corresponding window ( 4 ). This is expediently done in a manner known per se using an anisotropic, that is, directed, ion plas maätzverfahren using reaction gases such as fluorocarbons, for. B. trifluoromethane, tetrafluoromethane or hexafluoroethane, optionally with the addition of small amounts of oxygen. Trifluoromethane with small amounts of oxygen especially has a high selectivity compared to silicon dioxide and also towards silicon, so that no damage occurs when the ion plasma acts on open silicon areas. The etching time required depends on the parameters of the ion plasma etching process, e.g. B. the high-frequency power, the bias voltage and the temperature which is generally between 15 and 80 ° C, as well as the type and concentration of the reaction gases and is un difficult to determine experimentally.

Wenn so die erste bzw. die ersten Ausnehmungen (5) erzeugt sind, überzieht man die Schutzschicht mitsamt den Ausnehmun gen (5) erneut mit Photolack, legt nach dem Trocknen und Vorhärten die nächste Maske auf, die die Fenster (4) für den Zutritt des Ätzmittels für die Erzeugung weiterer Vertiefun gen (2) im Wafer festlegt, und verfährt weiter wie beschrie ben. Die in diesem zweiten Schritt erzeugten Ausnehmungen (5) können tiefer oder weniger tief als die im ersten Schritt erzeugten sein. Auf diese Weise werden nacheinander alle Fenster (4), die für die gewünschte Struktur des Wafers (1) benötigt werden, durch Ausnehmungen (5) in der Schutz schicht festgelegt. Der Wafer (1) entspricht in diesem Sta dium der Fig. 1, in der allerdings bei den beiden tiefsten Ausnehmungen die Siliziumdioxid-Schicht bereits entfernt ist, was entweder auf nassem Wege durch Einwirkung von ge pufferter Fluorwasserstoffsäure ("BHF") geschehen kann oder durch Ionenplasmaätzen mit Fluorkohlenwasserstoffen, insbe sondere mit Trifluormethan als Reaktionsgas, aber ohne Sau erstoffzusatz. Diese Ausnehmungen (5) sind dann bereits Fen ster (4), und der Wafer (1) ist damit bereit für den ersten Naßätzschritt.If so, the first or the first recesses (5) are produced by coating the protective layer together with the Ausnehmun gen (5) again with photoresist, sets after drying and pre-curing the next mask on which the window (4) for admitting of the etchant for the creation of further recesses ( 2 ) in the wafer, and continues as described ben. The recesses ( 5 ) created in this second step can be deeper or less deep than those created in the first step. In this way, all the windows ( 4 ) that are required for the desired structure of the wafer ( 1 ) are defined by recesses ( 5 ) in the protective layer. The wafer ( 1 ) corresponds in this stage to FIG. 1, in which, however, the silicon dioxide layer has already been removed from the two deepest recesses, which can either be done wet by the action of buffered hydrofluoric acid ("BHF") or by ion plasma etching with fluorocarbons, in particular with trifluoromethane as the reaction gas, but without the addition of oxygen. These recesses ( 5 ) are then fen ster ( 4 ), and the wafer ( 1 ) is ready for the first wet etching step.

Es ist ein wesentliches Merkmal des Verfahrens nach der Er findung, daß alle Fenster (4) vor dem ersten Naßätzschritt in Form von Ausnehmungen (5) in der Schutzschicht angelegt sind. Die Tiefen einer Ausnehmung (5) in der Schutzschicht und der zugehörigen Vertiefung (2) im Wafer sind nicht iden tisch, aber entsprechen einander. Das heißt, daß die tiefste Ausnehmung (5) zu der tiefsten Vertiefung (2), die zweit tiefste Ausnehmung (5) zu der zweittiefsten Vertiefung (2) usw. führt. Das Verhältnis der Tiefen der Ausnehmungen (5) in der Schutzschicht ist nicht notwendig identisch mit dem Verhältnis der Tiefen der entsprechenden Vertiefungen (2) im Wafer. Wohl aber legen die Tiefen der Ausnehmungen (5) die Reihenfolge der Fensteröffnungen und damit der Naßätzschrit te fest. Die Reihenfolge entspricht der absteigenden Reihen folge der Tiefen der im strukturierten Wafer (1) vorgesehe nen Vertiefungen (2). Das heißt, daß der erste Ätzschritt bei dem Fenster (4) stattfindet, das der tiefsten Ausnehmung (5), der zweite bei dem Fenster (4), das der zweittiefsten Ausnehmung (5) usw. entspricht.It is an essential feature of the method according to the invention that all windows ( 4 ) are created in the protective layer in the form of recesses ( 5 ) before the first wet etching step. The depths of a recess ( 5 ) in the protective layer and the associated recess ( 2 ) in the wafer are not identical, but correspond to one another. This means that the deepest recess ( 5 ) leads to the deepest recess ( 2 ), the second deepest recess ( 5 ) to the second deepest recess ( 2 ) etc. The ratio of the depths of the recesses ( 5 ) in the protective layer is not necessarily identical to the ratio of the depths of the corresponding recesses ( 2 ) in the wafer. However, the depths of the recesses ( 5 ) determine the sequence of the window openings and thus the wet etching steps. The order corresponds to the descending order of the depths of the recesses ( 2 ) provided in the structured wafer ( 1 ). That is, the first etching step takes place in the window (4) of the deepest recess (5), the second in the window (4), which corresponds to the second deepest recess (5) and so on.

Vor dem ersten Naßätzschritt wird die Photolackschicht von der Schutzmaske (3) und aus den Ausnehmungen (5) entfernt. Das kann durch Abwaschen mit Lösemitteln, wie Aceton oder Chlorkohlenwasserstoffen, oder durch ein Plasmaätzverfahren mit Sauerstoff als Reaktionsgas geschehen. Auf das freige legte Silizium im ersten Fenster läßt man das Naßätzmittel einwirken, bis eine Tiefe erreicht ist, die der gewünschten Tiefendifferenz der beiden tiefsten im strukturierten Wafer vorgesehenen Vertiefungen (2) entspricht, und bricht dann das Naßätzen ab.Before the first wet etching step, the photoresist layer is removed from the protective mask ( 3 ) and from the recesses ( 5 ). This can be done by washing with solvents such as acetone or chlorinated hydrocarbons, or by a plasma etching process with oxygen as the reaction gas. The wet etchant is allowed to act on the exposed silicon in the first window until a depth is reached which corresponds to the desired depth difference of the two deepest recesses ( 2 ) provided in the structured wafer, and the wet etching is then stopped.

Danach wird das Fenster bzw. werden die Fenster (4) für die zweittiefsten Vertiefungen (2) im Wafer geöffnet. Das ge schieht durch "Rückätzen", d. h. das Siliziumnitrid der Schutzschicht und auch in den Ausnehmungen (5), die noch nicht Fenster (4) sind, wird in einem anisotropen Ionenplas maätzprozeß, z. B. mit Trifluormethan und Sauerstoff als Reaktionsgasgemisch, soweit und solange entfernt, bis die Ausnehmungen (5) für das bzw. die Fenster (4) für die nächsttieferen Vertiefungen (2) des strukturierten Wafers (1) die Siliziumdioxid-Schicht erreichen. Die Fig. 2 gibt den Wafer (1) nach dem ersten Naßätzschritt und dem ersten Rückätzschritt wieder, wobei, wie oben beschrieben, die Si liziumdioxid-Schicht in den geöffneten Fenstern (4) wiederum bereits entfernt, der Wafer (1) also für den zweiten Naßätz schritt bereit ist. Der dauert solange, bis die Vertiefung (2) so tief ist wie die gewünschte Differenz der Tiefen der zweit- und der drittiefsten Vertiefung (2) im strukturierten Wafer (1). Die Vertiefung im ersten Fenster (4) wächst in demselben Maße.Then the window (s) ( 4 ) for the second deepest depressions ( 2 ) in the wafer are opened. This happens by "etching back", ie the silicon nitride of the protective layer and also in the recesses ( 5 ), which are not yet windows ( 4 ), is in an anisotropic ion plas maätz process, z. B. with trifluoromethane and oxygen as a reaction gas mixture, so far and until the recesses ( 5 ) for the window or windows ( 4 ) for the next deep recesses ( 2 ) of the structured wafer ( 1 ) reach the silicon dioxide layer. Fig. 2 shows the wafer ( 1 ) after the first wet etching step and the first etching back step, wherein, as described above, the silicon dioxide layer in the open windows ( 4 ) again removed, the wafer ( 1 ) for second wet etching step is ready. This lasts until the recess ( 2 ) is as deep as the desired difference in the depths of the second and third deepest recesses ( 2 ) in the structured wafer ( 1 ). The depression in the first window ( 4 ) grows to the same extent.

Man verfährt weiter wie beschrieben, bis alle Fenster (4) geöffnet und alle Naßätzschritte durchgeführt sind. Die er ste und tiefste Vertiefung (2) erreicht also ihre endgültige Tiefe erst nach dem letzten Naßätzschritt, wie alle anderen Vertiefungen (2) auch.The procedure is continued as described until all windows ( 4 ) are open and all wet etching steps have been carried out. The first and deepest recess ( 2 ) therefore only reaches their final depth after the last wet etching step, like all other recesses ( 2 ).

Wenn der strukturierte Wafer (1) eine erhebliche Zahl von Vertiefungen mit einer ebenfalls erheblichen Zahl unter schiedlicher Tiefen, z. B. mehr als 5 verschiedene Tiefen, aufweist, ist es vorteilhaft, statt nur einer Siliziumni trid-Schicht eine Sandwich-Struktur aus vergleichsweise dün nen Siliziumdioxid-Schichten und vergleichsweise dicken Si liziumnitrid-Schichten vorzusehen. Man kann sie auf die be schriebene Weise durch abwechselnde LPCVD-Prozesse erzeugen. Bei der Anlage der Fenster (4) durch Ausnehmungen (5) in der Schutzschicht wird die betreffende Ätztiefe bis zu einer be stimmten Siliziumnitrid-Schicht übertragen, und die Silizi umdioxid-Schicht dient als erwünschter Stop, der beim Rück ätzen in Abwesenheit von Sauerstoff kontrolliert überwunden werden kann. Die Fig. 3 gibt eine derartige Sandwich-Struk tur wieder, in der Ausnehmungen (5) verschiedener Tiefe an gelegt sind, von der die beiden tiefsten bereits Fenster (4) sind, so daß der erste Naßätzschritt stattfinden kann.If the structured wafer ( 1 ) has a significant number of wells with an equally significant number under different depths, e.g. B. has more than 5 different depths, it is advantageous to provide a sandwich structure made of comparatively thin silicon dioxide layers and comparatively thick silicon nitride layers instead of only one silicon nitride layer. They can be generated in the manner described by alternating LPCVD processes. When creating the window ( 4 ) through recesses ( 5 ) in the protective layer, the relevant etching depth is transferred to a certain silicon nitride layer, and the silicon dioxide layer serves as a desired stop, which controls the etching back in the absence of oxygen can be overcome. Fig. 3 shows such a sandwich structure again, in which recesses ( 5 ) of different depths are made, of which the two deepest are already windows ( 4 ), so that the first wet etching step can take place.

Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich für die Einzel fertigung, kann aber auch in die Serienfertigung selbst kom plizierter Werkstücke leicht übertragen werden. Vorteilhaft arbeitet man im Batch-Betrieb, d. h. die unstrukturierten Wa fer (1) werden durch Greiferautomaten vom Stapel genommen und ohne nennenswerte manuelle Tätigkeit den einzelnen Ver fahrensschritten unterzogen. Das Verfahren kann aber auch in Barrel-Reaktoren, in denen eine Reihe von Wafern (1) paral lel derselben Behandlung unterworfen wird, ausgeführt wer den.The method according to the invention is suitable for individual production, but can also be easily transferred into the series production of even complicated workpieces. It is advantageous to work in batch mode, ie the unstructured wa fers ( 1 ) are removed from the stack by automatic grippers and subjected to the individual process steps without any significant manual work. However, the process can also be carried out in barrel reactors in which a number of wafers ( 1 ) are subjected to the same treatment in parallel.

Claims

1. Method for structuring wafers ( 1 ) from single crystals by producing depressions ( 2 ) with different depths in more than one process step by means of etching agents of different lengths on the parts of the surface of the wafers corresponding to the size and position of the intended depressions ( 1 ), which are accessible through windows ( 4 ) in a protective mask ( 3 ) covering the surface of the wafers ( 1 ) for the etchant, characterized in that the protective mask ( 3 ) is made of silicon nitride (Si₃N₄) or a sandwich structure there are comparatively thin silicon dioxide layers and comparatively thick silicon nitride layers that the windows ( 4 ) of the protective mask ( 3 ) are opened with the aid of an ion plasma etching process and that the windows before the first etching step have recesses ( 5 ) of different depths in the connected protective layer, from which the protective mask ( 3 ) is created t and successively, in each case at least one in a separate etching step before each etching step of the wafer ( 1 ), the depths of the recesses ( 5 ) in the protective layer and the depths of the associated depressions ( 2 ) in the wafer corresponding to one another and the sequence , in which the windows ( 4 ) are opened, corresponds to the descending order of the depths of the depressions ( 2 ) provided in the structured wafer ( 1 ).

2. The method according to claim 1, characterized in that the wafer ( 1 ) consists of single-crystal silicon.

3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the wafer ( 1 ) is structured on both sides.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the depressions ( 2 ) are disjoint.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a positive photoresist is used in the production of the window ( 4 ).