DE4134291C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur exakten Ausrichtung von Masken zum anisotropen Ätzen von dreidimensionalen Strukturen aus Siliziumwafern. Das Verfahren ist speziell für die Herstellung mikromechanischer Bauteile von Bedeutung. Es sind bereits Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauteile bekannt, bei denen ein Silizium-Wafer anisotrop geätzt wird, wobei dabei die mikro­ mechanischen Bauteile zur Kristallorientierung des Silizium-Wafers ausgerichtet werden müssen. Die Ausrichtung zur Kristallstruktur erfolgt anhand einer abgeflachten Seite des ansonsten runden Wafers, dem sogenannten Flat, wobei dieser Flat standardmäßig vom Hersteller mit einer Winkelgenauigkeit von einem Grad ausgestattet ist. Diese Winkelgenauigkeit von einem Grad ist für die Herstellung der meisten elektronischen Bauteile aus Silizium ausreichend. Zu einem höheren Preis können auch Wafer mit einer höheren Winkelgenauigkeit des Flats bezogen werden.

Die Herstellung von Siliziumwafern aus einem einzigen Silizium­ kristall wird beispielsweise einem Artikel von Herring, Solid State Technology, Vol. 19, No. 5, Mai 1976, Seiten 37 bis 42 beschrieben.

Aus einem Artikel von Poteat in "Micromachining und Micropackaging of Transducers", edited by C.D. Fung et al., Elsevier Science Publishers Amsterdam, 1985, Seite 151 bis Seite 158 ist ein Ver­ fahren zur exakten Ausrichtung von Masken zum anisotropen Ätzen von dreidimensionalen Strukturen aus Siliziumwafern bekannt, bei dem in jeden einzelnen Siliziumwafer eine spezielle Struktur eingeätzt wird. Diese Struktur erlaubt dann die exakte Ausrichtung der Maske. Justiermarken zur Ausrichtung von Masken auf Siliziumwafern werden beispielsweise in der DD 2 06 450 beschrieben.

Der Effekt einer nicht exakt ausgerichteten Ätzmaske beim aniso­ tropen Ätzen von Silizium wird beispielsweise von Kendall in Applied Physics Letters, Vol. 26, No. 4, 15. Februar 1975, Seiten 195 bis 198 und von Ade und Fossum in J. Electrochem. Soc.: Solid State Science and Technology, Vol. 134 No. 12, December 1987, Seiten 3192 bis 3194 beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur exakten Ausrichtung von Masken zum anisotropen Ätzen von dreidimensionalen Strukturen aus Siliziumwafern anzugeben, das eine kostengünstige Ausrichtung von mikromechanischen Bauteilen relativ zur Orientierung der Kristallstruktur mit einer hohen Winkelgenauigkeit erlaubt.

Diese Aufgabe wird mittels der kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 ange­ gebenen Verfahrens möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Ätzloch in 100 Silizium, Fig. 2 einen Quer­ schnitt durch die Struktur der Fig. 1, Fig. 3 die Anordnung der Winkeljustierstrukturen auf der Maske und Fig. 4 die Winkel­ justierstrukturen.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 und Fig. 2 wird ein in 100 orientiertem Silizium ge­ ätztes Loch gezeigt. Fig. 1 zeigt eine Aufsicht, Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch Fig. 1 entlang der Linie I-I. Mit 11 ist eine quadratische Öffnung in einer Siliziumnitridschicht 13, mit 12 ist das entstandene Ätzloch bezeichnet, welches die Ätzmaske teilweise unterätzt hat. Mit 14 ist der in 100 Richtung orientierte Silizium-Wafer bezeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich ebenso für die Ätzung von 110-Wafern. Dem Fachmann ist die entsprechende Ätzgeometrie in 110-Wafern bekannt.

In 100 orientiertem Silizum lassen sich durch basische Ätzlösungen Öffnungen ätzen, die in der Aufsicht einen rechteckigen oder wie in Fig. 1 gezeigt, einen quadratischen Grundriß haben. Die Wände dieser Strukturen weisen einen Winkel von 54,7 Grad zur Oberfläche auf, die Wände weisen somit zueinander einen Winkel von ca. 70,5 Grad auf. Für die Ätzung einer solchen Öffnung in einem Wafer wird die Oberfläche zunächst mit einer Siliziumnitridschicht als Ätzmaske beschichtet. Zur Verbesserung der Haftung der Ätzmaske auf der Siliziumoberfläche kann vor dem Abscheiden der Siliziumnitridschicht noch eine dünne Siliziumoxidschicht abgeschieden werden. Diese Siliziumnitridschicht wird dann strukturiert, um Teile der Wafer­ oberfläche freizulegen, an denen dann die basische Ätzlösung, in der Regel KOH, angreifen kann. Die Kanten dieser rechteckigen oder quadratischen Ätzöffnungen müssen dabei jedoch exakt zur Kristall­ struktur ausgerichtet werden. Eine fehlerhafte Justierung dieser Kanten relativ zu den ätzbegrenzenden 111-Flächen führt zu einer Unterätzung der Ätzmaske. Diese wird in Fig. 1 in der Aufsicht ge­ zeigt. Das quadratische Ätzfenster 11 wurde unterätzt, so daß das Ätzloch 12 mit einem größeren quadratischen Grundriß entstand. Die Seiten des Ätzlochs 12 werden durch die ätzbegrenzenden 111-Flächen des Silizium-Wafers gebildet. Dabei wurde die Ätzmaske 13 unterätzt, wie in Fig. 2 zu sehen ist. Durch eine fehlerhafte Aus­ richtung des Ätzfensters der Siliziumnitridschicht 13 weicht somit die Geometrie des tatsächlich entstandenen Loches von der ge­ wünschten Geometrie ab. Die Winkelgenauigkeit von bekannten Flats von 0,3 Grad ist daher für die Herstellung mikromechanischer Struk­ turen unbefriedigend, eine höhere Winkelgenauigkeit von z. B. 0,05 Grad ist anzustreben.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt dabei die Tatsache, daß Siliziumwafer in großen Chargen aus einem einzigen Siliziumkristall hergestellt werden. Die Herstellung von Siliziumwafern aus einem einzigen Siliziumkristall wird beispielsweise in dem eingangs genannten Artikel von Herring beschrieben. Zur Herstellung von Siliziumwafern wird zunächst ein großer, stabförmiger Siliziumeinkristall hergestellt. Dieser Kristall wird bearbeitet, so daß er einen runden Querschnitt auf­ weist, danach wird eine Seite des gesamten Kristalls abgeschliffen, um den Flat zu erzeugen. Erst danach wird der stabförmige Kristall in einzelne Waferscheiben zerteilt. Dies hat zur Folge, daß obwohl die Ausrichtung des Flats zwar nur auf ca. 0,3 Grad genau ist, die Reproduzierbarkeit des Winkelfehlers von Wafern einer Charge, das heißt von Wafern die aus einem Siliziumeinkristall herausgeschnitten wurden, bedeutend besser ist. Unterschiede in der Flatorientierung werden nur durch die Verrundung der Kanten des Wafers erzeugt. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß diese Verrundung sehr reprodu­ zierbar ist, und somit die Winkelorientierung des Flats aller Wafer einer Charge, das heißt aus einem Einkristall, gleich ist. Diese Erkenntnis wird vom erfindungsgemäßen Verfahren genutzt, in dem der Winkelfehler bei einem Testwafer einer Wafercharge gemessen wird und diese Information dann für die Ausrichtung der Strukturen auf den anderen Wafern der Charge genutzt wird. Die Winkelorientierung des Flats läßt sich beispielsweise durch Ausmessen einer Struktur, wie sie in Fig. 1 gezeigt wird, bestimmen. Dies wird anhand der Kante des Ätzfensters 34 und der Kante des Ätzlochs 35 verdeutlicht. Die Kante des Ätzfensters ist so auf dem Wafer erzeugt worden, daß sie parallel zum Flat liegt. Der Winkel zwischen den beiden Kanten 34 und 35 entspricht dann dem Winkel zwischen Flat und der 111-Rich­ tung. Vorteilhaft ist dabei, daß in der Aufsicht unter einem Mikros­ kop die unterätzte Siliziumnitridmaskierung 13 eine andere Farbe aufweist als die Oberfläche, die nicht unterätzt ist. Die Winkel­ orientierung ergibt sich durch Ausmessen unter dem Mikroskop und einfachen trigonometrischen Berechnungen.

In Fig. 3 wird eine Maske 15 gezeigt, die das erfindungsgemäße Ver­ fahren verwendet. Auf der Maske 15 befinden sich Justierkreuze 18 und Winkeljustierstrukturen 17. Die eigentlichen Strukturen für die mikromechanischen Bauteile sind durch die Fläche 31 nur schematisch dargestellt. Die Maske 15 wird verwendet um die Siliziumnitrid­ schicht 13 zu strukturieren. Der Aufbau einer solchen Maske 15 aus Glas und Chrom und die entsprechenden Fotolithographie und Ätz­ prozesse für die Strukturierung der Maskierung 13 sind dem Fachmann geläufig. Justiermarken zur Ausrichtung von Masken auf Silizium­ wafern werden beispielsweise in der eingangs genannten DD 2 06 450 beschrieben. Schematisch wird der Umriß eines unterhalb der Maske 15 gelegenen Silizium-Wafers 16 mit einem Flat 19 gezeigt.

Die Justierkreuze 18 werden durch Fotolithographie und Ätzprozesse auf den Wafer 16 übertragen und dienen zur Justierung aller weiteren Masken, die zur Bearbeitung des Wafers 16 notwendig sind. Durch die Winkeljustierstrukturen 17 wird die Maske 15 relativ zum Flat 19 des Wafers 16 justiert. Dabei wird die zuvor an einem anderen Wafer der­ selben Charge gewonnene Information über die Winkelgenaugigkeit des Flats genutzt, um die Maske 15 exakt zur Kristallstruktur des Wafers 16 auszurichten. Wie die Winkeljustierstrukturen 17 im Detail aufge­ baut sind, wird in Fig. 4 beschrieben, an dieser Stelle ist zu­ nächst nur wichtig, daß sie eine Ausrichtung zum Flat erlaubt. Zur Justierung der Maske 15 gegenüber dem Flat 19 wird ein Mikroskop mit zwei Objektiven verwendet, die jeweils über einer der Winkel­ justierstrukturen 17 angeordnet sind. Das Bild der beiden Winkel­ justierstrukturen 17 wird auf eine Ebene projiziert und erlaubt so dem Betrachter beide Strukturen gleichzeitig zu justieren. Die An­ ordnung der Winkeljustierstrukturen 17 relativ zu den Strukturen für die mikromechanischen Bauteile 31 ist dabei so gewählt, daß die Strukturen 31 mittig auf den Wafer gelegt werden. Wenn man eine ge­ dachte Verbindungslinie von einer Winkeljustierstruktur 17 zu anderen zieht, und eine dazu senkrechte Linie in der Mitte zwischen den beiden Winkeljustierstrukturen 17 aufträgt, so weist diese Linie gerade eine Länge von in etwa 47,3 mm zur Mitte der Strukturen 31 auf. Diese Maße gelten, wenn für die Herstellung der mikro­ mechanischen Strukturen Wafer mit einem Durchmesser von 100 mm ver­ wendet werden.

In Fig. 4 wird eine Winkeljustierstruktur 17 gezeigt. Diese besteht aus einem Mittelblock 22 und Balken 20 und 21 auf der Maske 15. Der Mittelblock und die Balken 20, 21 sind dabei als undurchsichtige Bereiche auf der Maske 15 ausgeführt. Der Abstand der beiden Mittel­ blöcke 22 der beiden Winkeljustierstrukturen 17 auf der Maske be­ trägt exakt 32,5 mm. Dies entspricht dem Mittelwert der Flatlänge bei Wafern mit 100 mm Durchmesser. Die Sollflatlänge kann um 2,5 mm in beide Richtungen abweichen. Rechts und links vom Mittelblock 22 jeder Winkeljustier­ struktur 17 sind die Balken in jeweils sieben Gruppen a sieben Balken angeordnet. Der untere Balken 20, der sogenannte Nullbalken weist eine Abmessung von 10 Mikrometern mal 200 Mikrometern, die sechs weiteren Balken 21 eine Abmessung von 6 Mikrometer mal 200 Mikro­ meter auf. Zwischen den einzelnen Balkengruppen liegt jeweils ein Freiraum von 100 Mikrometern. Der Abstand der Balken in einer Gruppe beträgt jeweils von der Mittellinie des Balkens aus gerechnet 28,36 Mikrometer. Bei einer mittleren Flatlänge von 32,5 mm entspricht dieser Abstand einem Winkel von 0,05 Grad. Wenn also bei der Justierung eine der Winkeljustierstrukturen konstant zum Flat gehalten wird, und die andere um einen Balken verschoben wird, so wird der Winkel der Maske relativ zum Wafer um 0,05 Grad ver­ ändert. Bei sechs weiteren Balken 21 addieren sich diese 0,05 Grad pro Balken gerade zur maximalen Winkeltoleranz des Flats von 0,3 Grad. Da auf jeder Seite des Mittelblocks 22 sieben Balkengruppen vorhanden sind, kann damit jede zulässige Toleranz der Flatlänge kompensiert werden. Bei der Justierung wird die Maske zunächst so vorschoben, daß die Übergangsstelle von Flat 19 zum runden Teil des Wafers 16 jeweils symmetrisch unter beiden Winkeljustierstrukturen, das heißt jeweils unter den spiegelbildlichen Balkengruppen, liegt. Die eine Winkeljustierstruktur wird dann so ausgerichtet, daß sich die Nullinie 20 gerade mit dem Flat 19 deckt, bei der anderen Winkeljustierstruktur 17 wird dann der zur Winkelkorrektur not­ wendige Balken 21 mit dem Flat zur Deckung gebracht. Die Information welcher Balken dabei ausgewählt werden muß, wurde zuvor an einem Testwafer ermittelt.

Claims (5)

1. Verfahren zur exakten Ausrichtung von Masken (15) zum anisotropen Ätzen von dreidimensionalen Strukturen aus Siliziumwafern (14), da­ durch gekennzeichnet, daß von mehreren Wafern (14), die aus einem einzelnen Siliziumeinkristall herausgeschnitten sind, an einem Wafer (14) die Winkelorientierung des Flat (19) relativ zur Kristall­ struktur ermittelt wird, und daß bei der Strukturierung der anderen Wafer (14) diese Information zur Ausrichtung der Masken (15) genutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ermittlung der Winkelorientierung des Flat (19) relativ zur Kristallstruktur unter Verwendung einer Ätzmaske (13) eine Öffnung (12) mit rechteckigem Grundriß in den einen Wafer (14) geätzt wird, und die Unterätzung unter die Ätzmaske (13) ausgemessen wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch ge­ kennzeichnet, daß die dreidimensionalen Strukturen durch Belichten durch Masken erzeugt werden, daß mit einer ersten Maske (15) Justierkreuze (18) für die Justierung aller weiteren Masken auf den Wafern (14) erzeugt werden, und daß die erste Maske (15) Winkel­ justierstrukturen (17) aufweist, die ihre Winkeljustierung relativ zu den Flats (19) erlauben.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Maske (15) zwei Winkeljustierstrukturen (17) im Abstand der mittleren Länge des Flat (19) aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkeljustierstrukturen (17) Balken (20, 21) aufweisen, deren Abstand zueinander sich durch die gewünschte Winkelgenauigkeit und den Ab­ stand der Winkeljustierstrukturen (17) voneinander ergibt.