DE4334666C1 - Verfahren zum anisotropen Ätzen monokristalliner Materialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum anisotropen Ätzen monokristalliner Materialien für die Herstellung mikromechanischer Bauelemente mit kleinen To­ leranzen.

Die anisotrope Ätztechnik wird zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile mit kleinen Abmessungen (bis in den Mikrometerbereich) aus monokristallinen Ma­ terialien wie z. B. Silizium eingesetzt. Beim anisotropen Ätzen wird die starke Ab­ hängigkeit der Ätzrate von der Kristallrichtung zur Erzeugung definierter Strukturen ausgenutzt. Für praktische Anwendungen sind insbesondere die um den Faktor 100-1000 geringere Ätzrate der (111)-Ebenen gegenüber den (100)- Ebenen in Silizium und die Möglichkeit selektiv zu ätzen, d. h. den Ätzvorgang an hochdotierten Schichten oder elektrochemisch an p/n-Übergängen zu stoppen, von Bedeutung.

Anisotrope Ätzprozesse werden für die Herstellung mikromechanischer Bauelemente, wie Sensoren für mechanische Größen (Druck, Kraft, Beschleuni­ gung) sowie für thermische und chemische Größen, bereits industriell einge­ setzt. Auch mikromechanische Aktoren, wie miniaturisierte Pumpen, passive und aktive Ventile aus Silizium, werden mit diesen Verfahren hergestellt.

Die bekannten Verfahren zur dreidimensionalen Strukturierung von Silizium mit Hilfe der anisotropen Ätztechnik sehen die folgenden Verfahrensschritte vor:

Das Ausgangsmaterial für das Bauelement bilden üblicherweise Siliziumwafer mit 75, 100, 125 oder 150 mm Durchmesser. Die Oberflächen dieser Wafer sind entlang einer definierten Kristallrichtung, z. B. der (100)-Ebene ausgerichtet. Ein abgeschnittenes Segment, Flat genannt, definiert die Lage des Siliziumkristalls durch die Angabe einer weiteren Kristallebene im Wafer, z. B. der (110)-Ebene.

Zunächst wird eine Maske hergestellt, welche die die Bauteilgeometrie bestimmenden Öffnungen aufweist.

Der Siliziumwafer wird vor dem Ätzprozeß in der anisotropen Ätzlösung mit einem gegen die Ätzlösung resistenten Material beschichtet. Üblich sind hierbei aus der Mikroelektronik bekannte Schichtmaterialien, wie thermische Sili­ ziumoxide, LPCVD-Nitride, PECVD-Oxide und -Nitride oder PECVD-Siliziumcar­ bid.

Mit Hilfe der ebenfalls aus der Mikroelektronik bekannten Photolithographiever­ fahren wird die Struktur der oben genannten Maske auf das Passivierungsmate­ rial übertragen und die Passivierungsschicht in den durch die Maske definierten Bereichen durch Ätzprozesse (z. B. Trockenätzen) fensterartig geöffnet. Anschließend wird der beschichtete Siliziumwafer in ein Ätzbad mit der anisotropen Ätzlösung eingetaucht und durch diesen Ätzprozeß die dreidimen­ sionale Struktur erzeugt.

Wegen der um den Faktor 100 bis 1000 geringeren Ätzrate der (111)-Ebenen gegenüber der (100)-Ebene der Waferoberfläche ergibt sich im Idealfall eine Struktur, bei der sich an den Kanten der Passivierungsöffnungen (111)-Ebenen ausbilden, die lateral nicht oder nur gering unterätzt werden. Diese Ebenen ha­ ben einen definierten Winkel zur (100)-Ebene der Waferoberfläche (54,7°). Durch den zeitlichen Abtrag des Wafermaterials in den geöffneten Bereichen bildet sich eine Vertiefung, deren Seitenwände durch (111)-Ebenen definiert sind und deren Bodenfläche parallel zur Waferoberfläche ist. So lassen sich mit diesem Verfahren dünne Membranen, durch beidseitige Ätzprozesse auch Biegebalken und Stege herstellen.

Bei der Vermessung der auf diese Weise anisotrop geätzten Struktur zeigen sich jedoch laterale Unterätzungen der (111)-Ebenen, die in verschiedenen weiter unten genannten Effekten ihre Ursache haben können.

Die Unterätzungen können gezielt gesteuert werden, wie z. B. in dem aus der DE 41 06 287 A1 bekannten Verfahren zum anisotropen Ätzen, bei dem die Dimensionierung der auf das Passivierungsmaterial übertragenen Maskenstruk­ tur und deren Orientierung bzgl. der Kristallorientierung des Wafers und der Anisotropieeigenschaften des Wafermaterials so gewählt werden, daß die gewünschte Größe und Form der Grundfläche der Ausnehmung durch gezieltes Unterätzen der Maskierschicht erreicht wird.

Bei den oben beschriebenen anisotropen Ätzverfahren treten die folgenden Probleme auf:

• a) Endliche Ätzrate der (111)-Ebene:
  Gegenüber dem Idealfall weisen die (111)-Ebenen eine vom Passivie­ rungsmaterial und der Art und Konzentration der Ätzlösung abhängige Ätz­ rate auf. Diese beträgt z. B. für KOH als Ätzlösung bei 33 Gew.-% und 80°C und Siliziumcarbid als Passivierung etwa 0,5 µm/h. Die hieraus resultie­ rende laterale Unterätzung ist sehr gut reproduzierbar und kann bei der Dimensionierung der Ätzmaske bereits berücksichtigt werden.
• b) Maskenfehler:
  Je nach dem Herstellverfahren der Maske weist die Maskengeometrie ver­ schiedene Toleranzen auf. Diese Toleranzen führen zu systematischen Fehlern im Batchprozeß, d. h. daß der Fehler für alle mit der Maske herge­ stellten Bauteile gleich groß ist.
• c) Justagefehler beim Photolackprozeß:
  Bei nahezu jedem mikromechanischen Bauteil muß die Ätzmaske zu ande­ ren Strukturen, z. B. zu elektronischen Komponenten wie Widerständen oder Elektroden, justiert werden. Diese Justage kann verfahrensbedingt auf etwa 1 µm genau erfolgen. Zudem treten auch beim Belichtungs- und Ätzprozeß Streuungen in den Strukturbreiten auf. Bei optimierten Prozes­ sen kann die Maskenstruktur daher nur auf etwa 1-5 mm genau auf die Passivierung übertragen werden. Diese Fehler sind innerhalb eines Wafers (Substrates) gleich groß, jedoch nicht innerhalb eines Batchprozesses für mehrere Wafer. Von der Größenordnung her spielt dieser Fehler eine un­ tergeordnete Rolle.
• d) Fehler im Ausgangssubstrat:
  Auch das Ausgangssubstrat, der Siliziumwafer, kann nicht beliebig genau hergestellt werden. Die Wafer weisen Dickentoleranzen und Parallelitätsfeh­ ler der beiden Waferoberflächen auf. Auch die Kristallorientierung stimmt nicht exakt mit der Oberfläche und der Flatorientierung überein. Die Tole­ ranz für die Abweichung der Oberflächenorientierung zum Kristall wird als Tilt bezeichnet und durch den Winkel zwischen der realen Kristallrichtung und der Oberfläche des Wafers angegeben. Die Abweichung der Flatrich­ tung zu der angegebenen Kristallrichtung wird als Flatfehlorientierung be­ zeichnet und ebenfalls durch den Winkel angegeben. Typische Hersteller­ angaben für die Tilt und Flatfehlorientierungen sind:
  - Tilt: ±15°
  - Flatfehlorientierung: ±1,5°.
• Die Fehler im Ausgangssubstrat sind für die Bauteile, die in einem Wafer hergestellt werden und die gleichen Abmessungen besitzen, gleich groß.

Der Einfluß des Tilt auf die Toleranzen des Bauteils wird auch von der Ätztiefe bestimmt und liegt bei den angegebenen Tiltwerten in der Größenordnung von bis zu 10 µm.

Die Flatfehlorientierung streut stark von Wafer zu Wafer und die Auswirkungen auf die Bauteilgeometrie sind zudem von der Größe der Maskenöffnungen und somit der Bauteile abhängig. Die dadurch bedingte laterale Unterätzung der Maske entlang der (111)-Ebene liegt im Bereich 10-100 µm. Da der Substratfehler nicht für alle Wafer gleich ist, führen diese Effekte, vor allem die Flatfehlorientierung, zu großen Herstelltoleranzen in einer Batchprozessierung.

Die oben beschriebenen Effekte sind bekannt. Sie führen zu relativ hohen Toleranzen in der Batchprozessierung von mikromechanischen Bauteilen wie Sensoren und Aktoren auf Siliziumbasis.

Für Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen sind Verfahren bekannt, die vor allem die Auswirkungen der Flatfehlorientierung auf die Toleranzen eines Bauteils minimieren. Aufgrund der Herstellungstechnologie kann der Flatorientierungsfehler nahezu vollständig durch die Maskentechnik kompensiert werden. Nach dem Stand der Technik ist es hierzu notwendig, vor dem anisotropen Ätzen die Kristallorientierung exakt festzustellen und die Phototechnik zur Strukturierung der Passivierungsschicht nach der Kristallorien­ tierung auszurichten. Zur Feststellung von Flatfehlorientierung und Tilt sind zwei Verfahren bekannt.

Bei einem Verfahren werden mit einem Analysehilfsmittel wie dem Röntgen­ diffraktometer die reale Kristallorientierung festgestellt und der Winkel zwischen dem Flat und der Kristallorientierung gemessen.

Bei einem zweiten Verfahren werden in einem anisotropen Ätzprozeß Teststruk­ turen für die Detektion der Kristallebene freigelegt und vermessen.

So lehrt die DE 41 36 089 A1 ein Verfahren zum Bestimmen der Kristallorientierung in einem Wafer, bei dem auf den Wafer eine Ätzmaske mit einer streifenförmigen Maskenöffnung und jeweils einer spitzen Kerbe an den Längsseiten der Maske in in einer Ausrichtung entlang einer vorgegebenen Markierung des Wafers aufgebracht wird, der Wafer anisotrop unter Gewinnung einer Rinne geätzt wird, und schließlich die tatsächliche Kristallorientierung anhand der Winkel zwischen den Rändern der ausgeätzten Rinne und den Längsseiten der Maskenöffnung rechnerisch bestimmt wird.

Bei beiden Verfahren wird schließlich die Maske für den anisotropen Ätzprozeß zur Herstellung des Bauteils nach der vorher gemessenen Kristallorientierung justiert. Dies sind jedoch sehr aufwendige Verfahren, die zum Teil rechnerunter­ stützt durchgeführt werden.

Befinden sich im Bauteil noch andere Komponenten, auf die die Maske justiert werden muß, können auch diese Verfahren die Flatfehlorientierung nicht vollständig kompensieren.

Beide der genannten Verfahren sind technologisch aufwendige und teure Prozesse, da mehrere zusätzliche Prozeßschritte und zusätzliche Ausrüstung erforderlich sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum anisotropen Ätzen anzugeben, mit dem die Erzeugung definierter Ausnehmungen mit kleinen Toleranzen in monokristallinen Substraten auf einfache Weise möglich ist.

Die Aufgabe wird mit dem in Anspruch 1 angegebenen Verfahren gelöst. Hierbei wurde erkannt, daß zur Festlegung der Geometrie der zu erzeugenden Ausnehmung oder von Begrenzungsflächen von Zwischenstrukturen, die während des Ätzprozesses entstehen, nicht die gesamte Form der Ätzmaske maßgeblich ist, sondern nur einzelne Punkte des Maskenrandes. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird daher eine Maskenform erzeugt deren Öff­ nungsfläche kleiner als die maskenseitige Grundfläche der zu erzeugenden Ausnehmung ist, und die an den Rändern Kerben aufweist, die von der Maskenöffnung weg nach außen gerichtet sind. Die Tiefen der Kerben werden so gewählt, daß ausschließlich durch deren Endpunkte (d. h. der oder die Randpunkte im Bereich der tiefsten Stelle der Kerbe) die Kristallebenen festgelegt werden, die die Seitenwände der späteren Ausnehmung bilden.

Bei der Dimensionierung der Maske, insbesondere der Position der Endpunkte der Kerben, werden die Ätzzeit und die Ätzrate der jeweiligen Kristallebenen be­ rücksichtigt. So werden z. B. beim Ätzen in (111)-Richtung in Silizium die Endpunkte der Kerben nicht genau auf die (111)-Ebenen gelegt, die die spätere Ausnehmung bilden, sondern in einem Abstand dazu, der sich bei Berücksichti­ gung der endlichen Ätzrate dieser Ebenen und der Ätzzeit ergibt (Berücksichtigung des lateralen Unterätzens).

Die inneren Kanten der Kerben stellen konvexe Ebenen dar, die im Laufe des Ätzprozesses unterätzt werden, so daß sich die gewünschte, allein durch die Endpunkte der Kerben festgelegte Geometrie der Ausnehmung ergibt. So ist es z. B. möglich, eine Ausnehmung mit quadratischer Grundfläche mit einer sternförmigen Maskenöffnung zu erzeugen, deren vier Spitzen, die den Kerben entsprechen, die vier Seitenwände (z. B. bei Silizium vier (111)-Ebenen) der Ausnehmung festlegen.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugbaren Ausnehmungen sind natürlich nicht auf rechteckige Formen beschränkt. So lassen sich z. B. in Silizium bei KOH als Ätzlösung Ausnehmungen mit einer Kombination aus (111)- und (100)-Ebenen als Begrenzungsflächen ätzen, wobei bei der Dimensionie­ rung der Ätzmaske (d. h. insbesondere der Position der Endpunkte der Kerben) die Ätzzeit und die unterschiedlichen Ätzraten von (111)- und (100)-Ebenen be­ rücksichtigt werden müssen.

Die Art der Kristallebenen, die sich beim Ätzen herausbilden, und somit die mög­ liche Form der Ausnehmung ist jeweils vom Kristall und von der eingesetzten Ätzlösung abhängig. Als Beispiel hierfür sei auf das unterschiedliche Ätzverhal­ ten von KOH im Vergleich zu EDP (Mischung aus Wasser, Ethlendiamin und Py­ rocatechol) in Silizium verwiesen (vgl. z. B. Y. Bäcklund und L. Rosengreen, J. Micromech. Microeng. 2 (1992), 75-79).

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch Strukturen festlegen, die während des Ätzprozesses entstehen (Zwischenstrukturen) und nach Beendigung des Ätzprozesses verschwunden sind. So sind Ätzverfahren bekannt, bei denen die Unterätzung konvexer Ecken, z. B. einer Versteifung in­ nerhalb einer Membran, durch eine geeignete Kompensationsform der Ätzmaske verhindert wird (vgl. z. B. H. L. Offereins et al., Sensors and Materials 3, 3 (1992), 127-144). Eine derartige Kompensationsform ist z. B. in Fig. 3c als streifenförmige Erweitung der Passivierungsschicht im Bereich der Ecken der Versteifung gezeigt. Aufgrund dieser Streifen, die im Verlaufe des Ätzprozesses unterätzt werden, ergeben sich an den Ecken der Versteifung Zwischenstruktu­ ren, deren Abmessungen sehr genau vorbestimmt sein müssen, damit die Ver­ steifung nach Beendigung des Ätzprozesses scharfe Ecken aufweist. Die Festlegung von Begrenzungsflächen dieser Zwischenstrukturen erfolgt erfindungsgemäß allein durch die Endpunkte von Kerben in der Maskenöffnung (z. B. auf beiden Seiten der Streifen zur genauen Festlegung der Breite der Zwischenstruktur).

Eine Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Erzeugung von Zwischenstrukturen für die optische Kontrolle der Ätztiefe ist im Ausführungsbeispiel dargestellt.

Wie in den Ausführungsbeispielen näher erläutert, ist beim erfindungsgemäßen Verfahren keine exakte Ausrichtung der Ätzmaske bezüglich der Kristallorientie­ rung mehr nötig.

Mit der Erfindung kann die Flatfehlorientierung ebenso wie bei den bisher als Stand der Technik beschriebenen Verfahren kompensiert werden, ohne daß je­ doch zusätzliche Prozeßschritte oder eine zusätzliche Ausrüstung erforderlich sind. Gegenüber der konventionellen Ätztechnik ohne Maßnahmen zur Kompensation der Flatfehlorientierung können die Herstelltoleranzen vieler mi­ kromechanischer Bauteile ohne Mehrkosten drastisch reduziert werden.

Das Verfahren kann auf alle anisotrop ätzbaren Materialien unabhängig von der Kristallorientierung im Substrat angewendet werden. Auch bezüglich des Passivierungsmaterials bestehen keine Einschränkungen.

Gemäß Anspruch 2 wird zur Erzeugung einer Ausnehmung mit einer aus rechteckförmigen Flächen zusammensetzbaren Grundfläche, deren Abmessun­ gen durch Festlegung einer idealen maskenseitigen Grundfläche auf der Substratoberfläche vorgegeben sind, eine der Form der Grundfläche entspre­ chende Form der Maskenöffnung gewählt, die an jeder Seite bei der halben Seitenlänge eine Kerbe aufweist, wobei die Maskenöffnung derart angeordnet wird, daß die Endpunkte jeder Kerbe im Bereich der halben Seitenlängen der idealen maskenseitigen Grundfläche liegen.

Die ideale maskenseitige Grundfläche ist vorzugsweise (vgl. Anspruch 3) unter einem vorgegebenen Winkel zu einer am Substrat angebrachten Markierung (z. B. das Flat bei Siliziumsubstraten) festgelegt, wobei die Markierung nahezu parallel zur Schnittlinie einer weiteren Kristallebene (z. B. der (111)-Ebene bei Si­ lizium) mit der Substratoberfläche verläuft. Dies entspricht der üblichen Techno­ logie, bei der die ideale maskenseitige Grundfläche mit einer Seite parallel zum Flat ausgerichtet ist.

Die vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch 4 bezieht sich auf Substrate bei denen, wie z. B. bei Siliziumwafern, die maximal mögliche Ab­ weichung der Markierungsrichtung (bei Siliziumwafern: Flatfehlorientierung) von der entsprechenden Kristallrichtung angegeben ist (Toleranzangabe).

Die Tiefe der Kerben ist danach so zu gestalten, daß im Falle der maximal möglichen Fehlorientierung der Markierung, die aufgrund der Toleranzangabe bekannt ist, die sich herausbildenden Kristallebenen die Ecken der Grundform der Ätzmaske gerade berühren würden.

Zur Einhaltung eines definierten Abstandes von einem Punkt am Rand der Aus­ nehmung zu einem anderen Punkt des Substrates, wird gemäß Anspruch 5 eine Kerbe in der Maskenöffnung derart angeordnet, daß deren Endpunkt oder einer der Endpunkte auf dem entsprechenden Randpunkt liegt.

Zur Begrenzung der Tiefe der Ausnehmung kann vor dem Ätzprozeß eine Ätz­ stoppschicht, z. B. durch entsprechende Dotierung, in das Substrat eingebracht werden (Anspruch 7).

Diese und weitere in den Unteransprüchen angegebene vorteilhafte Ausgestal­ tungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen am Beispiel der Zeichnungen in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Dabei zeigt

Fig. 1a ein Beispiel für eine mit herkömmlichen Verfahren anisotrop ge­ ätzte ideale Struktur einer Ausnehmung,

Fig. 1b ein Beispiel für eine sich aufgrund einer Flatfehlorientierung er­ gebenden anisotrop geätzten Struktur einer Ausnehmung,

Fig. 2a eine mit herkömmlichen Verfahren in einem Wafer mit Flatfehl­ orientierung hergestellte Struktur in Draufsicht,

Fig. 2b eine bei gleicher Flatfehlorientierung mit dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren hergestellte Struktur in Draufsicht,

Fig. 2c ein Vergleich der Strukturen aus 2a und 2b im Schnitt AA′,

Fig. 3a ideale Struktur eines Drucksensors in Seitenansicht und Draufsicht,

Fig. 3b die sich ergebende Struktur des Drucksensors bei konventionel­ ler Ätztechnik,

Fig. 3c die beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Drucksensors verwendete Maskentechnik in Draufsicht,

Fig. 3d die sich ergebende Struktur des Drucksensors bei Verwendung der erfindungsgemäßen Ätztechnik,

Fig. 4a ein Beispiel für eine Maskenstruktur zur optischen Kontrolle der Ätztiefe bei konventioneller Ätztechnik, und

Fig. 4b ein Beispiel für eine Maskenstruktur zur optischen Kontrolle der Ätztiefe bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Den Idealfall einer anisotrop geätzten Ausnehmung mit der Tiefe H zeigt Fig. 1a. Auf dem Siliziumwafer 10 befindet sich die strukturierte Passivierungs­ schicht 7 mit einer Breite der Maskenöffnung, die der Breite b der maskenseiti­ gen Öffnung der Ausnehmung entspricht. Diese Struktur ergibt sich bei Ausrichtung der Maske parallel zum Flat ohne Flatfehlorientierung. Die Seiten­ wände der Ausnehmung werden durch (111)-Ebenen gebildet, die nicht unterätzt sind. Im Realfall, d. h. mit einer Flatfehlorientierung, wird bei gleicher Maskenanordnung eine Struktur gemäß Fig. 1b erzeugt. Hier sind laterale Unterätzungen der Struktur der Größe d1 und d2 vorhanden, so daß die Breite b der maskenseitigen Grundfläche der Ausnehmung größer als die gewünschte Breite ist.

Die Auswirkungen einer Flatfehlorientierung auf die Geometrie des zu ätzenden Bauteils bei Verwendung der konventionellen Maskentechnik sind am Beispiel der Ätztechnik einer Membran 3 in (100)-Silizium in Fig. 2a in Draufsicht dar­ gestellt. Dabei wird angenommen, daß die rechteckförmige Maskenöffnung ideal parallel zum Flat ausgerichtet und die (110)-Ebene um den Winkel α gegenüber dem Flat geneigt ist.

Unter diesen Annahmen ist die rechteckförmige Öffnung 1 in der Passivie­ rungsschicht 7 um den Winkel α gegenüber der (110)-Ebene geneigt. Wird nun diese Struktur in eine anisotrope Ätzlösung getaucht, richtet sich die geätzte Struktur im Laufe des Ätzprozesses an der realen Kristallrichtung aus, d. h. daß bei langen Ätzzeiten vier (111)-Ebenen, die durch die Ecken 4 der Maskenöff­ nung definiert werden, die Bauteilgeometrie beschreiben. Die Abmessungen der geätzten rechteckförmigen Öffnung im Silizium unmittelbar an der Oberfläche unterhalb der Passivierung lassen sich durch das um den Winkel α gedrehte, die rechteckförmige Öffnung umschreibende Rechteck 2 ermitteln. Gegenüber der idealen Bauteilgeometrie 1 ist diese Struktur um den Winkel α verdreht und je­ weils an den Kanten der Membran um die Abweichung des idealen zu dem um­ schreibenden Quadrat (Abstand d entlang den Kanten in Fig. 2a) zu groß.

Für viele Anwendungen spielt die Verdrehung der realen zu der idealen Struktur (maximal 1,5°) eine untergeordnete Rolle, da z. B. eine Verdrehung von elektronischen Komponenten der mikromechanischen Struktur keine wesentli­ chen Einflüsse auf die Bauteilcharakteristik hat.

Die Abweichungen d an den Kanten der Membran sind jedoch bei vielen Anwendungen, z. B. piezoresistiven Sensoren von essentieller Bedeutung, da hierdurch die Bauteilfunktion deutlich beeinflußt wird (Vergrößerung der Membranfläche, Verschiebung des mechanischen Spannungszustandes). Die Bauteilabmessungen sind hier je nach Flatfehlorientierung der Substratwafer statistisch verteilt.

Die grundlegende Erkenntnis der Erfindung ist, daß die Definition der die Bauteilgeometrie bestimmenden Kristallebenen nicht von den Kanten der Rechtecköffnung 1 in der Passivierung 7 bestimmt wird, sondern an eindeutig definierten Punkten 5 des Designs. Hierzu wird die rechteckförmige Öffnung in der Maske verkleinert und um dreieckförmige Kerben 5 erweitert, wie in Fig. 2b dargestellt. Jeweils an den Symmetrieachsen der Membran wird eine solche Kerbe eingefügt, deren Endpunkte sich auf der idealen Maskenöffnung 1 befinden. Die eigentlichen Membranränder bleiben somit verdeckt.

Die inneren Kanten 6 der Kerben stellen konvexe Ecken dar, die im Laufe des Ätzprozesses unterätzt werden. Es bildet sich eine Membran 3, deren Kanten durch die (111)-Ebenen, die durch die Endpunkte der Kerben 5 freigegeben werden, definiert werden. Die Abmessungen der Membran sind für kleine Winkel α immer gleich groß, d. h. daß bei der Spezifikation der Flatfehlorientierung in­ nerhalb der angegebenen Toleranzen (Flatfehlorientierung: ±30) Bauteile hergestellt werden können, die zwar gegenüber der idealen Lage bis zu einigen Grad verdreht sein können, jedoch unabhängig von der Flatorientierung immer die selbe Größe b1 besitzen. Dies ist für die mit konventioneller Maskentechnik hergestellte Membran nicht der Fall, da deren Größe b2 von der jeweiligen Flat­ fehlorientierung abhängt. Einen Vergleich der beiden sich ergebenden Membranabmessungen b1 und b2 bei gegebener Flatfehlorientierung zeigt Fig. 2c, die einen Schnitt entlang der Achse AA′ der beiden Fig. 2a und 2b darstellt.

Die Tiefe der Kerben 5 ist so zu gestalten, daß bei der maximal möglichen Flatfehlorientierung die entstehenden (111)-Ebenen die Ecken der Maskierung 4 gerade berühren.

Sind in einem Design an einer bestimmten Stelle definierte Abstände einzuhal­ ten, so können auch mehrere Kerben entlang einer Achse (z. B. an einem Membranrand) angeordnet werden.

Die Form der Kerben 5 kann beliebig (z. B. dreieckig, halbkreisförmig oder auch rechteckförmig) gewählt werden. Es gilt dabei zu beachten, daß die Definition der Lage der (111)-Ebenen punktförmig erfolgen soll, so daß also möglichst kleine Strukturen als Kerben zu verwenden sind.

Als weiteres Beispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines piezoresistiven Drucksensors verwendet werden. Das Kernstück eines piezore­ sistiven Drucksensors ist eine dünngeätzte Membran 3, die sich unter Druckeinwirkung verformt. Fig. 3a zeigt einen solchen Drucksensor im Querschnitt und in Draufsicht. Durch die druckabhängige Verformung stellt sich ein definierter Spannungszustand in der Membran ein. In den Bereichen, an de­ nen die mechanische Spannung Maxima aufweist (an den Membranrändern), werden Widerstände 9 (z. B. durch Ionenimplantation hergestellt) angeordnet, welche das mechanische Spannungssignal in eine Widerstandsänderung transformieren. Über eine Verschaltung mehrerer Widerstände zu einer Wheatstone′schen Vollbrücke wird ein dem Druck proportionales Ausgangs­ signal erzeugt. Der hier gezeigte Sensor weist in der Mitte der Membran 3 eine rechteckförmige Versteifung 8 auf.

Die Beträge der Spannungsmaxima bei einem definierten Druck sind quadra­ tisch von der Membranfläche abhängig. Diese sollte daher exakt hergestellt werden.

Die Spannungsmaxima infolge einer Druckeinwirkung treten jeweils an den En­ den der Versteifung 8 und den gegenüberliegenden Membranrändern auf. Ex­ akt an diesen Stellen müssen die piezoresistiven Widerstände angeordnet werden, um die maximale Empfindlichkeit des Sensors zu erhalten. Die Breite der Spannungsmaxima beträgt nur wenige µm, so daß die piezoresistiven Widerstände sehr exakt zu positionieren sind, d. h. daß die Abstände d zwischen den Membranrändern 1 bzw. der Versteifung 8 und den Piezowiderständen 9 sehr genau einzuhalten sind.

Bei der idealen Struktur wird ein Abstand d zwischen dem Membranrand und den Piezowiderständen vorgegeben. Mit der konventionellen Maskentechnik wird dieser Abstand d um den Betrag b×tan α vergrößert, wie in Fig. 3b dar­ gestellt (b: gewünschte Breite der Membran). Da die Kristallorientierung der Wafer um den Toleranzbereich streut, können hierfür keine Vorhalte in der Maske 7 vorgesehen werden.

Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Maskentechnik wird, wie in Fig. 3c dargestellt, die Breite der rechteckförmigen Öffnung der Passivierung 1 um den Betrag 2×b×tan α verkleinert und Kerben 5 der Tiefe b×tan α in der Symmetrieachse der Widerstände 9, jeweils an den Membranrändern und an den Enden der Versteifung, eingefügt, wobei die inneren Abmessungen der Maskenöffnung im Bereich der Versteifung und die Tiefe der Kerben in diesem Bereich in analoger Weise bestimmt werden. Hierdurch wird erreicht, daß sich die Mittelpunkte der Widerstände unabhängig von der Flatfehlorientierung immer um den idealen Abstand d von den Membranrändern entfernt befinden (vgl. Fig. 3d). Über die gesamte Widerstandsgeometrie ist die maximale Abweichung von d: l×tan α (l: Länge des Widerstandes). Dies ist wegen der kleinen Widerstandslänge von etwa 100 µm gegenüber der Membranbreite von ca. 2500 µm eine vernachlässigbar kleine Toleranz.

Zusätzlich kann, wie in Fig. 3c gezeigt ist, das Unterätzen der Ecken der Ver­ steifung 8 durch eine geeignete Kompensationsform der Ätzmaske verhindert werden.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von definierten Zwischenstrukturen während des Ätzprozesses, die der optischen Kontrolle bzw. Bestimmung der Ätztiefe H dienen. In Fig. 4a ist die konventionelle Maskentechnik zur Erzeugung einer Ausnehmung 3 mit quadratischer Grundfläche in (100)-Silizium dargestellt (bei KOH als Ätzlösung), die von vier (111)-Ebenen begrenzt ist. Bei der Festlegung der Maskenform wird ausgenutzt, daß die Ätzrate in alle (100)-Richtungen im Siliziumkristall gleich groß ist, so daß zur Kontrolle der Ätztiefe H das laterale Ätzen einer Zwischen­ struktur in (100)-Richtung beobachtet werden kann. Das Öffnungsfenster der Maske 7 ist zu diesem Zweck in diagonaler Richtung, wie in Fig. 4a gezeigt, durch einen Steg unterteilt. Dieser Steg liegt im Idealfall parallel zur Schnittlinie einer (100)-Ebene mit der Kristalloberfläche und weist die Breite 2×H auf. Da die Richtung senkrecht zur Oberfläche des Siliziumkristalls in diesem Fall ebenfalls eine (100)-Richtung ist, kann die momentane Ätztiefe während des Ätzprozesses am Betrag der lateralen Unterätzung des Maskensteges, d. h. an der Breite der Zwischenstruktur bestimmt werden. Bei vollständiger Unterätzung des Masken­ steges ist die Ätztiefe H erreicht. Die Ätztiefe kann auf diese Weise bei Verwen­ dung einer transparenten Passivierungsschicht optisch kontrolliert werden. Die Genauigkeit dieses Verfahrens hängt davon ab, wie genau die (100)-Ebenen durch den Maskensteg festgelegt werden können, die die erzeugte Zwischen­ struktur begrenzen. Bei einer im Realfall auftretenden Flatfehlorientierung liegen die Begrenzungslinien des Maskensteges nicht exakt parallel zur Schnittlinie einer (100)-Ebene mit der Kristalloberfläche (Abweichung: Winkel α.) Die Zwischenstruktur (hier als Zwischenwand), die nach einer bestimmten Ätzzeit durch laterales Unterätzen des Steges entsteht (Begrenzungsflächen gestrichelt gezeichnet), hat in diesem Fall nicht mehr die ideale Soll-Breite bs (Idealfall ohne Flatfehlorientierung; durchgezogene Linie), sondern die kleinere Breite bi (abhängig von Flatfehlorientierung), so daß bei vollständigem Unterätzen des Steges die gewünschte Ätztiefe H noch nicht erreicht ist.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden, wie in Fig. 4b dargestellt, die Be­ grenzungsflächen der Zwischenstruktur durch die Endpunkte zweier Kerben bestimmt, die im Bereich der halben Seitenlängen des Steges im Abstand 2×H zueinander angeordnet sind. Die Tiefe der Kerben wurde dabei so gewählt, daß unter Berücksichtigung der aus den Toleranzangaben des Siliziumwafers bekannten maximal möglichen Flatfehlorientierung die die Zwischenwand begrenzenden (100)-Ebenen, die während des Ätzprozesses entstehen, allein durch die Endpunkte der Kerben, nicht aber durch sonstige Eckpunkte der Maske bestimmt werden (unter Berücksichtigung der Ätzrate der (100)-Ebenen und der Ätzzeit). Damit entspricht wie in Fig. 4b gezeigt, die Breite bi einer Zwi­ schenstruktur (Begrenzungsflächen gestrichelt gezeichnet; unterätzter Bereich der Maske 11), die sich nach einer bestimmten Ätzzeit gebildet hat, exakt der Soll-Breite bs, d. h. daß bei vollständigem Unterätzen des Steges trotz Flatfehl­ orientierung genau die Ätztiefe H erreicht ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich auf diese Weise unabhängig von der genauen Kenntnis der Flatfehlorientierung des Wafers die Ätztiefe sehr genau kontrollieren.

Claims (8)

1. Verfahren zum anisotropen Ätzen monokristalliner Materialien für die Herstellung mikromechanischer Bauelemente, bei dem auf eine Oberfläche eines Substrates, das aus dem monokristalli­ nen Material besteht, eine Ätzmaske (7) mit zumindest einer Maskenöff­ nung aufgebracht wird, und anschließend das Substrat im Bereich der Maskenöffnung zur Erzeugung einer dreidimensionalen Ausnehmung ani­ sotrop geätzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Maskenöffnung folgendermaßen ausgebildet wird:

• - die Fläche der Maskenöffnung wird kleiner gewählt als die maskenseitige Grundfläche der zu erzeugenden Ausnehmung;
• - die Maskenöffnung ist an den Rändern mit Kerben (5) versehen, die von der Maskenöffnung weg nach außen gerichtet sind;
• - die Kerben weisen derartige Tiefen auf, daß die Geometrie der zu erzeugenden Ausnehmung und/oder Begren­ zungsflächen von Zwischenstrukturen, die während des Ätzprozesses entstehen, durch Kristallebenen gebildet werden, die von den Positionen der Endpunkte der Kerben unter Einberechnung der Ätzzeit und der Ätzrate der jeweiligen Kristallebenen bestimmt werden, wobei die Endpunkte der Kerben die Randpunkte im Bereich der tiefsten Stellen der Kerben sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Ausnehmung mit einer aus rechteckförmigen Flä­ chen zusammensetzbaren Grundfläche, deren Abmessungen durch Fest­ legung einer idealen maskenseitigen Grundfläche (1) auf der Substratober­ fläche vorgegeben sind, eine aus rechteckförmigen Flächen zusammen­ setzbare Grundform der Maskenöffnung gewählt wird,
daß die Maskenöffnung an jeder Seite bei der halben Seitenlänge eine Kerbe (5) aufweist,
und daß die Maskenöffnung derart angeordnet wird, daß die Positionen der Endpunkte der Kerben in den Bereichen der halben Seitenlängen der idealen maskenseitigen Grundfläche (1) liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seite der idealen maskenseitigen Grundfläche unter einem vorgegebenen Winkel zu einer am Substrat angebrachten Markierung fest­ gelegt ist, die nahezu parallel zur Schnittlinie einer weiteren Kristallebene mit der Substratoberfläche verläuft.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Substrats mit einem vorgegebenen Maximal­ wert einer möglichen Abweichung von der Parallelität der Markierung zu der Schnittlinie der weiteren Kristallebene mit der Substratoberfläche, die Tiefe der Kerben so gewählt wird, daß im Falle der maximal möglichen Abweichung die durch die Positionen der Endpunkte der Kerben festgeleg­ ten Kristallebenen die Ecken der Grundform der Maskenöffnung gerade berühren.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einhaltung eines definierten Abstandes eines Punktes am Rand der Ausnehmung zu einem anderen Punkt des Substrates eine Kerbe in der Maskenöffnung derart angeordnet wird, daß deren Endpunkt oder End­ punkte auf dem entsprechenden Randpunkt liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat ein Silizium-Wafer mit einer (100)- oder einer (110)- Oberfläche verwendet wird, dessen durch die Positionen der Endpunkte der Kerben festgelegten Kristallebenen die (111)-Ebenen darstellen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung der Tiefe der Ausnehmung vor dem Ätzprozeß eine Ätzstoppschicht in das Substrat eingebracht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Kerben (5) dreieckig oder halbrund oder rechteckig ge­ wählt wird.