WO1999034421A1 - Verfahren zur herstellung einer porösen schicht mit hilfe eines elektrochemischen ätzprozesses - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer porösen schicht mit hilfe eines elektrochemischen ätzprozesses Download PDF

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Michael Berger
Michael Krüger
Markus THÖNISSEN
Hans LÜTH
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    • H01L21/3205—Deposition of non-insulating-, e.g. conductive- or resistive-, layers on insulating layers; After-treatment of these layers
    • H01L21/321—After treatment

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a porous layer using an electrochemical etching process according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to an optical component according to claim 5.
  • PS porous silicon
  • One area of application for PS is the use in optical components. It is known as prior art, for example from DE 4319413.3-33 or Thin solid films 276 (1996), 143-146, to produce waveguides, transmission filters, reflectors or anti-reflection coatings using layer systems made of PS.
  • the optical properties of the layer systems can be specifically changed by the sequence of individual layers with different optical thicknesses.
  • the optical thickness of these individual layers is influenced by their porosity and thickness.
  • the Porosi- Tat and thickness is controlled for a given doping by the current density or by the duration of the electrochemical etching. It is only with the aid of the duration of the etching that it is possible, given the substrate and the current density, to set the desired layer thickness.
  • the area to be etched must be defined to form such a structure.
  • Etching mask leads to a curvature of the PS / substrate interface during manufacture (FIG. 1).
  • strips with a length of 1 cm and a width which corresponded to their distance from the next strip were examined.
  • FIG. 1 there are two curvatures. A curvature within a strip and a curvature across all strips. These curvatures result in an inhomogeneity of the layers (see FIG. 5).
  • the etching for porosidization of the material is carried out in a manner known per se. It was recognized here to form an etching mask of suitable geometry with behavior tailored to the desired deep etching and to use it in the method according to the invention.
  • the simultaneous production of pixels within a porosidizable structure with different properties is possible in one operation if the etching rate of each pixel is not only determined by the current density applied from the outside, but also by the different Environment of the pixel is determined.
  • the surroundings of the pixels can be designed by the etching mask in such a way that the pixels have different current densities and thus different etching rates. In this way the desired different properties can be achieved.
  • the method according to the invention enables several, in particular many, work steps to be replaced by a single step of suitable design.
  • Another advantage of this method is that a continuous change in the properties of a porous layer is also possible. This process can be used for all electrochemical etching processes.
  • the method for producing a porous layer using an electrochemical etching process includes the use of an etching mask corresponding to the desired course of the deep etching rate.
  • the method according to the invention is partially formed by selecting a wedge-shaped etching mask to form a continuous course of the deep etching rate.
  • the method according to the invention is advantageously embodied in that an etching mask having one or more wedge-shaped step-shaped structures is selected to form a discrete course of the deep etching rate.
  • the inventive method is advantageously carried out in that silicon, germanium or aluminum is selected as the starting material for the porous layer formation. These materials are comparatively well known in their behavior with regard to etching.
  • etching mask according to the invention for a continuous change in the etching rate
  • Fig. 4 Surface profile measurement according to the invention, measured after the porous area has been scratched off.
  • Fig. 5 Principle of measurement of the profi le measurements.
  • FIG. 1 shows the depth of the porous strips etched according to the invention, measured with a surface profiler after removal of the porous silicon by sodium hydroxide solution (NaOH).
  • the stripe width of the structures shown here was 1000, 500 and 250 ⁇ m.
  • FIG. 2 shows the measured depth of the porous strips according to the invention after the porous layer has been removed using sodium hydroxide solution. It can be seen that in the case of a stripe width of 100 ⁇ m, the interface of a single stripe is no longer curved, but is straight. You can also see the under-etching under the mask, which was only 100 ⁇ m wide.
  • FIG. 3 shows the etching mask according to the invention for achieving a continuous change in the etching rate.
  • This mask is positioned on the surface to be etched.
  • the surface areas below the dark areas of the etching mask according to the invention are covered, the light areas of the surface are etched. In this way it is achieved that the etching rate in the strip between the two wedge structures can be continuously adjusted or changed.
  • the depth profile of porous layers according to the invention produced in this way was measured along the drawn line ABCD.
  • this surface profile measurement measured after the porous area according to the invention has been scratched off, is the result shown.
  • the interface between porous silicon and crystalline silicon can be seen.
  • the area in which the etching rate was continuously changed by means of the lateral structuring is between points B and C.
  • the exemplary embodiment shows a continuous change in the etching rate with the aid of the etching mask shown in FIG. 3.
  • the area in which this effect occurs is located between the two wedge structures and thus between points B and C. In this area, the two wedge-shaped areas that are not etched continuously change the etching rate, as can be seen from FIG. 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Schicht mit Hilfe eines elektrochemischen Ätzprozesses. Dabei wird eine den erwünschten Verlauf der Tiefenätzrate entsprechende Ätzmaske eingesetzt. Als eine solche Ätzmaske kann zur Bildung eines kontinuierlichen Verlaufs der Tiefenätzrate diese keilförmig ausgebildet gewählt werden.

Description

B e s c h r e i b u n g
Verfahren zur Herstellung einer porösen Schicht mit Hilfe eines elektrochemischen Ätzprozesses
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Schicht mit Hilfe eines elektrochemischen Ätzprozesses gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Desweiteren betrifft die Erfindung ein optisches Bauelement gemäß Anspruch 5.
Dieses Verfahren zur Herstellung einer porösen Schicht mit Hilfe eines elektrochemischen Ätzprozesses, sowie das Verfahren zur Beeinflussung der Ätzrate wird im folgenden ohne Einschränkung der Erfindung anhand von porösem Silicium geschildert.
Als Stand der Technik ist bekannt, poröses Silicium (PS) durch elektrochemisches Ätzen von Siliciumwafern herzustellen, beispielsweise zur Verwendung in der Produktion von Computerchips. Auf diese Weise gebildete Schichten haben eine schwammähnliche Struktur und weisen eine Vielzahl von interessanten Eigenschaften auf.
Ein Anwendungsgebiet für PS ist der Einsatz in optischen Bauelementen. Es ist als Stand der Technik beispielsweise aus DE 4319413.3-33 oder Thin solid films 276 (1996), 143-146 bekannt, unter Verwendung von Schichtsystemen aus PS Wellenleiter, Transmissionsfilter, Reflektore oder Antireflexionsbeschichtungen herzustellen. Die optischen Eigenschaften der Schichtsysteme können durch die Abfolge von Einzelschichten mit verschiedener optischer Dicke gezielt verändert werden.
Die optische Dicke dieser Einzelschichten wird bei vorgegebener Dotierung durch ihre Porosität und Dicke beeinflußt. Die Porosi- tat und Dicke wird bei vorgegebener Dotierung durch die Stromdichte bzw. durch die Dauer des elektrochemischen Ätzens gesteuert. Lediglich mit Hilfe der Dauer des Ätzens ist es - be vorgegebenem Substrat und vorgegebener Stromdichte - möglich, die gewünschte Schichtdicke einzustellen.
Um PS integriert mit anderen Bauelementen einsetzen zu können, muß zur Bildung einer solchen Struktur die Flache, die geatzt werden soll, definiert werden. Die bekannte Strukturierung des Substrates vor der Herstellung der porösen Schicht mit einer
Atzmaske fuhrt zu einer Krümmung des Interface PS / Substrat bei der Herstellung (Figur 1). Bei Experimenten wurden Streifen einer Lange von 1 cm und einer Breite untersucht, die jeweils ihrem Abstand von dem nächsten Streifen entsprach. Wie die Figur 1 erkennen laßt, existieren zwei Krümmungen. Eine Krümmung innerhalb eines Streifens und eine Krümmung über alle Streifen hinweg. Diese Krümmungen bewirken nachteilig eine Inhomogenität der Schichten (siehe Fig. 5) .
Ist eine Einzelstruktur lOOμm oder kleiner, so ist das Interface PS / Substrat gerade (Figur 2) . Dies wird dadurch verursacht, daß der Prozeß, der zur Interfacekrummung fuhrt, diese kleinen Strukturen nicht mehr auflost. Für Anwendung von PS, die unter¬ halb dieser Großenskala liegen, entfallt das Problem einer Inho- mogemtat von Filtern und Reflektoren aufgrund der Interface- krummung . In Figur 2 ist erkennbar, daß eine Strukturierung mit Photolack zu einem starken Unteratzen der Atzmaske fuhrt. Dieses kann durch ein anderes Atzmaskenmaterial z.B. durch Siliciumnitrid (Si3N4) verhindert werden [M. Kruger et al . , Thin solid films 276 (1996) 257-260]. Mit Hilfe dieser Maskentechnik ist es möglich eine Struktur aus PS herzustellen, die sowohl über ein gerades Interface PS / Substrat verfugen als auch über senkrechte Atzflanken. Mit diesen Voraussetzungen ist eine Herstellung von Schichtsystemen aus porösem Silicium möglich, deren Eigenschaften im Voraus bestimmt werden können.
Zur Herstellung mehrerer poröser Bereiche auf demselben Wafer kann dies bisher gleichzeitig nur dann geschehen, wenn diese auch die gleichen Eigenschaften haben sollen. Sollen hingegen die Pixel unterschiedliche Eigenschaften haben, z.B. für ein Filterarray aus porösen Schichtsystemen, so können diese nicht gleichzeitig geätzt werden. Dies fuhrt nachteilig dazu, daß schon hergestellte poröse Schichten abgedeckt werden müssen, um sie beim Atzen der neuen Pixel in ihren Eigenschaften zu erhalten. Dieser Weg ist sehr schwierig und aufwendig zu realisieren und bis etzt noch nicht möglich, da diese Abdeckung ohne Einfluß auf die porösen Schichten ruckstandsfrei entfernt werden müßte .
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Schicht mit Hilfe eines elektrochemischen Ätzprozesses bereitzustellen, bei dem die genannten Nachteile vermieden werden.
Die Aufgabe wird gelost durch ein Verfahren gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Die Aufgabe wird ferner gelost durch ein optisches Bauelement gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 5. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausfuh- rungsformen oder Varianten finden sich in den auf jeweils einen dieser Ansprüche ruckbezogenen Unteranspruchen .
Im Rahmen der Erfindung wird in an sich bekannter Weise die At- zung zur Porosidierung des Materials durchgeführt. Es wurde erkannt dabei eine Atzmaske geeigneter Geometrie mit auf die gewünschte Tiefenatzung abgestimmte Verhalten zu bilden und im er- finsdungsgemäßen Verfahren einzusetzen.
Es wurde im Rahmen der Erfindung zudem erkannt, daß das gleichzeitige Herstellen von Pixeln innerhalb einer porosidierbaren Struktur mit unterschiedlichen Eigenschaften in einem Arbeitsgang möglich ist, wenn die Ätzrate jedes Pixels nicht nur durch die von außen angelegte Stromdichte vorgegeben ist, sondern auch noch durch die unterschiedliche Umgebung des Pixels mitbestimmt wird. Die Umgebung der Pixel kann durch die Atzmaske so gestaltet werden, daß die Pixel unterschiedliche Stromdichten und somit unterschiedliche Atzraten haben. Auf diese Weise können die gewünschten unterschiedlichen Eigenschaften erzielt werden.
Auf diese Weise ermöglicht das erfindungsgemaße Verfahren, mehrere, insbesondere viele Arbeitsschritte durch einen einzigen Schritt geeigneter Ausbildung zu ersetzen. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist darin gelegen, daß auch eine kontinuierli- ehe Veränderung der Eigenschaften einer porösen Schicht möglich ist. Dieses Verfahren kann für alle elektrochemischen Atzverfahren verwendet werden.
Gemäß Patentanspruch 1 beinhaltet das Verfahren zur Herstellung einer porösen Schicht mit Hilfe eines elektrochemischen Ätzprozesses den Einsatz einer den erwünschten Verlauf der Tiefenätzrate entsprechenden Atzmaske.
Gemäß Patentanspruch 2 wird das erfindungsgemaße Verfahren vor- teilhaft ausgebildet, indem zur Bildung eines kontinuierlichen Verlaufs der Tiefenätzrate eine keilförmige Atzmaske gewählt wird.
Gemäß Patentanspruch 3 wird das erfindungsgemaße Verfahren dadurch vorteilhaft ausgebildet, daß zur Bildung eines diskreten Verlaufs der Tiefenätzrate eine eine oder mehrere, keilförmige stufenförmige Strukturen aufweisende Atzmaske gewählt wird.
Gemäß Patentanspruch 4 wird das erfindungsgemaße Verfahren vorteilhaft dadurch ausgeführt, daß als Ausgangsmaterial zur porösen Schichtbildung Silicium, Germanium oder Aluminium gewählt wird. Diese Materialien sind in ihrem Verhalten hinsichtlich Atzung vergleichsweise gut bekannt.
Optische Bauelemente mit der erfmdungsgemaßen Schicht sind gemäß Patentanspruch 5 beansprucht.
Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausfuh- rungsbeispielen naher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1: Tiefe geatzter poröser, als Stand der Technik bekannter Streifen, gemessen mit einem Surfaceprofiler nach Ent- fernung des porösen Siliciums durch Natronlauge (NaOH) ;
Fig. 2: Tiefe der porösen Streifen gemäß Figur 1, gemessen nach dem Entfernen der porösen Schicht mittels Natronlauge;
Fig. 3: erfindungsgemaße Atzmaske für eine kontinuierliche Änderung der Atzrate; Fig. 4: erfindungsgemaße Oberflachenprofilmessung, gemessen nach dem Abatzen des porösen Bereiches.
Fig. 5: Meßprinzip der Ti efenprof i 1 messungen .
Ausfuhrungsbeispiel
In der Figur 1 ist die Tiefe der erfindungsgemäß geatzten poro- sen Streifen, gemessen mit einem Surfaceprofiler nach Entfernung des porösen Siliciums durch Natronlauge (NaOH) dargestellt. Die Streifenbreite der hier gezeigten Strukturen betrug 1000, 500 bzw. 250 μm.
In der Figur 2 ist die gemessene Tiefe der erfindungsgemäß porösen Streifen nach dem Entfernen der porösen Schicht mittels Natronlauge gezeigt. Es läßt sich erkennen, daß im Falle einer Streifenbreite von lOOμm das Interface eines einzelnen Streifens nicht mehr gekrümmt, sondern gerade ausgebildet ist. Zu erkennen ist auch das Unteratzen unter die Maske, welche nur 100 μm breit war .
In der Figur 3 ist die erfindungsgemäße Ätzmaske zur Erzielung einer kontinuierlichen Änderung der Ätzrate dargestellt. Diese Maske wird auf die zu ätzende Oberflache positioniert. Dabei werden die Oberflächenbereich unterhalb der dunklen Bereiche der erfindungsgemäßen Ätzmaske abgedeckt, die hellen Bereiche der Oberfläche werden geätzt. Auf diese Weise wird erreicht, daß im Streifen zwischen den beiden Keilstrukturen die Ätzrate kontinu- ierlich einstellbar oder veränderbar ist. Entlang der eingezeichneten Linie ABCD, wurde das Tiefenprofil auf diese Weise hergestellter erfindungsgemäßer poröser Schichten gemessen.
In der Figur 4 ist diese Oberflachenprofilmessung, gemessen nach dem Abatzen des erfindungsgemaßen porösen Bereiches im Ergebnis dargestellt. Zu erkennen ist das Interface zwischen porösem Silicium und dem kristallinen Silicium. Der Bereich, in dem die Atzrate mittels der lateralen Strukturierung kontinuierlich veränderlich ausgebildet wurde, ist zwischen den Punkten B und C gegeben.
Mit dem erfindungsgemaßen Verfahren ist die Möglichkeit gegeben, sowohl diskrete als auch kontinuierliche Veränderungen der Atzrate zu erreichen. Das Ausfuhrungsbeispiel zeigt eine kontmu- ierliche Änderung der Atzrate mit Hilfe der aus in Figur 3 dargestellten Atzmaske. Der Bereich, in dieser Effekt auftritt, befindet sich zwischen den beiden Keilstrukturen und damit zwischen den Punkten B und C. In diesem Bereich verandern die beiden keilförmigen Bereiche, die nicht geatzt werden, kontinuier- lieh die Atzrate, wie aus Figur 4 ersichtlich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer porösen Schicht mit Hilfe ei- 5 nes elektrochemischen Ätzprozesses, dadurch gekennzeichnet, daß eine den erwünschten Verlauf der Tiefenätzrate entsprechende Atzmaske eingesetzt wird.
10 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines kontinuierlichen Verlaufs der Tiefenätzrate wenigstens eine keilförmige Atzmaske gewählt wird.
15 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines diskreten Verlaufs der Tiefenätzrate eine eine oder mehrere, keilförmige stufenförmige Strukturen aufweisende Atzmaske gewählt wird.
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4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial zur porösen Schichtbildung Silicium, Germanium oder Aluminium gewählt wird.
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5. Optisches Bauelement mit einer oder mehrerer nach einem der Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellter porösen Schichten.
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