WO2000022657A1 - Verfahren zur mikrostrukturierung von gläsern - Google Patents

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WO2000022657A1
WO2000022657A1 PCT/DE1999/003122 DE9903122W WO0022657A1 WO 2000022657 A1 WO2000022657 A1 WO 2000022657A1 DE 9903122 W DE9903122 W DE 9903122W WO 0022657 A1 WO0022657 A1 WO 0022657A1
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glass
etching
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PCT/DE1999/003122
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Stefan Sassen
Sabine Huber
Karin Bauer
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Daimlerchrysler Ag
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    • C03C2218/33—Partly or completely removing a coating by etching

Definitions

  • the invention relates to a method for microstructuring glasses.
  • glass plays an increasingly important role.
  • This material is particularly suitable for hermetic sealing and is used in connection with the anodic bonding technology.
  • glass layers or vapor deposition glasses have to be structured.
  • Another known structuring option for glass is dry etching in a plasma reactor. But here too there is the problem of low selectivity towards the substrate and the strong dependence on the composition of the respective glass. In addition, often when dry etching the material cannot be removed sufficiently. There is also the problem of contamination of the system in which the dry etching is carried out.
  • the method according to the invention for microstructuring glasses has the following steps:
  • the method according to the invention offers the possibility of producing, in particular, hermetically encapsulated capacitive sensors with high accuracy.
  • Step b) is preferably carried out by means of photolithography and subsequent etching, the partial region of the oxide or nitride layer advantageously being removed by dry etching and the partial region of the Al layer by wet chemical etching.
  • the Al layer is preferably detached by lift-off of the Al layer or the layers above it, an etchant, eg. B. a phosphoric acid etching mixture is supplied.
  • the oxide or nitride layer preferably comprises Si0 2 or Si 3 N 4 .
  • An HF dip ie immersion in hydrofluoric acid, is preferably carried out before the Al layer is detached.
  • the etching time can be shortened considerably, or the efficiency can be increased, since a larger contact surface is provided for the etching agent, and the layer composite stored on the substrate is completely detached.
  • the HF dip has a period of 5 sec to 15, especially before Trains t ⁇ about 10 sec.
  • the lift-off preferably takes no longer than 10 min, preferably 4 to 6 minutes, more preferably about 5 min.
  • the substrate can be a semiconductor wafer, preferably an Si wafer, or an insulator, such as, for. B. Pyrex, or a layer of glass.
  • the substrate In order to provide the substrate with the layers thereon, it is preferably sputtered with the Al layer, and the SiO 2 is preferably applied to the Al layer by means of CVD.
  • the substrate preferably comprises a semiconductor which is vapor-deposited with a first glass layer before the further layers are applied.
  • One or more conductor bushings can be created on the substrate. This allows a hermetically sealed sensor to be manufactured to be wired later.
  • the substrate can be provided with a metallization level, which is preferably structured by photolithography and etching. In this way, conductor tracks can be created which tunnel underneath the later bond frames.
  • the etching for structuring the metallization level is preferably carried out at a temperature of 30 to 50 ° C., particularly preferably at approximately 40 ° C. As a result, the etching is much more homogeneous than at room temperature.
  • the conductor track bushings are preferably designed such that they run through a bond frame in the finished component or sensor.
  • the HF dip has a duration of preferably 3 to 10 minutes, particularly preferably approximately 5 minutes. This results in a particularly uniform and faster so-called pinhole energy hanced lift-off reached.
  • a lead is preferably taken into account when applying the glass layer in accordance with step d), in order to compensate for etching away the further glass layer, in particular in the case of a longer-lasting HF dip.
  • the invention enables, for example, the production of hermetically sealed micromechanical components with conductor bushings.
  • the method is particularly suitable for producing high-precision capacitive sensors.
  • any electrode shape and surface can be created inexpensively, precisely and with a high degree of automation.
  • Pre-lift-off with the HF dip has the further advantage of being independent of the structure mask and preventing sticking.
  • 1a-1g schematically shows a preferred sequence of the method according to the invention in two variants
  • FIG. 2a shows a micrograph of a structure with an overhanging plasma oxide layer with high surface roughness
  • Figure 2b shows the structure of Figure 2a with vapor-deposited glass layer
  • FIG. 3 shows a microscope image of structured glass with oblique evaporation
  • FIG. 4 shows a microscope image of a conductor leadthrough.
  • Figure 1 a - g shows schematically the sequence of the individual process steps of the glass structuring according to the invention by means of lift-off technology.
  • an Si wafer 1 with a glass layer 2 applied to it is first provided as the substrate.
  • An Al layer 3, an SiO 2 * layer 4 and a photoresist 5 are applied to the glass layer 2.
  • the Si wafer 1 consists of boron-doped p-silicon with the crystal orientation ⁇ 100>.
  • the silicon wafer 1 is vapor-deposited with glass 2.
  • the relatively thick Al layer 3 is then sputtered on.
  • a relatively thin layer 4 of plasma oxide or PECVD oxide is applied to the Al layer 3, which is provided by reaction of silane and nitrogen dioxide to Si0 2 :
  • the Si wafer 1 with the layers applied thereon in the order of glass, Al, SiO 2 and photoresist is now subjected to a photolithography step in which the structure is covered by a negative mask 8, ie the area 5a is to be applied or structured in the glass, exposure is carried out, as shown in FIG. 1a.
  • the PECVD oxide or the SiO 2 layer 4 is opened by dry etching, as shown in FIG. 1 b, so that the substrate 1, 2 underneath is exposed in the previously exposed area.
  • the photoresist 5 is then removed in a 0 2 plasma, so that the remaining plasma oxide or the remaining regions of the SiO 2 layer 4 serve as a mask for the following etching step and thus as a replacement for the photoresist usually used.
  • the exposed aluminum is etched or structured wet-chemically and thus isotropically in a phosphoric acid etching mixture at elevated temperature.
  • overhanging flanks 4 a of the SiO 2 layer 4 which is applied to the Al layer 3, form at the edges of the etching area.
  • a further glass layer 6 is then applied to the layer structure thus obtained or processed by vapor deposition, as shown in FIG. 1d.
  • This further glass layer 6 is thus on the one hand directly on the previously exposed first glass layer 2, and on the other hand on the remaining areas of the SiO 2 layer 4.
  • the thickness of the further glass layer 6 is somewhat less than that of the Al layer 3.
  • FIG. 1e shows the following detachment of the areas with the layer sequence Al / SiO 2 / glass from the Si wafer 1.
  • the detachment takes place by lift-off in a phosphor phosphoric acid etching mixture. With an etching rate of approx. 0.2 ⁇ m / min and lateral etching lengths of up to 30 ⁇ m, etching times of 2 hours and more can result.
  • the etching times can be shortened by performing a so-called pinhole-enhanced lift-off instead of the lift-off as shown in FIG. 1e, as shown in FIG. 1f.
  • a short HF dip is first carried out, as a result of which a large number of small channels or pinholes 6a are formed in the further glass layer 6 and in the SiO 2 layer 4 underneath.
  • the pinholes 6a e.g. B. in the form of cracks or holes, arise from the fact that the aluminum layer 3, which lies under the glass layer 6, has a very large roughness, which is also reflected in the overlying plasma oxide layer or SiO 2 layer 4 and the glass layer 6 .
  • the phosphoric acid also penetrates through the glass layer 6 and the SiO 2 layer 4 to the Al layer 3, which offers a much larger contact surface for etching away the aluminum.
  • the etching no longer only acts laterally, as shown by arrow A in FIG. 1e, but also vertically or perpendicularly to the layer surface through the pinholes 6a, as shown by arrows B in FIG. 1f.
  • the SiO 2 / glass layer composite lifts off as a single piece (FIG. 1f).
  • FIG. 1g shows the remaining SiO 2 wafer 1 with the glass 2 and structured glass 6 thereon.
  • FIG. 2a shows an SEM image of the layer structure after the wet chemical etching of the aluminum, corresponding to the state shown in FIG. 1c. Due to its increased surface roughness, the overlying SiO 2 layer 4 has so-called hillocks 41, which are in the ⁇ m range. The overhanging part of the Si0 2 layer 4 or the overhanging flank at the etching edge can also be clearly seen. Below the plasma oxide layer with the hillocks 41 is the isotropically etched Al layer 3, the high surface roughness of which is reflected on the overlying plasma oxide layer.
  • FIG. 2b shows an SEM image of the layer structure, in a state in which the upper glass layer 6 has already been applied to the SiO 2 layer 4.
  • the "in this receiving structure shown is located in the schematically illustrated in Figure 1d state.
  • the surface of the part of the deposited further glass layer 6, which is located on the Si0 2 layer 4, also shows Hillocks 61, the large by the roughness of the , the underlying aluminum layer 3.
  • the part of the second or upper glass layer 6 that forms the bonding frame can be seen in the lower right part of the receptacle.
  • the etch rate of glass in buffered hydrofluoric acid may be several orders of magnitude higher than that of glass with low roughness.
  • Evaporating glass with a roughness in the range of approx. 20 nm has an etching rate in buffered HF of approx. 63 nm / min, ie with an HF dip that lasts 10 s, only approx. 10 nm of the layer are removed.
  • the hillocks described above which form locations with a large slope, much higher etching rates of up to approximately 250 nm / s are achieved.
  • With an etching time of approx. 5 min the aluminum has completely disappeared, regardless of the structure widths.
  • FIG. 3 shows that when the layer structure was vapor-deposited to form the upper glass layer 6, the glass was not only vapor-deposited vertically into the pits present, but also laterally in the lateral undercuts.
  • FIG. 4 shows an SEM image in which a layer structure with a conductor track lead-through 9 can be seen.
  • a metallization level or layer in the form of a 100 nm thick TiW layer is applied to the Si wafer 1, if appropriate after the first glass evaporation, by sputtering, which is then coated with a photoresist material.
  • the areas exposed by a mask are removed during development, while the unexposed lacquer structures are cured.
  • the wet chemical structuring of the TiW layer is carried out using hydrogen peroxide.
  • the HF dip is carried out with a duration of approximately 5 minutes.
  • the glass layer 6 to be structured is also etched by approximately 315 nm, but this is already taken into account when the glass layer 6 is evaporated.
  • the duration of the HF dip of approx. 5 minutes means that the subsequent lift-off in the phosphoric acid etching mixture does not take longer than 10 minutes. In addition to the enormous time saving that results from this, it is also achieved that the various layers are not exposed to the etching chemicals for too long.
  • the longer duration of the HF dip in the presence of conductor tracks 9 overcomes the problem that the density or frequency of the pinholes differs in the different areas of the structure. While a relatively high pinhole density is achieved in the areas of the glass layer 6 which lie above the aluminum layer 3 after 10 s with the HF dip, the glass layer 6 has only a relative density in the areas which lie above the conductor tracks 9 low pinhole density. This difference results from the increased surface roughness of the aluminum. However, the highest pinhole density results in the areas that are located above the edges of the conductor tracks 9, since the etching rate in the glass layer depends very much on the slope of the surface or the roughness.
  • the method offers the further advantage that the oblique flanks caused by the glass vapor deposition and shown in FIG. are etched away, so that there is a structure with edges running essentially perpendicular to the glass surface.
  • the method according to the invention for microstructuring vapor deposition glasses can be used particularly advantageously for producing components for micromechanical applications.
  • bond frames for the hermetic sealing of sensors by means of anodic bonding can be produced.
  • Micromechanical components, such as. B. sensors can be produced quickly and with high accuracy.
  • the method according to the invention makes it possible in particular to manufacture hermetically encapsulated, capacitive sensors.
  • wafers made of other semiconductor materials such as. B. GaAs, or insulators, such as. B. Pyrex.
  • additional structures or contours can also be formed on the substrate before the method is carried out.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Mikrostrukturierung von Gläsern bzw. Aufdampfgläsern wird zunächst ein Substrat (1, 2) bereitgestellt, z.B. ein Si-Wafer (1) mit einer Glasschicht (2), das eine Al-Schicht (3) und eine SiO2-Schicht (4) trägt. Mittels Photolithographie und Ätzen wird ein Bereich der SiO2-Schicht (4) und der darunterliegenden Al-Schicht (3) herausgearbeitet, wodurch ein Abschnitt des darunterliegenden Substrats (1, 2) freigelegt wird. Anschliessend wird eine Glasschicht (6) auf die Struktur aufgedampft und in einem weiteren Verfahrensschritt werden die noch verbliebenen Teile der Al-Schicht (3) weggeätzt. Die darüberliegende Schichtfolge SiO2/Glas wird mittels Lift-Off entfernt. Vor dem Lift-Off kann ein Dip in Flußsäure durchgeführt werden, was zu Kanälen oder Pinholes in der obenliegenden Glassschicht (6) führt und die Ätzzeiten stark verkürzt.

Description

Verfahren zur Mikrostrukturierung von Gläsern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mikrostrukturierung von Gläsern.
Bei der Herstellung von Sensoren, z. B. für Anwendungen in der Mikromechanik, spielt Glas eine immer bedeutendere Rolle. Dieser Werkstoff eignet sich besonders für die hermetische Versiegelung und wird im Zusammenhang mit der Tech- nik des anodischen Bondens eingesetzt. Hierzu müssen Glasschichten bzw. Aufdampfgläser strukturiert werden.
Eine Möglichkeit der Strukturierung von Aufdampfgläsern bietet das naßchemische Ätzen. Dieses Verfahren hat jedoch mehrere Nachteile. Als isotropes Ver- fahren führt es zu Unterätzungen an Strukturkanten. Die Maßhaltung ist in vielen Fällen nicht ausreichend genau. Weiterhin ergibt sich keine oder nur eine geringe Selektivität gegenüber glasähnlichen Materialien, wie z. B. Oxid, und somit eine geringe Selektivität gegenüber einem Substrat, das die Glasschicht trägt. Darüber hinaus ist das Verfahren stark von der jeweiligen Zusammensetzung des Glases abhängig. Zusätzlich muß als Maskierung auf Materialien wie Cr oder Au ausgewichen werden, da Photolack nicht ausreichend resistent gegen Flußsäure ist. Hinzu kommt, daß oftmals das Material nicht ausreichend entfernt wird.
Eine weitere bekannte Strukturierungsmöglichkeit für Glas bietet Trockenätzen in einem Plasmareaktor. Aber auch hier besteht das Problem der geringen Selektivität gegenüber dem Substrat und die starke Abhängigkeit von der Zusammensetzung des jeweiligen Glases. Darüber hinaus ist auch beim Trockenätzen oftmals keine ausreichende Entfernung des Materials möglich. Weiterhin besteht das Problem einer Kontamination der Anlage, in der das Trockenätzen durchgeführt wird.
Eine konventionelle Lift-Off-Technik, wie sie in Litman, D., Mader, H., Friedrich, H., "Technologie hochintegrierter Schaltungen", Springer-Verlag, 1996, beschrieben wird, kann für die Glasstrukturierung nicht verwendet werden, da das Glas bei hohen Temperaturen von bis zu 500°C aufgedampft wird und Photolack ab Temperaturen von ca. 120°C zu fließen beginnt und somit nur eine begrenzte Temperaturbeständigkeit aufweist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Strukturierung von Gläsern oder Aufdampfgläsern anzugeben, das eine hohe Genauigkeit und eine hohe Selektivität bietet, die Strukturierung von Dünnschichten erlaubt, die bei hohen Temperaturen erzeugt werden, sowie einfach und zeitsparend durchzuführen ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Mikrostrukturierung von Gläsern gemäß Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschrei- bung und den Figuren.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Mikrostrukturierung von Gläsern weist die folgenden Schritte auf:
a) Bereitstellung eines Substrats mit einer darüberliegenden AI-Schicht und einer auf der AI-Schicht liegenden Oxid- oder Nitridschicht; b) Entfernen von jeweils einem Teilbereich der Oxid- oder Nitrid-Schicht und der darunter gelegenen Al-Schicht um einen Abschnitt des Substrats freizulegen, auf dem eine Struktur ausgebildet werden soll;
c) Aufdampfen einer Glasschicht; und
d) Ablösen weiterer bzw. restlicher Bereiche der Al-Schicht von dem Substrat (1, 2).
Hierdurch wird eine hohe Selektivität zum Substrat und ein vollständiger Abtrag erreicht, und eine Anlagenkontamination wird vermieden. Darüber hinaus bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, insbesondere hermetisch gekapselte kapazitive Sensoren mit hoher Genauigkeit herzustellen.
Bevorzugt wird Schritt b) mittels Photolithographie und anschließendem Ätzen durchgeführt, wobei vorteilhafterweise der Teilbereich der Oxid- oder Nitrid- Schicht durch Trockenätzen und der Teilbereich der Al-Schicht durch naßchemisches Ätzen entfernt wird. Das Ablösen der Al-Schicht erfolgt bevorzugt durch Lift-Off der Al-Schicht bzw. der darüberliegenden Schichten, wobei ein Ätzmittel, z. B. eine Phosphorsäure-Ätzmischung, zugeführt wird. Die Oxid- oder Nitridschicht umfaßt bevorzugt Si02 bzw. Si3N4.
Vorzugsweise wird vor dem Ablösen der Al-Schicht ein HF-Dip, d. h. ein Eintauchen in Flußsäure durchgeführt. Dadurch kann die Ätzzeit erheblich verkürzt wer- den bzw. die Effizienz erhöht werden, da eine größere Angriffsfläche für das Ätzmittel geboten wird, und es erfolgt ein vollständiges Ablösen des auf dem Substrat gelagerten Schichtverbundes. Vorzugsweise hat der HF-Dip eine Dauer von 5 bis 15 sec, insbesondere bevor¬ zugt ca. 10 sec. Der Lift-Off dauert vorzugsweise nicht länger als 10 min, bevorzugt 4 bis 6 min, insbesondere bevorzugt ca. 5 min. Das Substrat kann ein Ha-lb- leiterwafer, vorzugsweise ein Si-Wafer sein, oder ein Isolator, wie z. B. Pyrex, oder eine Glasschicht.
Um das Substrat mit den darauf befindlichen Schichten bereitzustellen, wird es bevorzugt mit der Al-Schicht besputtert, und das Si02 wird bevorzugt mittels CVD auf die Al-Schicht aufgebracht. Vorzugsweise umfaßt das Substrat einen Halblei- ter, der vor dem Aufbringen der weiteren Schichten mit einer ersten Glasschicht bedampft wird.
Auf dem Substrat können eine oder mehrere Leiterbahndurchführungen geschaffen werden. Dadurch kann ein herzustellender, hermetisch gekapselter Sensor später verdrahtet werden. Beispielsweise kann das Substrat mit einer Metallisierungsebene versehen werden, die bevorzugt durch Photolithograhie und Ätzen strukturiert wird. Dadurch können Leiterbahnen geschaffen werden, welche die späteren Bondrahmen untertunneln.
Das Ätzen zur Strukturierung der Metallisierungsebene erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur von 30 bis 50°C, insbesondere bevorzugt bei ca. 40°C. Dadurch erfolgt die Ätzung wesentlich homogener als bei Raumtemperatur. Vorzugsweise werden die Leiterbahndurchführungen derart angelegt, daß sie beim fertigen Bauteil bzw. Sensor durch einen Bondrahmen verlaufen.
Insbesondere bei der Schaffung von Leiterbahndurchführungen hat der HF-Dip eine Dauer von vorzugsweise 3 bis 10 min, besonders bevorzugt ca. 5 min. Hierdurch wird ein besonders gleichmäßiger und schneller sogenannter Pinhole-En- hanced-Lift-Off erreicht. Vorzugsweise wird beim Aufbringen der Glasschicht gemäß Schritt d) ein Vorhalt berücksichtigt, um insbesondere bei einem länger andauernden HF-Dip ein Wegätzen der weiteren Glasschicht zu kompensieren.
Durch die Erfindung wird beispielsweise die Herstellung von hermetisch versiegelten mikromechanischen Bauteilen mit Leiterbahndurchführungen ermöglicht. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung kapazitiver Sensoren hoher Genauigkeit. Dabei bieten sich besondere Vorteile, wie z. B. ein hermetisch dichter Abschluß mit Signaldurchführung, gute RC-Konstanten für die Kapazität und die Leiterbahndurchführung, gut automatisierbare Drahtbonds, sowie ein gutes Verhältnis von Nutz- zu Parasitärkapazität, das gegenüber dem bekannten anodischen Bonden mit Glas ohne Strukturierung des Aufdampfglases wesentlich verbessert ist. Weiterhin kann eine beliebige Elektrodenform und -fläche kostengünstig, genau und mit einem hohen Automatisierungsgrad geschaffen werden.
Beim Pre-Lift-Off durch den HF-Dip besteht der weitere Vorteil einer Unabhängigkeit von der Strukturmaske, sowie die Verhinderung von sticking.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Figuren be- schrieben, in denen
Figur
1a - 1g einen bevorzugten Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in zwei Varianten schematisch zeigt;
Figur 2a eine Mikroskopaufnahme einer Struktur mit einer überhängenden Plasmaoxidschicht mit hoher Oberflächenrauhigkeit zeigt; Figur 2b die Struktur von Figur 2a mit aufgedampfter Glasschicht zeigt;
Figur 3 eine Mikroskopaufnahme von strukturiertem Glas mit schräger Bedampfung zeigt; und
Figur 4 eine Mikroskopaufnahme einer Leiterbahndurchführung zeigt.
Figur 1 a - g zeigt schematisch die Abfolge der einzelnen Verfahrensschritte der erfindungsgemäßen Glasstrukturierung mittels Lift-Off-Technologie. In dem be- vorzugten Ausführungsbeispiel wird zunächst als Substrat ein Si-Wafer 1 mit einer darauf aufgebrachten Glasschicht 2 bereitgestellt. Auf der Glasschicht 2 sind eine Al-Schicht 3, eine Siθ2*-Schicht 4 und ein Photolack 5 aufgebracht. Der Si- Wafer 1 besteht aus Bor-dotiertem p-Silizium mit der Kristallorientierung < 100>. Zur Herstellung dieser Schichtstruktur wird der Si-Wafer 1 mit Glas 2 bedampft. Anschließend wird die relativ dicke Al-Schicht 3 aufgesputtert. Danach wird auf die Al-Schicht 3 eine relativ dünne Schicht 4 aus Plasmaoxid bzw. PECVD-Oxid aufgebracht, die durch Reaktion von Silan und Stickstoffdioxid zu Si02 bereitgestellt wird:
SiH4 + 4N02 → Si02 + Gase
Abschließend wird der Photolack 5 aufgetragen.
Der Si-Wafer 1 mit den darauf aufgebrachten Schichten in der Reihenfolge Glas, AI, Si02 und Photolack wird nun einem Photolithographieschritt unterzogen, bei dem die Struktur durch eine Negativ-Maske 8 abgedeckt wird, d. h. der Bereich 5a in dem Glas aufgebracht bzw. strukturiert werden soll, wird belichtet, wie in Figur 1a dargestellt.
Nach der Belichtung und Entwicklung wird das PECVD-Oxid bzw. die Si02-Schicht 4 durch Trockenätzen geöffnet, wie in Figur 1 b dargestellt, so daß das darunterliegende Substrat 1, 2 in dem zuvor belichteten Bereich freigelegt wird.
Anschließend wird der Photolack 5 in einem 02-Plasma entfernt, so daß das verbleibende Plasma-Oxid bzw. die restlichen Bereiche der Si02-Schicht 4 als Mas- kierung für den folgenden Ätzschritt und somit als Ersatz für den üblicherweise verwendeten Photolack dient. Nun wird das freigelegte Aluminium in einer Phosphorsäure-Ätzmischung bei erhöhter Temperatur naßchemisch und somit isotrop geätzt bzw. strukturiert. Das Ätzen erfolgt dabei bei einer Ätzrate von ca. = 0,2 μm/min unter Verwendung eines Magnetrührers, wodurch eine besonders gute Homogenität der Ätzung erreicht wird. Wie in Figur 1c zu erkennen ist bilden sich beim naßchemischen Ätzen des Aluminiums an den Rändern des Ätzbereichs überhängende Flanken 4a der Si02-Schicht 4, die auf der Al-Schicht 3 aufgebracht ist.
Auf die so erhaltene bzw. bearbeitete Schichtstruktur wird nun eine weitere Glasschicht 6 mittels Aufdampfen aufgebracht, wie in Figur 1 d gezeigt. Diese weitere Glasschicht 6 befindet sich somit zum einen direkt auf der zuvor freigelegten ersten Glasschicht 2, und zum anderen auf den verbliebenen Bereichen der Si02- Schicht 4. Die Dicke der weiteren Glasschicht 6 ist etwas geringer als die der Al- Schicht 3.
Figur 1e zeigt das nun folgende Ablösen der Bereiche mit der Schichtreihenfolge AI/Siθ2/Glas vom Si-Wafer 1. Das Ablösen erfolgt durch Lift-Off in einer Phos- phorsäure-Ätzmischung. Bei einer Ätzrate von ca. 0,2μm/min und lateralen Ätzlängen von bis zu 30μm können sich dabei Ätzzeiten von 2 Stunden und mehr ergeben.
Die Ätzzeiten können verkürzt werden, indem anstelle des Lift-Offs, wie er in Figur 1e gezeigt ist, ein sogenannter Pinhole-Enhanced-Lift-Off durchgeführt wird, wie er in Figur 1f gezeigt ist. Hierzu wird zunächst ein kurzer HF-Dip durchgeführt, wodurch in der weiteren Glasschicht 6 und in der darunterliegenden Siθ2 - Schicht 4 sehr viele kleine Kanäle oder Pinholes 6a entstehen. Die Pinholes 6a, z. B. in Form von Rissen oder Löchern, entstehen dadurch, daß die Aluminium-Schicht 3, die unter der Glasschicht 6 liegt, eine sehr große Rauhigkeit aufweist, die sich auch in die darüberliegenden Plasmaoxidschicht bzw. Siθ2 -Schicht 4 sowie die Glasschicht 6 abbildet. Durch die Pinholes 6a dringt die Phosphorsäure auch durch die Glasschicht 6 und die Siθ2-Schicht 4 zur Al-Schicht 3 vor, wodurch sich eine sehr viel größere Angriffsfläche zum Wegätzen des Aluminiums bietet. D. h., die Ätze greift nicht mehr ausschließlich lateral an, wie in Figur 1 e durch Pfeil A gezeigt, sondern auch vertikal bzw. senkrecht zur Schichtoberfläche durch die Pinholes 6a, wie in Figur 1f durch Pfeile B gezeigt. Nach dem Wegätzen des Aluminiums hebt der Siθ2 /Glas- Schichtverbund als ein einziges Stück ab (Figur 1f).
Figur 1g zeigt den verbleibenden Siθ2 -Wafer 1 mit dem darauf befindlichen Glas 2 und strukturierten Glas 6.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren mit Pinhole-Enhanced-Lift-Off Technik gemäß Figur 1f, bei dem vor dem Lift-Off ein HF-Dip durchgeführt wird, werden die Ätzzeiten durch die erhöhte Angriffsfläche erheblich verkürzt. Dadurch wird die Selektivität noch erheblich verbessert. Figur 2a zeigt eine REM-Aufnahme der Schichtstruktur nach dem naßchemischen Ätzen des Aluminiums, entsprechend dem Zustand, der in Figur 1 c gezeigt ist. Die obenliegende Si02-Schicht 4 weist auf Grund ihrer erhöhten Oberflächen- rauhigkeit sogenannte Hillocks 41 auf, die im μm-Bereich liegen. Gut zu erkennen ist auch der überhängende Teil der Si02-Schicht 4 bzw. die überhängende Flanke an der Ätzkante. Unterhalb der Plasmaoxidschicht mit den Hillocks 41 befindet sich die isotrop geätzte Al-Schicht 3, deren hohe Oberflächenrauhigkeit sich auf die darüberliegende Plasmaoxidschicht abbildet.
Figur 2b zeigt eine REM-Aufnahme der Schichtstruktur, in einem Zustand, in dem die obere Glasschicht 6 auf der Siθ2-Schicht 4 bereits aufgebracht ist. Die" in dieser Aufnahme gezeigte Struktur befindet sich in dem in Figur 1d schematisch dargestellten Zustand. Die Oberfläche des Teils der aufgedampften weiteren Glasschicht 6, die sich auf der Si02-Schicht 4 befindet, zeigt ebenfalls Hillocks 61 , die durch die große Rauhigkeit der, darunterliegenden Aluminiumschicht 3 verursacht sind. Im rechten, unteren Teil der Aufnahme ist der Teil der zweiten bzw. oberen Glasschicht 6 zu erkennen, der den Bondrahmen bildet.
An den Hillocks 61 ist die Ätzrate von Glas in gepufferter Flußsäure möglicherweise um einige Größenordnungen höher als bei einem Glas mit geringer Rauhigkeit. Aufdampfglas mit einer Rauhigkeit im Bereich von ca. 20 nm hat eine Ätzrate in gepufferter HF vrn ca. 63 nm/min, d. h., bei einem HF-Dip, der 10 s dauert werden nur etwa 10 nm der Schicht abgetragen. An den oben beschriebenen Hillocks, die Stellen mit einer großen Steigung bilden, werden sehr viel höhere Ätzraten bis zu ca. 250 nm/s erreicht. Bei einer Ätzdauer von ca. 5 min ist das Aluminium, unabhängig von den Strukturbreiten, vollkommen verschwunden. Figur 3 zeigt, daß bei der Bedampfung der Schichtstruktur zur Bildung der oberen Glasschicht 6 das Glas nicht nur senkrecht in die vorliegenden Gruben aufgedampft worden ist, sondern auch seitlich in den lateralen Unterätzungen.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Leiterbahndurchführungen realisiert. Fig. 4 zeigt eine REM-Aufnahme, in der eine Schichtstruktur mit einer Leiterbahndurchführung 9 zu erkennen ist. Hierzu wird auf den Si-Wafer 1, gegebenenfalls nach der ersten Glasbedampfung, eine Metal- lisierungsebene bzw. -Schicht in Form einer 100 nm dicken TiW-Schicht durch Sputtem aufgebracht, die anschließend mit einem Photoresistmaterial belackt wird. Die durch eine Maske belichteten Stellen werden beim Entwickeln herausgelöst, während die unbelichteten Lackstrukturen ausgehärtet werden. Die naßchemische Strukturierung der TiW-Schicht erfolgt mittels Wasserstoffperoxid.
Bei einer Temperatur von 22°C ergibt sich eine Ätzrate von 6,66 nm/min, während bei einer Temperatur von 40°C eine Ätzrate von 20 nm/min vorliegt. Bei der erhöhten Temperatur von T = 40°C verläuft die Ätzung wesentlich homogener über den gesamten Wafer als bei Raumtemperatur. Die Homogenität wird noch erhöht, wenn zusätzlich mit einem Magnetrührer gearbeitet wird. In einem weiteren Schritt wird nach dem Ätzen der Photolack mit einem 0 -Piasma entfernt.
Somit erhält man auf dem Substrat oder der ersten Glasschicht 2 Leiterbahnen 9, die bei Herstellung eines Sensors zu dessen Anregung bzw. Auslesung verwendet werden können.
Anschließend erfolgen die weiteren Prozeßschritte, wie sie oben beschrieben wurden, nämlich Besputtem mit AI, CVD (Chemical Vapor Deposition) von Si02, Photolithographie, Trockenätzen des Si02, Entfernen des Photolacks, naßchemisches Ätzen des Aluminiums, Aufdampfen von Glas, Lift-Off oder Pinhole-Enhanced-Lift-Off (PELIFO).
Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens zur Realisierung von Leiterbahnen 9 mit Durchführung des Pinhole-Enhanced-Lift-Offs wird der HF-Dip mit einer Dauer von ca. 5 min durchgeführt. Dabei wird die zu strukturierende Glasschicht 6 auch um ca. 315 nm mitgeätzt, was aber bereits beim Aufdampfen der Glasschicht 6 als Vorhalt berücksichtigt wird. Die Dauer des HF-Dip's von ca. 5 min bewirkt, daß der anschließende Lift-Off in der Phosphorsäure-Ätzmischung nicht länger als 10 min dauert. Neben der enormen Zeitersparnis, die sich hierdurch ergibt, wird auch erreicht, daß die verschiedenen Schichten nicht zu lange den Ätzchemikalien ausgesetzt sind.
Durch die längere Dauer des HF-Dip's beim Vorhandensein von Leiterbahnen 9 wird das Problem überwunden, daß die Dichte bzw. Häufigkeit der Pinholes in den verschiedenen Bereichen der Struktur unterschiedlich ist. Während in den Bereichen der Glasschicht 6, die oberhalb der Aluminiumschicht 3 liegen, bereits nach 10 s beim HF-Dip eine relativ hohe Pinhole-Dichte erzielt wird, weist die Glasschicht 6 in den Bereichen, die über den Leiterbahnen 9 liegen, nur eine relativ geringe Pinhole-Dichte auf. Dieser Unterschied ergibt sich aus der erhöhten Oberflächenrauhigkeit des Aluminiums. Die höchste Pinhole-Dichte ergibt sich jedoch in den Bereichen, die über den Kanten der Leiterbahnen 9 gelegen sind, da die Ätzrate in der Glasschicht sehr stark von der Steigung der Oberfläche bzw. der Rauhigkeit abhängt.
Das Verfahren bietet den weiteren Vorteil, daß durch den HF-Dip auch die schrägen Flanken, die durch das Glasbedampfen entstehen und in Figur 3 gezeigt sind, weggeätzt werden, so daß sich eine Struktur mit im wesentlichen senkrecht zur Glasoberfläche verlaufenden Kanten ergibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Mikrostrukturierung von Aufdampfgläsern kann besonders vorteilhaft zur Herstellung von Bauteilen für mikromechanische Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise können Bondrahmen für die hermetische Versiegelung von Sensoren mittels anodischen Bondens hergestellt werden. Mikromechanische Baueile, wie z. B. Sensoren, können schnell und mit hoher Genauigkeit hergestellt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es insbesondere möglich, hermetisch gekapselte, kapazitive Sensoren herzustellen.
Anstelle des Si-Wafers können auch Wafer aus anderen Halbleitermaterialien, wie z. B. GaAs, verwendet werden, oder auch Isolatoren, wie z. B. Pyrex. Weiterhin können auch zusätzliche Strukturen bzw. Konturen auf dem Substrat ausgebildet sein, bevor das Verfahren durchgeführt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Mikrostrukturierung von Gläsern, gekennzeichnet durch die Schritte:
a) Bereitstellen eines Substrats (1, 2) mit einer darüberiiegenden Al-Schicht (3) und einer auf der Al-Schicht (3) liegenden Oxid- oder Nitridschicht (4);
b) Entfernen von jeweils einem Teilbereich der Oxid- oder Nitridschicht (4) und der darunterliegenden AI-Schicht (3) um einen Abschnitt des Substrats ( 1, 2) freizulegen, auf dem eine Struktur ausgebildet werden soll;
c) Aufdampfen einer Glasschicht (6); und
d) Ablösen weiterer Bereiche der Al-Schicht (3) vom Substrat (1 , 2).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß Schritt b) mittels Photolithographie und Ätzen durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt b) der Teilbereich der Oxid- oder Nitridschicht (4) durch Trockenätzen und/oder der Teilbereich der Al-Schicht (3) durch naßchemisches Ätzen entfernt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablösen der Al-Schicht (3) vom Substrat (1, 2) durch Lift-Off der AI-Schicht (3) mit den darüberiiegenden Schichten erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ablösen der Al-Schicht (3) vom Substrat (1, 2) ein HF-Dip durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der HF-Dip eine Dauer von 5 bis 15 sec, bevorzugt ca. 10 sec , hat.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1, 2) einen Halbleiterwafer, vorzugsweise einen Si-Wafer oder einen Isolator, vorzugsweise Pyrex, umfaßt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ( 1, 2) eine Schicht (2) aus Glas umfaßt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) die Al-Schicht (3) auf das Substrat (1, 2) auf- gesputtert und/oder die Oxid- oder Nitridschicht (4) mittels CVD auf die AI- Schicht (3) aufgebracht wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (1, 2) eine oder mehrere Leiterbahndurchführungen (9) geschaffen werden.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Schaffung der Leiterbahndurchführungen (9) das Substrat ( 1, 2) mit einer Metallisierungsebene versehen wird, die durch Photolithographie und Ätzen strukturiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das
Ätzen der Metallisierungsebene bei einer Temperatur von 30 bis 50°C, bevorzugt ca. 40 °C, erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahndurchführungen (9) derart angelegt werden, daß sie durch einen Bondrahmen verlaufen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekenn- zeichnet, daß der HF-Dip eine Dauer von 3 bis 10 min, vorzugsweise ca. 4 min, hat.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufbringen der Glasschicht (6) ein Vorhalt berücksichtigt wird, um beim HF-Dip ein Ätzen der Glasschicht (6) zu kompensieren.
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