DE4233703A1 - Verfahren zur Herstellung von Silizium-Einspritzplatten und Siliziumplatte - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Silizium-Einspritzplatten und SiliziumplatteInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von
Silizium-Einspritzplatten nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus
der Deutschen Anmeldung 41 12 150 ist bereits eine Silizium-Ein
spritzplatte bekannt, die durch Bonden einer oberen Siliziumplatte
und einer unteren Siliziumplatte hergestellt ist. Die obere
Siliziumplatte weist Einspritzlöcher, die untere Siliziumplatte
weist mindestens ein Durchgangsloch auf. Weiterhin sind in die
Siliziumplatten Ausnehmungen eingebracht, durch die Kanäle gebildet
werden, die das Durchgangsloch mit dem Außenrand der Silizium-Ein
spritzplatte verbinden. Durch diese Kanäle wird beispielsweise Luft
eingeblasen oder angesaugt, um eine bessere Zerstäubung der durch
die Einspritzlöcher hindurchfließenden Flüssigkeit zu gewährleisten.
Die Bearbeitung der Siliziumplatten erfolgt durch anisotropes Ätzen.
Für die Bearbeitung der unteren Siliziumplatte wird zunächst eine
Durchgangsöffnung vollständig von der Unterseite bis zur Oberseite
der unteren Siliziumplatte eingeätzt. Falls die Ausnehmungen für die
Kanäle in die untere Siliziumplatte eingebracht sind, so erfolgt
dieser Bearbeitungsschritt nach dem Ätzen der Durchgangsöffnung in
der unteren Siliziumplatte.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch gleich
zeitiges zweiseitiges anisotropes Ätzen des Siliziums die Zahl der
notwendigen Bearbeitungsschritte für die Silizium-Einspritzplatten
verringert wird. Auf diese Weise können die Silizium-Einspritz
platten kostengünstiger produziert werden. Die Siliziumplatte nach
dem nebengeordneten Anspruch 6 hat den Vorteil, daß das Durchgangs
loch und die Ausnehmung für Kanäle besonders symmetrisch bezüglich
der Mittelachse der Siliziumplatte angeordnet sind und so mit be
sonders geringen Fertigungstoleranzen hergestellt werden können.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Verfahrens zur Herstellung von Silizium-Einspritzplatten
möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren wird besonders einfach
durchgeführt, indem jeweils Ätzmasken auf der Oberseite und Unter
seite der unteren Siliziumplatte angeordnet sind, und indem die Ätz
lösung in etwa solange an der Siliziumplatte angreift, wie zur
Ätzung der halben Dicke der Siliziumplatte notwendig ist. Ein be
sonderer symmetrischer Aufbau, der eine gute Zerstäubung des durch
die Einspritzlöcher eintretenden Mediums gewährleistet, wird durch
die Verwendung von 100-orientiertem Silizium für die untere
Siliziumplatte erreicht. In diese 100-orientierte Siliziumplatte
werden kreuzförmige Ausnehmungen für die Durchgangsöffnung und die
Kanäle angebracht. Exakt definierte Strukturen lassen sich dabei
durch die Verwendung einer Kompensationsstruktur für die konvexen
Ecken erreichen. Besonders glatte Ecken, deren Ausgestaltung bezüg
lich der Kanäle symmetrisch ist, werden erreicht, wenn alle Arme der
kreuzförmigen Ausnehmungen die gleiche Breite aufweisen und wenn die
Kompensationsstrukturen durch Balken gebildet werden, die die je
weils einander gegenüberliegenden konvexen Ecken miteinander
verbinden. Durch die glatten Ecken werden die Strömungsverhältnisse
in den Kanälen besonders gut reproduzierbar, und es wird so eine
besonders gute Zerstäubung des durch die Einspritzlöcher hindurch
fließenden Mediums erreicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen
Fig. 1 eine Ansicht einer Silizium-Einspritzplatte, Fig. 2
einen Querschnitt durch die Silizium-Einspritzplatte der Fig. 1,
Fig. 3 die untere Siliziumplatte, Fig. 4 die Ätzmaske auf der
Oberseite der unteren Siliziumplatte und Fig. 5 die Ätzmaske auf
der Unterseite der unteren Siliziumplatte.
In der Fig. 1 ist eine Ansicht und in der Fig. 2 ein Querschnitt
durch eine Silizium-Einspritzplatte gezeigt. Die Fig. 1 entspricht
einer Ansicht von unten der Fig. 2. Die Silizium-Einspritzplatte
ist aus einer oberen Siliziumplatte 1 mit eingebrachten Einspritz
löchern 3 und einer unteren Siliziumplatte 2 mit einem Durchgangs
loch 4 aufgebaut. Weiterhin weist die untere Siliziumplatte 2 Aus
nehmungen auf, die von der oberen Siliziumplatte derart verschlossen
werden, daß Kanäle 5 entstehen, die vom Durchgangsloch 4 bis zum
Außenrand 6 der Silizium-Einspritzplatte reichen. Der in der Fig. 2
gezeigte Querschnitt entspricht einem Schnitt durch die Fig. 1 ent
lang der Linie II-II.
In die obere Siliziumplatte 1 sind vier Öffnungen eingebracht, die,
wie in Fig. 2 zu sehen ist, einen trapezförmigen Querschnitt auf
weisen. Solche Öffnungen lassen sich besonders einfach durch aniso
tropes Siliziumätzen in 100-orientierten Siliziumplatten erzielen.
Die Seitenwände der Einspritzlöcher 3 werden dabei durch
111-Kristallrichtungen des Siliziumeinkristalls gebildet. Zur Her
stellung solcher Einspritzlöcher 3 wird eine Ätzmaske auf der
Siliziumplatte 1 aufgebracht, die quadratische Bereiche der
Siliziumplatte 1 nicht bedeckt. Die Ränder dieser quadratischen Öff
nung liegen dabei auf 111-Kristallebenen, die einen Winkel von ca.
54,74° zur Oberfläche der Siliziumplatte 1 einnehmen. Die Einspritz
löcher 3 werden dann in die Siliziumplatte 1 eingeätzt, indem diese
einer basischen Ätzlösung, beispielsweise einer KOH-Lösung, ausge
setzt wird.
Die Bearbeitung der unteren Siliziumplatte 2 wird in den Fig. 3
bis 5 im Detail beschrieben.
Die beiden Siliziumplatten 1, 2 werden durch einen justierten
Bond-Prozeß miteinander verbunden. Bei einem solchen Bond-Prozeß
wird die Oberfläche der Siliziumplatten 1, 2 vorbehandelt, die
Siliziumplatten werden justiert aufeinandergelegt und dann einer
Hitzebehandlung unterzogen. Bei der Vorbehandlung der Oberfläche der
Siliziumplatten 1, 2 können dünne Schichten, beispielsweise aus Glas
oder Siliziumoxid auf den Oberflächen der Siliziumplatten 1, 2 er
zeugt oder abgeschieden werden. Andere Methoden der Oberflächenvor
behandlung umfassen das Eintauchen der Siliziumplatten 1, 2 in
Ätz- und Reinigungslösungen. Die Verbindung der beiden
Silizium-Platten 1, 2 wird um so fester, je großer die dafür zur Ver
fügung stehende Fläche ist. Bei der kreuzförmigen Anordnung der vier
Einspritzlöcher 3 wird durch das kreuzförmige Durchgangsloch 4 eine
besonders große Verbindungsfläche zwischen den beiden Silizium
platten 1 und 2 erreicht. Würden beispielsweise die vier Einspritz
löcher 3 die Ecken eines Quadrates bilden, so wäre der Platzver
brauch für ein entsprechendes Durchgangsloch 4 vergleichsweise
größer, sofern die Einspritzlöcher 3 untereinander den gleichen
Stand aufweisen wie bei der hier gezeigten kreuzförmigen Anordnung.
Weiterhin hat es sich für eine gute Zerstäubung als vorteilhaft
herausgestellt, wenn jedem Einspritzloch 3 mindestens ein eigener
Kanal 5 zugeordnet ist.
Die Funktion der hier gezeigten Silizium-Einspritzplatte wird bei
spielsweise in der Fig. 1 der DE 41 12 150 beschrieben. Durch die
Einspritzlöcher 3 wird beispielsweise eine Flüssigkeit durch das
Durchgangsloch 4 hindurch eingespritzt, die durch den durch die
Kanäle 5 eintretenden Luftstrom zerstäubt wird.
Es versteht sich von selbst, daß die Herstellung solcher Einspritz
platten durch die Verwendung von Siliziumwafern erfolgt. Die Her
stellung erfolgt zunächst durch parallele Bearbeitung einer Vielzahl
von Strukturen für Silizium-Einspritzplatten auf den Wafern. Erst in
einem letzten Prozeßschritt würden die Siliziumwafer in einzelne
Einspritzplatten zersägt. Der Außenrand 6 der Silizium-Einspritz
platten würde dann durch diese Sägeschnitte definiert.
In der Fig. 3 wird eine perspektivische Ansicht der unteren
Siliziumplatte 2 gezeigt. In die Oberseite 7 der Siliziumplatte 2
ist eine kreuzförmige Ausnehmung 11 eingeätzt, deren Arme bis zum
Rand der Siliziumplatte 2 reichen. In die Unterseite 8 der Silizium
platte 2 ist ebenfalls eine kreuzförmige Ausnehmung 12 eingeätzt,
deren Arme jedoch nicht bis zum Rand der Siliziumplatte 2 reichen.
Die Ausnehmungen 11, 12 sind beide jeweils bis zur Mitte in die
Siliziumplatte eingebracht, so daß sie sich in den Bereichen, in
denen sie sich überschneiden, zum kreuzförmigen Durchgangsloch 4
vereinigen. Die Seitenwände der Ausnehmungen 11, 12 werden durch
111-Ebenen des Siliziumeinkristalls der Siliziumplatte 2 gebildet,
die Böden der Ausnehmung 11 werden durch eine 100-Kristallebene des
Siliziumeinkristalls gebildet.
Die beiden Ausnehmungen 11, 12 werden in die Siliziumplatte 2 einge
bracht, indem die Oberseite 7 und die Unterseite 8 der Silizium
platte 2 mit einer Ätzmaske 9, 10 bedeckt werden. Diese Ätzmasken 9,
10 werden in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Die mit den Ätzmasken
9, 10 bedeckte Siliziumplatte 2 wird dann einer basischen Ätzlösung,
beispielsweise einer KOH-Lösung, ausgesetzt, so
daß die nicht von der Ätzmaske bedeckten Bereiche der Siliziumplatte
2 geätzt werden. Diese Ätzung wird solange durchgeführt, bis die
beiden Ausnehmungen 11, 12 jeweils die Mitte der Siliziumplatte 2
erreichen und sich dann zur Durchgangsöffnung 4 vereinigen. Bei
diesem Ätzprozeß müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um
die konvexen Ecken 13 zu schützen. Diese konvexen Ecken weisen näm
lich an ihrer Spitze Kristallebenen auf, die von anisotrop wirkenden
Ätzlosungen in einem weitaus größeren Maße angegriffen werden als
die 111-Kristallebenen, die die Seitenwände der Ausnehmungen 11, 12
bilden. Die entsprechenden Maßnahmen werden zu den Fig. 4 und 5
beschrieben.
In der Fig. 4 ist eine Aufsicht auf die Oberseite 7 der Silizium
platte 2 mit aufgebrachter Ätzmaske 9 gezeigt. Die Ätzmaske 9 be
steht aus einem Material, welches von der basischen Ätzlösung, die
zur Ätzung der Siliziumplatte 2 verwendet wird, nicht angegriffen
wird. Solche Ätzmasken können beispielsweise durch aufgebrachte
Metallschichten oder Siliziumoxid oder Siliziumnitrid gebildet
werden. Die Bereiche 20 der Oberseite 7 der Siliziumplatte 2 sind
nicht von der Ätzmaske bedeckt und werden daher von der Ätzlösung
geätzt. Die Bereiche 20 weisen eine fünfeckige Form auf, wobei drei
der Seiten 21 auf 111-Ebenen liegen, die einen Winkel von ca. 54,74°
zur 100-Oberfläche der Siliziumplatte 2 aufweisen, d. h. daß diese
Kanten der Ätzmaske in 110-Richtung orientiert sind. Ausgehend von
diesen Kanten entstehen 111 Ätzflanken, die einen Winkel von 54,74°
zur 100-Oberfläche der Siliziumplatte 2 aufweisen. Weiterhin weist
jede der Flächen 20 zwei Ränder 22 auf, die auf 100-Ebenen liegen,
die senkrecht zur 100-Oberfläche der Siliziumplatte 2 sind, d. h. daß
diese Kanten der Ätzmaske in 100-Richtung zeigen. Ausgehend von
diesen Kanten entstehen senkrechte 100-Ätzflanken. Die freiliegenden
Bereiche 20 sind derart angeordnet, daß in der Mitte der Silizium
platte 2 zwei sich überkreuzende Balkenstrukturen 14 von den
100-Rändern 22 gebildet werden. Durch diese Balkenstrukturen 14
wird ein effektiver Schutz der von konvexen Ecken 13 der Silizium
platte 2 erreicht. Wird nämlich die hier gezeigte Siliziumplatte 2
einer basischen Ätzlösung ausgesetzt, so werden die 111-Kristall
richtungen des Siliziumeinkristalls nur vernachlässigbar geätzt. Die
Wirkung der Ätzlosung erfolgt vorwiegend in die 100-Richtung, d. h.,
es wird eine Ausnehmung in die Oberseite 7 der Siliziumplatte 2 ein
geätzt. Da die Balkenstrukturen 14 ebenfalls an 100-Kristall
richtungen ausgerichtet sind, werden die Balkenstrukturen 14 mit der
gleichen Geschwindigkeit unterätzt, wie eine Ätzung in die Tiefe
stattfindet. Wenn die Breite der Balkenstrukturen 14 gerade der
Dicke der Siliziumplatte 2 entspricht, so werden bei gleichzeitiger
Ätzung von beiden Seiten der Siliziumplatte 2 die Balkenstrukturen
14 gerade dann vollständig unterätzt, wenn sich die Ausnehmungen von
der Oberseite 7 und der Unterseite 8 gerade in der Mitte der
Siliziumplatte 2 treffen. Durch die Balkenstrukturen 14 wird somit
zu einem Zeitpunkt eine konvexe Ecke 13 ermöglicht, die durch zwei
zusammenlaufende 111-Seitenwände der Ausnehmungen gebildet wird.
Wird die Ätzung kurz zuvor abgebrochen, so verbleibt noch ein ge
wisser Rest Silizium auf der Spitze der konvexen Ecken 13. Wird
kurzzeitig überätzt, so werden die Spitzen der konvexen Ecken 13
angeätzt. Kompensationsstrukturen für konvexe Ecken sind beim
Siliziumätzen gebräuchlich. Die hier verwendeten Balken 14 sind je
doch gerade für die Ausbildung von Strömungskanälen besonders vor
teilhaft. Die durch die Balken 14 gebildete Kompensationsstruktur
für die konvexen Ecken 13 ist symmetrisch und bewirkt, daß alle vier
konvexen Ecken 13 bei einer leichten Unter- oder Überätzung die
gleiche Form aufweisen. Dadurch bleiben die Strömungsverhältnisse in
den Kanälen 5 von geringen Fertigungstoleranzen abgesehen weitgehend
unbeeinflußt. Für die Funktion der Einspritzplatte ist nämlich eine
symmetrische Ausgestaltung aller vier Kanäle 5 von wesentlich
größerer Bedeutung als die Einhaltung der Absolutwerte der Ab
messungen der Kanäle 5. Bereits kleine Unsymmetrien der konvexen
Ecken 13 führen nämlich bei den hier gezeigten Kanälen 5 zu einer
ungleichmäßigen Zerstäubung
der durch die Einspritzlöcher 3 eintretenden Flüssigkeit. Die hier
gezeigte Kompensationsstruktur für die konvexen Ecken 13 ist daher
für die Herstellung von Silizium-Einspritzplatten besonders vor
teilhaft.
In der Fig. 5 ist die Unterseite 8 der Siliziumplatte 2 mit der
darauf aufgebrachten Ätzmaske 10 dargestellt. Die fünfeckigen Be
reiche 30 sind wiederum nicht von der Ätzmaske bedeckt. Die drei
Ränder 31 jedes frei liegenden Bereiches 30 sind wieder auf einer
111-Ebene, die einen Winkel von ca. 54,74° zur Oberfläche der
100-orientierten Siliziumplatte 2 bildet, gelegen. Die Ränder 32 der
freiliegenden Bereiche 30 sind wieder auf 100-Kristallebenen ge
legen, die rechtwinklig zur 100-Oberfläche der Siliziumplatte 2
sind. Durch diese Kanten 32 werden wieder Balkenstrukturen 14 ge
bildet, die die konvexen Ecken beim Ätzprozeß von der Unterseite 8
der Siliziumplatte 2 schützen. Die freiliegenden Bereiche 30 reichen
hier nicht bis an den Rand der Siliziumplatte 2. Durch die hier ge
zeigte Ätzmaske 10 wird somit eine kreuzförmige Öffnung in die
Unterseite der Siliziumplatte 2 eingebracht, wobei die Arme dieser
kreuzförmigen Öffnung nicht bis an den Rand der Siliziumplatte 2
reichen.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung von Silizium-Einspritzplatten, die
durch Bonden einer oberen Platte (1) mit mindestens einem Einspritz
loch (3) und einer unteren Siliziumplatte (2) mit mindestens einem
Durchgangsloch (4) gebildet werden, wobei Einspritzloch (3) und
Durchgangsloch (4) übereinander angeordnet werden, wobei durch Aus
nehmungen in den Siliziumplatten (1, 2) Kanäle (5) zwischen dem
Durchgangsloch (4) und dem Außenrand (6) der Silizium-Einspritz
platte ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die untere
Siliziumplatte (2) durch gleichzeitiges, zweiseitiges, anisotropes
Ätzen des Siliziums bearbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die
Ätzung der unteren Siliziumplatte (2) jeweils auf der Unterseite (8)
und der Oberseite (7) eine Ätzmaske (9, 10) angeordnet wird, wobei
die Bereiche des Durchgangslochs (4) von der Oberseite (7) und der
Unterseite (8), die Bereiche der Kanäle (5) nur von der Oberseite
(7) nicht durch die Ätzmaske (9, 10) gegen den Angriff der Ätzlösung
geschützt wird, und daß die untere Siliziumplatte (2) in etwa so
lange von der Ätzlösung angegriffen wird, wie zur Ätzung der halben
Dicke der Siliziumplatte (2) notwendig ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die untere
Siliziumplatte (2) eine 100-Orientierung aufweist, daß von der Ober
seite (7) ausgehend eine kreuzförmige Ausnehmung (11) in die untere
Siliziumplatte (2) eingeätzt wird, wobei die Arme dieses Kreuzes bis
zum Rand der Siliziumplatte (2) reichen, daß von der Unterseite (8)
ausgehend eine kreuzförmige Ausnehmung (12) in die untere Silizium
platte (2) eingeätzt wird, wobei die Arme dieses Kreuzes nicht bis
zum Rand der Siliziumplatte (2) reichen, daß die Aus
nehmungen (11, 12) übereinanderliegen und so tief sind, daß sich die
Ausnehmungen (11, 12) zu einem kreuzförmigen Durchgangsloch (4) ver
einigen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ätzen
die konvexen Ecken (13) der kreuzförmigen Ausnehmungen (11, 12), die
durch zusammenlaufende 111-Ebenen der Siliziumplatte (2) gebildet
werden, durch Kompensationsstrukturen geschützt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme
der kreuzförmigen Ausnehmungen (11) der Oberseite (7) gleich breit
sind, daß die Arme der kreuzförmigen Ausnehmung (12) der Unterseite
(8) gleich breit sind, und daß die Kompensationstruktur durch Balken
(14) gebildet wird, die sich von den gegenüberliegenden konvexen
Ecken (13) bis zur jeweils diagonal entgegengesetzten Ecke (13) er
strecken, wobei die Kanten der Balken (14) auf 100-Ebenen der
Siliziumplatte (2) liegen, die senkrecht zur 100-Oberfläche der
Siliziumplatte (2) sind.
6. Siliziumplatte (2) mit mindestens einem Durchgangsloch (4) und
mindestens einer Ausnehmung (11) für Kanäle (5), die auf einer Seite
der Siliziumplatte (2) eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß
auf der einen Seite der Siliziumplatte (2) die Ausnehmung (11) und
das Durchgangsloch (4) bis zur Tiefe der Kanäle (5) und von der
anderen Seite das Durchgangsloch (4) geätzt ist, so daß das Durch
gangsloch (4) in etwa in der Mitte der Siliziumplatte (2) eine Kante
aufweist.
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Publications (1)
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DE4233703A Withdrawn DE4233703A1 (de) | 1992-10-07 | 1992-10-07 | Verfahren zur Herstellung von Silizium-Einspritzplatten und Siliziumplatte |
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