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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Verfahren für das selektive Ätzen von
Halbleitermaterialien. Insbesondere bezieht sich die vorliegende
Erfindung auf einen Prozess zur Mikrobearbeitung eines Substrates,
welches mit einem elektrisch polarisierten Stoppübergang zur Steuerung der Ätztiefe
ausgestattet ist.
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Mikroelektromechanische
Systeme (Microelectromechanical systems: MEMS) sind Mikroeinrichtungen,
welche verbreitet als fortschrittliche Sensoren, mikrofluidische
Steuerungen oder Mikromaschinen verwendet werden. Fortschrittliche
MEMS-Sensoren sind in Automobilen, medizinischen Geräten oder
Prozess-Steueranwendungen zu finden und sie stellen genaue Bestimmungen
von Druck, Temperatur, Beschleunigung, Gaskonzentration, und vielen anderen
physikalischen oder chemischen Zuständen bereit. Mikrofluidische
Steuerungen schließen
Mikroventile für
die Beeinflussung von Gasen oder Flüssigkeiten, Flussmesser und
Tintenstrahldüsen
ein, während
Mikromaschinen, Mikroaktuatoren, bewegliche Mikrospiegelsysteme,
taktile, sich bewegende Baugruppen und Einrichtungen wie Hebel für die Atomkraftmikroskopie
einschließen. Üblicherweise
werden Mikroeinrichtungen aus Halbleitermaterialsubstraten wie etwa
kristallinem Silizium hergestellt, welches vielfach erhältlich ist
in der Form einer Halbleiterscheibe, welche verwendet wird, um integrierte Schaltungen
herzustellen.
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Wegen
der Gemeinsamkeit des Materials kann die Herstellung von Mikroeinrichtungen
aus einem Halbleiterscheibensubstrat den Vorteil der außerordentlichen
Erfahrung sowohl in Ätztechniken der
Oberfläche
als auch des Volumenmaterials nutzen, welche durch die Halbleiter
verarbeitende Industrie für
die Herstellung von integrierten Schaltungen (integrated circuit:
IC) entwickelt hat. Das Oberflächenätzen, welches
bei der IC-Herstellung
für die Festlegung
von dünnen
Oberflächenmustern
in einer Halbleiterscheibe verwendet wird, kann modifiziert werden,
um die unterschneidende Opferätzung
von dünnen
Schichten der Halbleitermaterialien zu ermöglichen, um bewegliche Elemente
zu schaffen. Die Volumenätzung,
welche typischerweise bei der IC-Herstellung verwendet wird, wenn
tiefe Gräben oder
Kontaktlöcher
in einer Scheibe unter Verwendung von anisotropen Ätzprozessen
ausgebildet werden müssen,
kann verwendet werden, um auf präzise Weise
Kanten oder Gräben
in Mikroeinrichtungen herzustellen. Sowohl das Oberflächen- als
auch das Volumenätzen
von Scheiben kann als „Nassprozess" unter Verwendung
von Chemikalien wie etwa Kaliumhydroxid in Lösung ablaufen, um nicht maskiertes Material
von der Scheibe zu entfernen. Für
den Aufbau von Mikroeinrichtungen ist es sogar möglich, Techniken der anisotropen
Nassprozesse anzuwenden, welche sich auf unterschiedliche kristallographische
Orientierungen des Materials oder die Verwendung von elektrochemischen Ätzstoppern
abstützen, um
Komponenten von Mikroeinrichtungen festzulegen. US-A-5 242 533 bezieht
sich auf ein Verfahren zur Strukturierung eines Halbleitersubstrats
unter Verwendung einer Nassprozess-Ätztechnik. Das Verfahren verwendet
pn-Übergänge, welche
in der Verarmungsrichtung polarisiert sind, um als Ätzstopp
für anisotrope Ätzmittel
zu wirken. Unglücklicherweise werden
die Freiheitsgrade bei der Auslegung von komplexen Mikroeinrichtungen
stark eingeschränkt, wenn
Techniken des Nassätzens
verwendet werden. Die nasse Bearbeitung wird durch die Abhängigkeit von
der Kristallorientierung im Halbleiter und die verwendeten Materialien
und Ätzmittel
stark eingeschränkt.
Mehr noch sind Mikroeinrichtungen, welche dünne ausladende Strukturen enthalten,
häufig
empfindlich für
Schäden
aufgrund von hydrodynamischen Kräften,
welche während
der nassen Bearbeitung auftreten.
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Eine
alternative Ätzbearbeitungstechnik, welche
größere Freiheiten
bei der Auslegung von Mikroeinrichtungen ermöglicht, ist üblicherweise
als „Trockenätzbearbeitung" bekannt. Diese Bearbeitungstechnik
vermeidet viele der Probleme, welche mit nassen Ätzprozessen bei Mikroeinrichtungen
verbunden sind und ist insbesondere für anisotropes Ätzen von
feinen Strukturen geeignet. Die Trockenätzbearbeitung umfasst viele
Techniken des Ätzens
in der Gas- oder Plasmaphase, welche von stark anisotropen Zerstäubungsprozessen,
welche eine Scheibe mit Atomen oder Ionen von hoher Energie bombardieren,
um die Atome der Scheibe in die Dampfphase zu versetzen (z.B. Ionenstrahlfräsen) bis
zu einigermaßen
isotropen Techniken mit Plasma von niedriger Energie, welche einen
Plasmastrom welcher chemisch reaktive Ionen enthält gegen die Scheibe richten,
um die Bildung von flüchtigen
Reaktionsprodukten einzuleiten. Zwischen den Zerstäubungstechniken
mit hoher Energie und den Plasmatechniken mit niedriger Energie
liegt ein besonders nützlicher
Trockenätzprozess,
welcher als reaktives Ionenätzen
bekannt ist.
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Reaktives
Ionenätzen
betrifft das Richten eines Ionen-enthaltenden Plasmastromes gegen
eine Halbleiterscheibe für
ein gleichzeitiges Zerstäuben und
Plasmaätzen.
Reaktives Ionenätzen
bewahrt einige der Vorteile der Anisotropie, welche mit Zerstäuben verbunden
sind, wenngleich es immer noch reaktive Plasmaionen zur Ausbildung
von Reaktionsprodukten in der Dampfphase in Reaktion auf die Berührung der
reaktiven Plasmaionen mit der Scheibe bereitstellt. In der Praxis
wird die Rate des Scheibenmaterialabbaus stark verbessert verglichen
mit entweder nur Zerstäubungstechniken
oder nur Plasmatechniken mit niedriger Energie. Das reaktive Ionenätzen weist
daher das Potential auf, ein überlegener Ätzprozess
für die
Herstellung von Mikroeinrichtungen zu sein, wobei relativ hohe,
anisotrope Ätzraten
aufrecht erhalten werden können.
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Selbst
wenn Trockenätztechniken
wie etwa reaktives Ionenätzen
ein anisotropes Ätzen
einer Halbleiterscheibe mit einer hohen Geschwindigkeitsrate erlauben,
ist unglücklicherweise
für die
Hersteller von Mikroeinrichtungen die Genauigkeit der Trockenätztechniken
immer noch für
viele Anwendungen bei Mikroeinrichtungen nicht ausreichend. Wenn beispielsweise
Gräben
einer bestimmten Tiefe in einer Scheibe festgelegt werden müssen, kann
trockenes Ätzen
durch reaktives Ionenätzen
oder eine andere geeignete Technik für eine bestimmte, empirisch
festgelegte Dauer stattfinden. Diese Technik, die als zeitbegrenztes Ätzen bekannt
ist, nimmt an, dass alle Gräben über die
Scheibe mit derselben Tiefe ausgenommen werden, wenn alle Ätzbedingungen konstant
gehalten werden. Wenn der Plasmastrom nichtvariierend über die
Scheibe hinweg ist, das Scheibenmaterial homogen und von konstanter
Dicke ist, und die Reaktionsprodukte mit identischen Raten entfernt
werden, sollten beispielsweise alle Gräben identischer Größe und Form über die
Scheibe mit derselben Tiefe ausgenommen werden. Es ist jedoch zu
würdigen,
dass die vorstehenden Faktoren im Allgemeinen nicht konstant sind. Änderungen
in dem Plasmastrom, Ungleichmäßigkeiten
in der Scheibendicke (typischerweise in der Größenordnung von 300 nm über eine
Scheibe), Unterschiede in den Materialien oder der Positionierung,
und Unterschiede in der Reaktionsentfernungsrate werden alle die
Genauigkeit der Ätzung
ungünstig
beeinflussen. Dies trifft insbesondere zu, wenn die Gräben hinsichtlich
Form und Abmessungen variieren, wobei große Gräben im Allgemeinen viel schneller
als kleine Gräben
ausgenommen werden, insbesondere aufgrund der verminderten Entfernungsrate
der Ionenreaktionsprodukte im dampfförmigen Zustand von den kleineren
Gräben.
Wenngleich verschiedene nützliche
Schritte wie etwa die Beobachtung der Ätzraten in Realzeit ausprobiert
wurden, ist es in der Praxis sehr schwierig, eine Genauigkeit der Ätztiefe bis
zu weniger als 300 nm sogar für
benachbarte Strukturen zu erreichen. Die Genauigkeit der Ätztiefe und
Steuerung der Dicke während
der Mikrobearbeitung von auf der Scheibe weit auseinanderliegenden Strukturen
oder Mikrostrukturen auf unterschiedlichen Scheiben ist typischerweise
sogar schlechter.
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Da
die derzeitigen Herstellungstechniken von Mikroeinrichtungen erheblichen
Begrenzungen unterliegen, wird dementsprechend ein Prozess zum Aufbau
und zur Herstellung von Mikroeinrichtungen benötigt, welcher durch kristallographische
Orientierung eines Materials oder durch die Materialauswahl nicht
begrenzt ist, und ferner nicht wesentlich begrenzt ist in der Dicke,
eine hohe Reproduzierbarkeit aufweist, und mit bestehenden Herstellungsprozessen
für integrierte
Schaltkreise und den Ausrüstungen
kompatibel ist. Der Prozess sollte die Herstellung einer Mikroeinrichtung
mit Ätztiefengenauigkeit
zu bis etwa 100 nm erlauben. Für
höchste
Produktionsausbeuten bei Mikroeinrichtungen muss diese Ätztiefengenauigkeit über ein
Scheibensubstrat erhalten bleiben und sogar zwischen den Scheiben.
Weiterhin sollte eine derartige Genauigkeit der Mikrobearbeitung
erhalten bleiben unabhängig
von der Größe der Merkmale,
wobei die Tiefe von kleinen einzelnen Gräben in Mikrometerbreite genauso
genau festgelegt ist wie große
Gräben
von 100 Mikrometer Breite.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Mikrobearbeitung eines
Substrates bereitzustellen, welches ermöglicht, dass eine Mikroeinrichtung mit
einer Ätztiefe
von hoher Genauigkeit hergestellt wird, welche über das Scheibensubstrat und
zwischen den Scheiben erhalten bleibt.
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Die
Erfindung erreicht dieses Ziel durch Bereitstellen eines Verfahrens
zur Mikrobearbeitung, welches die Schritte gemäß Anspruch 1 umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung legt einen Trockenätzprozess zur Mikrobearbeitung
fest. Der Prozess erfordert ein Substrat, welches mindestens einen
pn-Übergang
zwischen zwei Materialien aufweist. Das Substrat kann Halbleiter
(z.B. Silizium, Germanium oder Galliumarsenid) einschließen und die
Materialien können
verschiedene p- oder n-dotierte Halbleiter einschließen. Über den
mindestens einen pn-Übergang
des Substrates wird eine Vorspannung angelegt und es wird ein Ionen-enthaltendes
Plasma gegen das Substrat gerichtet, um das Substrat zu ätzen. Wegen
der angewandten Vorspannung wird das Ätzen erheblich verlangsamt
oder im Wesentlichen abgestoppt, wenn die Ätztiefe den pn-Übergang
erreicht.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen
wird der pn-Übergang
in dem Substrat durch flächengleiches oder
gemustertes Epitaxialwachstum einer Schicht vom n-Typ auf einer
Halbleiterscheibe vom p-Typ ausgebildet, oder alternativ durch epitaxiales
Wachstum einer Schicht vom p-Typ auf einer Scheibe vom n-Typ. In
einer weiteren Ausführungsform
kann ein pn-Übergang
durch Scheibenverkleben einer Siliziumscheibe vom p-Typ und einer
Siliziumscheibe vom n-Typ ausgebildet werden, um ein Siliziumsubstrat mit
einer p-Schicht und einer n-Schicht auszubilden. Das Siliziumsubstrat
wird in einer herkömmlichen Trockenätzeinrichtung
angeordnet, wobei die n-Schicht einem Strom von negativen, chemisch
reaktiven Ionen wie etwa Fluorionen in einem Fluorkohlenstoffplasma
gegenüberliegt.
Die aufrecht erhaltene Sperrvorspannung ist geringer als ungefähr die Durchschlagsspannung
der pn-Übergänge in Silizium,
typischerweise ungefähr
50 bis ungefähr
100 V, wenngleich dieselbe für
bestimmte Konfigurationen bis zu 300 V betragen kann. Um das anisotrope Ätzen der
Siliziumscheibe zu verstärken
und die Zerstörung
der Seitenwände
zu vermindern, kann durchgehend in dem Ätzprozess ein Beschichtungszyklus aufrecht
erhalten werden. Ein erodierbares Schutzmaterial (z.B. eine Polymerbeschichtung)
wird periodisch auf das Siliziumsubstrat angewandt, um Schaden an
den Seitenwänden
an der n-Schicht zu begrenzen, während
immer noch das tiefe Ätzen
in das Substrat ermöglicht
wird. Alternativ ist es in bestimmten Ausführungsformen möglich, diesen
Beschichtungszyklus durch Vorsehen eines geeignet gekühlten Substrates
(typischerweise weniger als 20 °C) und
geeigneter Auswahl der Reaktionskomponenten wegzulassen, wobei die
gewünschten
anisotropen Ätzraten
erreicht werden.
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Der
Aufbau von Mikroeinrichtungen in festgelegten Mustern wird durch
Maskieren des Siliziumsubstrates mit einer gemusterten Schutzschicht
ermöglicht.
Diese gemusterte Schutzschicht (Maske) legt eine maskierte Oberfläche fest,
welche im Allgemeinen während
des Prozesses nicht wegerodiert wird, wodurch das darunter liegende
Substrat von der Ätzung
geschützt
wird. Der Teil des Substrates, welcher nicht mit einer gemusterten Schutzschicht
maskiert ist, stellt eine ätzbare
Oberfläche
dar. In bestimmten Ausführungsformen
kann die Mustersteuerung durch selektive Diffusionen oder Implantieren von
Dotierungen in eine Scheibe erweitert werden, um beispielsweise
einen gemusterten p-Schicht-Heteroübergang herzustellen, welcher
nicht mit der darüberliegenden
n-Schicht flächengleich
ist. Wenn der pn-Übergang
nicht koextensiv und durchgehend in einer Scheibe ist, ist ein komplettes
Durchätzen durch
das Substrat in diesen gemusterten Gebieten möglich, welche einen darunter
liegenden pn-Übergang
nicht aufweisen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung
einer neuartigen Kupplung zum Halten eines Substrates in einer ansonsten
herkömmlichen Vorrichtung
zum Trockenätzen
ausgeführt
werden. Die Trockenätzvorrichtung
muss für
die Mikrobearbeitung eines Substrates geeignet sein, welches eine erste
und eine zweite Schicht von unterschiedlichen Materialien aufweist,
welche an einem pn-Übergang zusammenkommen
und kann irgendeine aus einer Vielzahl von im Handel erhältlichen
Trockenätzeinheiten
sein. In dieser Ausführungsform
der Erfindung weist die Kupplung, welche das Substrat hält, einen ersten
elektrischen Kontakt auf, welcher positionierbar ist, um die erste
Schicht zu kontaktieren und einen zweiten elektrischen Kontakt auf,
welcher positionierbar ist, um die zweite Schicht zu kontaktieren. Der
erste und der zweite elektrische Kontakt werden in elektrischer
Isolation voneinander gehalten und es wird eine Spannungsquelle
an den ersten elektrischen Kontakt der Kupplung verbunden, um ein Spannungspotential über den
pn-Übergang
des Substrates anzuwenden. Wie der Fachmann würdigen wird, werden, wenngleich
individuelle elektrische Kontakte angewendet werden können, typischerweise
eine Vielzahl von elektrischen Kontakten verwendet, um die über den
pn-Übergang
des Substrates angewandte Spannung gleichmäßiger zu verteilen.
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1 ist
eine Darstellung und verdeutlicht allgemein ein Substrat und eine
Substrathaltende Kupplung, welche geeignet ist für die Ausführung der Erfindung, wobei
die Kupplung elektrisch isolierte Kontakte aufweist, um eine Vorspannung über einen pn-Übergang
in dem Substrat anzuwenden, um einen elektrischen Ätzstopp
bereitzustellen;
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2 veranschaulicht
schematisch ein zweischichtiges Substrat mit einem pn-Übergang
und einer Maskenschicht;
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3 veranschaulicht
schematisch das zweischichtige Substrat der 2 nach einem
begrenzten Ätzen
eines breiten und eines schmalen Grabens und die Anwendung einer
Beschichtung von erodierbarem Material über dem Substrat;
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4 veranschaulicht
schematisch das zweischichtige Substrat der 3, wobei
das Substrat sowohl in dem weiten wie auch dem schmalen Graben nach
unten geätzt
wird, während
die Seitenwände
durch die Beschichtung des erodierbaren Materials von der Ätzung geschützt werden;
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5 veranschaulicht
schematisch das zweischichtige Substrat der 4, wobei
das Substrat durch die angewandte Vorspannung von der Ätzung in
dem breiten Kanal geschützt
wird, während das
engkanalige nach unten Ätzen
in dem engen Graben fortschreitet;
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6 veranschaulicht
schematisch das zweischichtige Substrat der 5, wobei
das nach unten Ätzen
sowohl in dem breiten als auch in dem schmalen Graben etwa mit derselben
Genauigkeit der Abmessungen abgeschlossen ist trotz der unterschiedlichen Ätzraten
und unterschiedlicher lokaler Substratdicke;
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7–10 veranschaulichen
die Herstellung einer Mikroeinrichtung mit Balkenstruktur, wobei die
p-dotierten Gebiete nach dem selektiven Ätzen einer n-Schicht zurückbleibt,
wobei dies nicht im Schutzumfang der Erfindung enthalten ist; und
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11–12 sind
jeweils schematische Darstellungen einer Unterseite einer nicht
flächengleich
gemusterten p-Schicht (aus Gründen
der Veranschaulichung stark vergrößert) jeweils als Draufsicht
und Querschnitt, mit Gebieten der n-Schicht, welche während des
Trockenätzprozesses
komplett wegerodiert werden können,
wobei dies nicht im Schutzumfang der Erfindung enthalten ist.
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1 veranschaulicht
schematisch eine bestimmte Ausführungsform
einer Vorrichtung 10 zum Trockenätzen, welche für die Ausführung der
vorliegenden Erfindung geeignet ist. Das Anwenden eines Spannungsunterschiedes
zwischen der Elektrode 16 und der Elektrode 18 in
einer teilweise evakuierten Reaktionskammer, welche reaktive Gase
enthält,
bewirkt einen Plasmastrom 12, welcher Ionen 14 enthält. Die
Ionen 14 sind üblicherweise
negative Ionen wie etwa Fluor (F), können aber auch positive Ionen bei
bestimmten Ausführungsformen
sein. Die Elektrode 16 ist mit einer ersten Spannungsquelle 20 verbunden
(üblicherweise
eine negative HF-Spannungsquelle), während die Elektrode 18 mit
einer zweiten Spannungsquelle 22 verbunden ist, um einen
Spannungsunterschied bereitzustellen. Es ist anzumerken, dass, wenn
negative Ionen 14 verwendet werden, die zweite Spannungsquelle 22 bei
einer höheren
Spannung oder bei Masse gehalten werden muss, um den Ionenfluss
von der Elektrode 16 (welche als eine Kathode wirkt) zu
der Elektrode 18 (welche als Anode wirkt), zu bewirken.
Selbstverständlich sind
die Verhältnisse
umgekehrt, wenn positive Ionen 14 verwendet werden, wobei
die zweite Spannungsquelle 22 bei einer niedrigeren Spannung
als die erste Spannungsquelle 20 gehalten wird. Die Elektrode 16 wirkt
als eine Anode, während
die Elektrode 18 als die Kathode wirkt.
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Die
Kombination von Plasma 12 und Ionen 14 wird gegen
ein Substrat gerichtet wie etwa die Halbleiterscheibe 24.
Die Scheibe 24 weist mindestens zwei Schichten auf, beispielsweise
in 1 als n-Schicht 26 und p-Schicht 28 mit
einem pn-Übergang 29.
Die Scheibe 24 wird durch eine Scheibenkupplung 30,
welche optionalerweise eine kryogene Quelle einschließen kann
oder mit derselben verbunden sein kann, fest in Position gehalten.
Die Scheibenkupplung 30 kann ebenso mit irgendeinem anderen
passenden Kühlmechanismus
ausgestattet sein, um die Kühlung
der Scheibe 24 unter Raumtemperatur und vorzugsweise zwischen
ungefähr
20 und –140 °C zu ermöglichen,
um Prozessbedingungen zu modifizieren und anisotrope Reaktionen
zu fördern. Um
weiterhin die Scheibe 24 physisch festzuhalten und eine
optionale Temperatursteuerung bereitzustellen, ermöglicht die
Scheibenkupplung 30, dass die Scheibe 24 mit einem
ersten elektrischen Kontakt 32 und einem zweiten elektrischen
Kontakt 34 verbunden ist. Diese Kontakte 32 und 34 können physisch
mit der Kupplung 30 verbunden sein, um die Scheibe 40 zu
halten wie in 1 veranschaulicht. Alternativ
kann die Kupplung so ausgelegt sein, dass dieselbe nur den Scheibenanschluss
für die
Kontakte 32 und 34 erlaubt. Die Kontakte 32 und 34 sind
elektrisch voneinander isoliert, wobei der erste elektrische Kontakt 32 in
elektrischer Verbindung mit der n-Schicht 26 und der zweite
elektrische Kontakt 34 in elektrischer Verbindung mit der
p-Schicht 28 steht.
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Bei
der veranschaulichten Ausführungsform ist
der erste elektrische Kontakt mit der zweiten Spannungsquelle 22 verbunden,
welche bei Masse oder irgendeiner anderen gewünschten Spannung gehalten wird.
Der zweite elektrische Kontakt 34 ist mit einer dritten
Spannungsquelle 36 verbunden. Die dritte Spannungsquelle 36 wird
jeweils bei einer niedrigeren Spannung gehalten als die zweite Spannungsquelle 22,
wenn Ionen 14 negativ sind, und bei einer höheren Spannung
gehalten als die zweite Spannungsquelle 22, wenn die Ionen 14 positiv
sind. Wenn der in Sperrschicht vorgespannte pn-Übergang 29 erhalten
werden soll, kann die dritte Spannungsquelle 36 eine elektrische
DC-Spannungsquelle von weniger als 100 V sein, wobei 25–50 V typisch im
Betrieb sind.
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Gemäß 1 wird
ein breiter Graben 40 und ein schmaler Graben 42 durch
eine Ätzmaske 45 festgelegt,
welche die Scheibe 24 bedeckt. Eine Gasreagenzeinheit 52,
welche in der Lage ist, verschiedene Gase auszustoßen, um
Plasmazusammensetzung, Druck, oder Verteilung zu variieren, wird
allgemein durch einen Kasten angezeigt, welcher benachbart zu den
Elektroden 16 und 18 ist. Es ist anzumerken, dass
das Ausgeben und Überwachen
der Gasreaktionskomponenten, die das Plasma erzeugen, kritisch für den Betrieb
von Trockenätzanlagen
ist und verschiedene Gasabgabemechanismen im Handel erhältlich sind.
Die Gasreagenzeinheit ist ebenso in der Lage, optional periodisch
Agenzien zur Passivierung wie etwa Polymer-Materialien abzugeben, welche
als eine Schutzbeschichtung während
des Ätzprozesses
dienen. Es ist anzumerken, dass variierende Plasmabedingungen und
Zusammensetzungen nicht notwendigerweise eine Änderung in den Reaktionsgasen
verlangt, welche durch die Einheit 52 abgegeben werden.
In vielen Ausführungsformen der
Erfindung kann die Plasmazusammensetzung durch Einstellen der elektrischen
Bedingungen oder Drücke
angepasst werden, beispielsweise um eine durch Plasma vermittelte
Ablagerung einer schützenden
Polymerbeschichtung oder Passivierungsschicht durch Erhöhen des
Druckes in der Reaktionskammer oder Verminderung des Spannungsunterschiedes zwischen
den Elektroden 16 und 18 zu erlauben.
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Im
Betrieb ätzen
die in dem Plasma 12 enthaltenen Ionen 14 durch
Abschnitte des Substrates, welche nicht durch die Maske 45 abgedeckt
sind, nach unten. Bei Nichtvorhandensein einer Vorspannung über den
pn-Übergang 29,
würde sich
die Ionenätzung
nach unten durch das Substrat fortsetzen und schließlich komplett
durch die Scheibe ätzen.
In der vorliegenden Erfindung ist das nach unten Ätzen jedoch
im Wesentlichen beendet, wenn der vorgespannte pn-Übergang 29 erreicht
wird, vorausgesetzt, dass der pn-Übergang
bei einer Vorspannung gehalten wird, welche geringer ist als für den Durchschlag
des Übergangs
erforderlich und vorausgesetzt, dass die Ionen keine Energiepegel
aufweisen, welche erheblich größer sind
als die angewandte Vorspannung. Im Falle einer pn-Siliziumscheibe
beträgt
die Durchbruchspannung ungefähr
50 bis 100 V, wobei pn-Übergänge, welche
aus anderen Materialien aufgebaut sind, selbstverständlich unterschiedliche
Durchbruchspannungen aufweisen, wie dem Fachmann wohlbekannt. Dementsprechend
müssen für den Betrieb
der vorliegenden Erfindung die Kupplung 30 und deren zugehöriger erster
elektrischer Kontakt 32 und ein zweiter elektrischer Kontakt 34 eine
Vorspannung anwenden, welche geringer ist als die Durchbruchspannung
des pn-Übergangs
des Substrats und der Energiepegel der Ionen 14 muss im
Allgemeinen ebenso unterhalb diesem Energiepegel gehalten werden.
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Im
Handel erhältliche
Anlagen für
Trockenätzprozesse,
welche in der Lage sind, die vorstehenden Bedingungen einzuhalten,
können
in der vorliegenden Erfindung angewandt werden. Geeignete Anlagen
zum Trockenätzen
werden im Allgemeinen eine oder mehrere Ätzkammern aufweisen, welche
auf ein gewünschtes
Druckniveau durch ein Vakuumpumpensystem evakuiert werden können. Weiterhin
wird eine passende Anlage zum Trockenätzen in der Lage sein, einen
Bereich der reaktiven Gase zu dosieren und zu steuern, und geeignete Plasmaquellen
aufweisen, wie etwa eine in der Spannung anpassbare Elektrode, welche
mit einer HF-Spannungsquelle verbunden ist, um ein Plasma mit Glühentladung
zu erzeugen. Verschiedene optische, druckbezogene, elektrische,
temperaturbezogene oder Flussratensensoren können verwendet werden, um aktiv
die Bedingungen in der Ätzkammer zu
beobachten. Eine besonders bevorzugte Anlage für einen Trockenätzprozess,
welche für
die Ausübung
der vorliegenden Erfindung modifiziert werden kann, ist die Multiplex
ICP, im Handel erhältlich
durch Surface Technology Systems Ltd. (STS), welche teilweise entsprechend
einem neuartigen Siliziumätzprozess
(Advance Silicon Etching: ASE) betrieben wird, welcher in einer
Abhandlung mit dem Titel „Advanced
Silicon Etching Using High Density Plasmas", by J.K. Bhardwaj and H. Ashraf, 224
SPIE Vol. 2639 eingehend beschrieben wird. Eine weitere besonders bevorzugte
Anlage für
einen Trockenätzprozess,
welche für
die Ausübung
der vorliegenden Erfindung modifiziert werden kann, ist die Alcatel
Micromachining Etch Tool (A602E), welche im Handel erhältlich ist, durch
Alcatel Corporation und zum Teil entsprechend einem Prozess betrieben
wird, welcher in einer Abhandlung mit dem Titel „Etching Technology and Applications
for „trough-the-wafer" Silicon Etching" und in einer Konferenzabhandlung
mit dem Titel „Anisotropic
High-Aspect Ratio Etching in a High-Density Plasma" by Craven et al., SPIE Conference on
Micromachining and Microfabrication, October 1995 beschrieben wird.
Bei dem Alcatelprozess wird ein induktiv gekoppeltes Plasma von
hoher Dichte (1011–1013 Ionen/cm2) stromabwärts von einer Substratscheibe
erzeugt und eine SF6-Reaktionskomponente
verwendet, welche über
die Scheibe bei einer Reaktionstemperatur im Bereich von 20 bis –140 °C fließt. Die
Scheibe wird bei dieser niedrigen Temperatur durch eine kryogen
gekühlte
Kupplung gehalten, deren Temperatur gemäß den Anforderungen für die besten
Reaktionsbedingungen optimiert werden kann, um stark anisotropes Ätzen des
Substrates zu ermöglichen.
Bei geeigneten Modifikationen können Anlagen
für den
Trockenätzprozess
von anderen Herstellern ebenso verwendet werden.
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Die
Betriebsfaktoren, deren Modifikation für die Ausführung der vorliegenden Erfindung
möglich sein
sollte, schließen
reagierende Gase, Art der Ionen, Drücke, Temperaturen und Ionenenergiebereiche
ein. Die genaue Kombination der Betriebsfaktoren wird sich mit der
Zeit ändern
und hängt
kritisch von den Eigenschaften der Anlage zum Trockenätzen, dem
Substrat, den erforderlichen Ätzraten,
der notwendigen Anisotropie und anderen dem Fachmann bekannten Faktoren
ab. Es können
Chlor, Brom oder fluorbasierende Plasmareaktionskomponenten verwendet
werden, ebenso wie exotischere Reaktionschemien wenn erforderlich.
Es ist beispielsweise für
Substrate aus Silizium, amorphem Silizium und polykristallinem Silizium
möglich,
Fluorkohlenstoffe wie etwa Kohlenstofftetrafluorid CF4, Chlorkohlenstoffe
wie etwa Kohlenstofftetrachlorid (CCl4),
Kombinationen aus CF4 und zweiatomigen Sauerstoff
(O2), CF3Cl, SF6, SF5/Cl, Cl2 + H2, C2ClF5/O2,
NF3, BCl3 und viele
andere reaktive Gase allein oder in Kombination zu verwenden. Die
Konzentration der reaktiven Gase, Gasverteilung, Druckniveau, Energiepegel
und sogar Thermodynamik des Substrates (z.B. durch kryogenes Kühlen des
Substrats) können
angepasst werden, um den Ätzprozess zu
optimieren. Bei bestimmten Ausführungsformen können die
Plasmareaktionskomponenten sogar passivierende Agenzien einschließen, um
das Ätzen der
Seitenwand zu vermindern und die Ätzanisotropie zu verbessern.
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Die
Mechanismen zur Plasmaerzeugung von reaktiven Gasen zum Betrieb
der vorliegenden Erfindung sind vielfältig und können diejenigen einschließen, welche
im Zusammenhang stehen mit herkömmlichen Ätzanlagen
für reaktive
Ionen (reactive ion etchers: RIE), magnetisch verbessertes RIE (magnetically
enhanced RIE: MERIE), Elektron-Zyklotron-Resonanz
(ECR), induktiv gekoppeltes Plasma (inductively coupled plasma:
ICP), Zylinderätzsysteme,
Stromabwärtsätzer, Magnetron-Ionenätzer (MIE),
parallele oder gestapelte, parallele Plattenätzer, zylindrische Batchätzer (hexode-type
etchers), oder jedes andere passende, Plasma-basierende Trockenätzverfahren,
welches in der Lage ist, Ionen einer ausgewählten Art und innerhalb eines
gewünschten
Energiebereiches zu einem Zielsubstrat zu liefern. Wie vorstehend
angemerkt, verwendet eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
eine Multiplex ICP (inductively couple plasma) Trockenätzeinheit,
welche von Surface Technology Systems, Ltd. (STS) geliefert wird
und gemäß einem
Advance Silicon Etching (ASE) Prozess betrieben wird, wenngleich
die andere vorstehend aufgeführte
Ausführungsform,
welche durch Alcatel geliefert wird, ebenso induktiv gekoppeltes
Plasma verwendet, um ein Plasma von hoher Dichte für anisotropes Ätzen bereitzustellen.
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Zusammensetzung
und Struktur der Substrate, welche für die Verwendung in Verbindung
mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind ebenso vielfältig. Halbleiterscheiben
mit pn-Übergängen, welche
mit gemusterten Diffusionsschichten ausgebildet sind, Ionen implantierte
Abschnitte, oder Epitaxialbeschichtungen können ebenso verwendet werden.
Halbleiterscheiben können
als Scheiben zusammengeklebt werden, und Halbleiterscheiben mit
vielfachen Epitaxialschichten von variierender Zusammensetzung können geätzt werden.
Halbleitermaterialien geeignet zur Ausbildung von vorgespannten pn-Übergängen können reine
Materialien oder geeignet dotierte Materialien (üblicheweise III-V-Dotierungen)
einschließen
wie etwa Silizium, Polysilizium, amorphes Silizium, Germanium, Kaliumarsenid, GaP,
CdSe, CdS, ZnS, AlAs, ZnTe, GaP, GaSb, InP, InSb und verschiedene
andere herkömmliche
Materialien, die dem Fachmann bekannt sind.
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Die
Substrate können
durch verschiedene Typen von Kupplungen gehalten werden. Für den Betrieb
der vorliegenden Erfindung muss eine Kupplung in der Lage sein,
ein Substrat, welches mindestens zwei Schichten aufweist, um einen
pn-Übergang
festzulegen, sicher zu halten. Es können Federn, Greifer, Klammern
oder andere herkömmliche
Hal temechanismen verwendet werden. Zusätzlich zur Einschränkung der
Bewegung des Substrates muss eine passende Kupplung weiterhin elektrischen
Kontakt mit Schichten auf jeder Seite des Heteroüberganges ermöglichen,
und sicherstellen, dass dieser elektrische Kontakt durch die Kupplung
nicht kurzgeschlossen wird. Bei bestimmten Ausführungsformen kann eine Kupplung
aus zwei oder mehr getrennten Komponenten bestehen, wobei die Komponenten
der Kupplung untereinander nicht verbunden sind oder nur durch isolierte
Zwischenkomponenten miteinander verbunden sind, um elektrische Isolation
zu gewährleisten.
Der Fachmann wird erkennen, dass verschiedene, im Handel erhältliche
Kupplungen (einschließlich
kryogen gekühlter
Kupplungen wie etwa die im Alcatel A620E Trockenätzer verwendete) modifiziert werden
können,
um die notwendigen elektrischen Kontakte zu ermöglichen oder es können kundenspezifisch
ausgelegte Kupplungen mit den erforderlichen elektrischen Eigenschaften
verwendet werden.
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Der
Betrieb der vorliegenden Erfindung wird in einer bestimmten Ausführungsform
schematisch in den 2 bis 6 veranschaulicht. 2 veranschaulicht
schematisch ein zweischichtiges Substrat 124 mit einem
pn-Übergang 129 zwischen
der n-Schicht 126 und der p-Schicht 128. Die p-Schicht 128 ist
mit einer negativen Spannungsquelle 136 verbunden und die
n-Schicht liegt an Masse, wodurch eine Sperrvorspannung über den
pn-Übergang 129 bereitgestellt
wird. Die Spannungsquelle 136 liefert einen Spannungspegel,
welcher nicht genügt,
einen Durchbruch des pn-Übergangs 129 zu
bewirken. Das Substrat 124 weist eine herkömmliche
positive Widerstandsmaskenschicht 145 auf, um einer Ätzung zu
widerstehen, mit einem breiten Grabenzwischenraum 140 und
einem schmalen Grabenzwischenraum 142, die darin festgelegt
sind.
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Im
Betrieb wird ein Ionen-enthaltendes Plasma gegen das Substrat 124 der 2 gerichtet,
wodurch eine nach unten gerichtete Ätzung durch die Grabenzwischenräume 140 und 142 beginnt.
Wie aus der 3 ersichtlich, schreitet das
nach unten gerichtete Ätzen
durch den breiten Zwischenraum 140 allgemein schneller
voran als das nach unten gerichtete Ätzen durch den engen Grabenzwischenraum 142,
hauptsächlich
aufgrund der Schwierigkeit, welche mit der Entfernung der Ionenreaktionsprodukte
aus dem schmalen Grabenzwischenraum 142 verbunden ist.
Nach einer bestimmten Zeit wird die nach unten gerichtete Ätzung zeitweise
gestoppt und eine Schutzschicht 150 aus erodierbarem Material
wie etwa Polymeren über
dem Substrat 124 und der Maske 145 abgelegt.
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4 veranschaulicht
schematisch das zweischichtige Substrat der 3, wobei
das Substrat immer noch nach unten gerichtet sowohl in dem breiten
als auch in dem schmalen Grabenzwischenraum 140 und 142 geätzt wird,
während
die Seitenwände 152 immer
noch von der Ätzung
durch die Schutzschicht 150 aus erodierbarem Material geschützt werden.
Gemäß 4 kann
das nach unten gerichtete Ätzen
zur Festlegung eines Grabens für eine
bestimmte Zeit andauern, ohne die Seitenwände 152 wesentlich
zu Ätzen,
wodurch ein stark anisotropes Ätzen
bereitgestellt wird. Bevor die Schutzschicht 150 der Seitenwand
vollständig
wegerodiert ist, wird das Ätzen
gestoppt und der Ätzprozess
wird zyklisch wiederholt, um die Schutzschicht 150 gemäß 3 zu
erneuern. Wenn die Ätztiefen
sich auf mehrere hundert Mikrometer belaufen, wird dieser Ätz-/Wiederbeschichtungszyklus
typischerweise hunderte von Malen wiederholt. Ein besonders bevorzugter
Prozess der vorliegenden Erfindung ist der vorstehend erörterte STS
ASE-Grabenprozess.
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Gemäß 5 besteht
ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung in der Fähigkeit,
den Ätzprozess
in dem schmalen Zwischenraum 142 mit langsamerer Ätzung fortzuführen, selbst
wenn das nach unten gerichtete Ätzen
in dem breiten Grabenzwischenraum im Wesentlichen beendet ist, wegen
der angewandten Sperrvorspannung über den pn-Übergang 129.
Gemäß 6 kann
der Ätzprozess
fortlaufen, bis das nach unten gerichtete Ätzen sowohl in dem weiten als
auch in dem schmalen Kanal mit ungefähr derselben Maßgenauigkeit
abgeschlossen ist. Vorteilhafterweise kann die Grabentiefe sowohl
für den
breiten als auch für
den schmalen Zwischenraum 140 und 142 im Wesentlichen
identisch sein trotz der unterschiedlichen Ätzraten und selbst bei möglicher unterschiedlicher
lokaler Substratdicke.
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Die 7–10 verdeutlichen
kurz den Aufbau eines anderen Beispieles einer Mikroeinrichtung
mit Balkenstruktur, welche aufgebaut wird und welche nicht Bestandteil
der vorliegenden Erfindung ist. In 7 wird
ein Siliziumsubstrat 200 vom n-Typ in zwei senkrechten
Querschnitten gezeigt, wobei dasselbe teilweise mit einer Widerstandsschicht 205 maskiert
ist und ein p-dotiertes Gebiet 210 aufweist. Die P-Dotierung
kann durch die Diffusion, Implantation oder jede andere passende
Technik eingebracht werden. Es wird eine Sperrvorspannung an den
ausgebildeten pn-Heteroübergang
angelegt und das unmaskierte Silizium 200 vom n-Typ wird
trocken weggeätzt
wie in 8 ersichtlich, wobei die Vorspannung
das Ätzen
des p-dotierten Gebietes 210 stoppt. Nach dem Wegätzen der
Maske 205 verbleibt, wie in 9 ersichtlich,
eine komplexe Balkenstruktur, wie sie in der teilweisen Perspektivansicht
in 10 ersichtlich ist.
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11 und 12 sind
allgemeine Veranschaulichungen in Draufsicht und Querschnitt und zeigen
andere mögliche
Techniken zum Aufbau von Mikroeinrichtungen und sind nicht Teil
der vorliegenden Erfindung. Es wird ein Siliziumsubstrat vom n-Typ
gezeigt, welches eine Vielzahl von p-dotierten Gebieten 310 aufweist.
Die Dotierung kann über
die Diffusion, Implantation oder andere passende Techniken stattfinden.
Der Fachmann wird erkennen, dass, nach Wegätzen der n-Schicht gemäß den Techniken
der vorliegenden Erfindung eine komplexe stufenförmige Struktur 312 oder
eine Spulenstruktur 316 jeweils ausgebildet werden kann
aus den p-dotierten Gebieten in einem einstufigen Ätzprozess.