WO2003052796A2 - Automatisches vielkanal-ätzsystem - Google Patents

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WO2003052796A2
WO2003052796A2 PCT/EP2002/014144 EP0214144W WO03052796A2 WO 2003052796 A2 WO2003052796 A2 WO 2003052796A2 EP 0214144 W EP0214144 W EP 0214144W WO 03052796 A2 WO03052796 A2 WO 03052796A2
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gas
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Wolfgang Coenen
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Wolfgang Coenen
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67017—Apparatus for fluid treatment
    • H01L21/67063—Apparatus for fluid treatment for etching
    • H01L21/67075—Apparatus for fluid treatment for etching for wet etching
    • H01L21/6708—Apparatus for fluid treatment for etching for wet etching using mainly spraying means, e.g. nozzles

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for etching
  • etching of precision surfaces is of great economic importance for a whole range of substrates. It is used in the manufacture of so-called “wafers” in the semiconductor industry as well as in the manufacture of microsystem technology products, where components with microelectromechanical structures (MEMS components) are becoming increasingly important. The latter are also generated using semiconductor manufacturing techniques The etching of precision surfaces is also used in the manufacture of porous silicon.
  • glass or plastic surfaces are also etched, for example in the manufacture of
  • the etching device in particular in the etching device for wet chemical etching of precision surfaces, in that it consists of a reaction chamber for receiving and processing an individual object.
  • the present invention allows for this parameter limitation by allowing the processing of a single item. This eliminates statistical fluctuations caused by material deviations of the same type.
  • the top of the reaction chamber is lockable by a lockable cover with a viewing window.
  • This embodiment advantageously ensures that, on the one hand, the toxic SiF 4 gases formed during the etching cannot escape and advantageously enables the processing progress to be monitored optically, preferably using a microscope.
  • a further embodiment of the invention provides that the reaction chamber has an inlet and an outlet for etching agents, the inlet and outlet being arranged in an overflow geometry, spatially separated from one another as far as possible. This arrangement advantageously allows the continuous exchange of used etchant without the etching process having to be interrupted.
  • the inlet in the interior of the reaction chamber is designed as inlet nozzles arranged centrally on the bottom surface and forming perpendicular angles to it, and pointing upward as well as inlet nozzles arranged tangentially to the reaction chamber wall, means that the etchant is kept constantly in a mixing movement. As a result, the surface to be etched is in constant contact with fresh etchant, and not for Formation of stable boundary layers with spent etchant comes. With this arrangement, the effect of the formation of boundary layers on the production process can be determined at the same time.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the inlet consists of a connection attached to the outside of the reaction chamber wall, in which at least two separate accesses are brought together to form an inlet. This configuration simplifies the construction of the chamber and allows the application of different etching agents within one production process.
  • the accesses can be closed by valves.
  • This development has the advantage that different etching agents can be made available for immediate use in the reaction chamber without these mixing beforehand.
  • this development allows an, for example empty, etchant reservoir to be replaced without disrupting the production process.
  • the time-controlled actuation of the valves can also advantageously be used to generate any mixture of different etching agents.
  • the pump provided in one embodiment of the invention enables constant delivery of etchant, so that reproducible reaction conditions are advantageously generated.
  • reaction chamber has a drain valve on the bottom surface, a rapid exchange between two etching agents is advantageously achieved.
  • reaction chamber has an ultrasound device.
  • solubility of the gases produced during the etching process in the etchant is determined by ultrasound advantageously reduced and these gases can be removed more easily from the process.
  • the quantitative removal of the gases leads to higher quality products and increases the reproducibility of the production results.
  • the device according to the invention of a gas inlet on the upper section of the side wall of the reaction chamber and that of a gas outlet on the upper edge of the opposite side wall advantageously allows the gas space of the reaction chamber to be replaced.
  • a partial pressure gradient is generated between dissolved and gaseous SiF 4 , which further reduces the amount of dissolved SiF 4 gas and thus advantageously further increases the reproducibility of the production processes.
  • the etching device has at least one gas-tight opening.
  • This gas-tight opening advantageously ensures that the interior of the reaction chamber is accessible to measuring devices for determining production parameters, and secondly that the escape of toxic SiF 4 gas is advantageously prevented.
  • Transducer or an electrode is guided into the reaction chamber.
  • This embodiment advantageously enables the determination of parameters directly adjacent to the etching process and also allows the investigation of processes that take place electrochemically, such as the production of MEMS components or porous silicon.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that the transducer has a pH electrode and / or a conductivity electrode and / or a temperature sensor and / or a Microscope and / or a flow sensor.
  • the diversity of the transducers that can be used allows a complete monitoring of the parameters of a process, so that the optimization of this process takes place on a solid database.
  • the consumption of the etchant is checked on the basis of the monitoring of the pH value. If the value falls below a certain value, fresh etchant is conveyed into the reaction chamber by means of the pump from a storage container via the inlet with the valve open. This displaces used etchant out of the chamber, which flows into a neutralization and waste unit via the outlet.
  • the completeness of a rinsing process is determined on the basis of the measured values of the conductivity electrode and / or the pH electrode.
  • the etching device is designed to be temperable. This advantageously leads to reproducible reaction conditions being created. At the same time, the effect of an etchant is increased by increasing the temperature.
  • the inside of the lid has a horizontal holder fastened there for a surface to be etched, in particular the surface of a so-called wafer of up to 300 mm in diameter.
  • the horizontal position of the material to be etched surprisingly means that the quality of the products produced is significantly higher than that of products manufactured in a vertical position. The reason for this is that the gases generated during the etching process escape vertically upwards in the case of horizontal storage. In this way you do not come into further contact with the surface to be etched.
  • a further embodiment of the invention provides that an electrochemical cell known per se is attached to the inside of the lid, the lid of which is formed by the surface to be machined, which is designed to be machined with two O-rings, and the cell with a K 2 SO 4 solution is filled, and the cell has a Pt electrode and a translucent section in the wall. Because the etching device has such an electrochemical cell, processes of the production of MEMS components and porous silicon can advantageously also be examined.
  • a further development of the invention provides that a computer-aided program is provided which records and evaluates measured values and controls time-dependent processes in a variable manner. This further development leads to advantageous simplification of the process optimization.
  • an etching device consists of combinable modules. This modularity has the advantage that the etching device can be adapted to optimize a large number of production processes.
  • the process object of the present invention is achieved in that different etching agents are metered in individually and in combination. This procedure allows the advantageous variation of different etching agents to optimize production processes.
  • the process object is further achieved in that the etching agents flow in a tangential manner onto the precision surface to be etched, which advantageously has the effect that the etching agent constantly remains in a mixing movement.
  • This has the consequence that the surface to be etched is in constant contact with fresh etchant, and it does not form stable boundary layers with used up Etchant comes. With this arrangement, the effect of the formation of boundary layers on the production process can be determined at the same time.
  • the exposure time of different etching agents is advantageously varied independently of one another so that the parameter of the process duration can be optimized.
  • the method according to the invention advantageously provides that rinsing phases take place between etching phases. This method ensures that the effect of one etchant can be distinguished from that of another.
  • rinsing is carried out with deionized water and / or with non-aromatic alcohols with C chain lengths ⁇ 6 advantageously makes it easier to identify the end time of a rinsing phase by measuring the conductivity value.
  • the use of alcohols prepares for drying and advantageously leads to a complete removal of any rinsing or etching liquid that may have remained on the surface of the object to be etched.
  • the method according to the invention provides that the used etching agents are collected in a waste container and then neutralized in a neutralization system. This method step advantageously facilitates the handling of the etching device according to the invention and increases the safety in handling it.
  • the method according to the invention further provides that the gaseous SiF 4 formed during the etching process is removed from the gas space of the reaction chamber by means of nitrogen flushing and into a
  • Neutralization device is directed.
  • Etching device a partial pressure gradient is advantageously generated between dissolved and gaseous SiF 4 , which further reduces the amount of dissolved SiF 4 gas and thus advantageously further increases the reproducibility of the production processes.
  • the method according to the invention provides that the etching process takes place at different temperatures, which advantageously increases the effect of an etchant.
  • the etching process takes place with the supply of electrical energy and / or light energy.
  • This process step advantageously enables the use of the etching device for process optimization and product development of MEMS components and / or porous silicon.
  • Figure 1 is a schematic of the structure of the etching device.
  • the etching device for etching precision surfaces of a single object.
  • the precision surface is fixed by a holder 17 attached to a cover 2 and immersed in an etchant in a reaction chamber 1.
  • the etching device is set to a specific temperature by means of a computer-controlled temperature control (not shown) or changes its temperature in accordance with a time-controlled temperature program.
  • the etchant is constantly kept in motion by a circulation pump (not shown), the etchant escaping through differently oriented inlet nozzles 6 at the bottom of the reaction chamber 1. This results in a constant movement of the etchant, which is amplified by the ultrasound device 12.
  • the constant movement helps to discharge the gases that arise during the etching processes from the etchant.
  • the gases discharged in this way collect in the gas space above the etchant. There they are removed by a gas stream entering via a gas inlet 13 and exiting via a gas outlet 14. The exiting gas stream is passed into a neutralization unit 21 and can thus be safely disposed of.
  • Certain parameters of the etchant such as the pH value, are constantly recorded by means of a sensor 16, for example a pH electrode, and transmitted to a computer (not shown) for evaluation and monitoring.
  • a sensor 16 for example a pH electrode
  • This is equipped with appropriate software, for example Lab View software, which, in addition to a monitoring and evaluation function, also enables the free programmability of process sequences.
  • the valve 9 controlled by the software opens and fresh etchant is pumped from a reservoir (not shown) via a feed line 8 and a connection 7 into the interior the reaction chamber 1 promoted.
  • the used etchant is displaced from the chamber and passes through outlet 5 and a waste container 19 into a neutralization system 20.
  • the supply is stopped.
  • a desired rapid drain of the etchant takes place via the drain valve 11 attached to the bottom of the reaction chamber 1.
  • the slower replacement of one etchant with another, or the The interposition of a rinsing phase is also software-controlled and dependent on the measured value via the etchant module 22.
  • the old etchant is displaced by the newly conveyed rinse substance or the new etchant until, for example, the pH value or the conductivity value of the solution reach a certain preset value to reach.
  • the reaction chamber 1 is rinsed in the same way with deionized water.
  • the structures obtained on the precision surface after the process step are checked by means of a microscope (not shown) through the window 3 of the cover 2 or optionally via an endoscope inserted into the reaction chamber 1.
  • the precision surfaces are rinsed with propanol so that the precision surfaces are prepared for drying.
  • the holder 17 is exchanged for an electrochemical cell 18 which has been prepared accordingly.
  • the wet chemical etching process is additionally carried out with the supply of electrical energy and / or light energy.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung and ein Verfahren zur Ätzung von Präzisionsoberflächen und hat die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, wodurch eine Produktentwicklung und eine Produktionsprozessentwicklung erleichtert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Ätzvorrichtung aus einer Reaktionskammer zur Aufnahme und Bearbeitung eines einzelnen Gegenstandes besteht.

Description

Automatisches Vielkanal-Ätzsystem
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ätzung von
Präzisionsoberfächen.
Die Ätzung von Präzisionsoberflächen hat für eine ganze Reihe von Substraten große wirtschaftliche Bedeutung. Sie wird bei der Herstellung von sogenannten „Wafern" in der Halbleiterindustrie genauso angewandt, wie bei der Herstellung von Produkten der Mikosystemtechnik, wo Bauteile mit mikroelektromechanischen Strukturen (MEMS-Bauteile) eine immer größer werdende Bedeutung erlangen. Letztere werden ebenfalls über Techniken der Halbleiterfabrikation erzeugt. Die Ätzung von Präzisionsoberflächen wird ebenfalls bei der Herstellung von porösem Silizium genutzt.
Neben Silizium basierten Substraten werden auch Glas- oder Kunststoffoberflächen geätzt, so zum Beispiel bei der Herstellung von
Flachbildschirmen oder der Herstellung von CDs, die als Speichermedium für Daten große wirtschaftliche Bedeutung besitzen.
Allen diesen Herstellungsprozessen ist gemeinsam, daß sie in erster Linie hohe Stückzahlen bei höchster Qualität erzeugen sollen. Zu diesem Zweck findet eine ständige Verbesserung sowohl der Produktionsanlagen als auch der Prozesse der Herstellung statt. Um diese Verbesserung durchführen zu können, benötigen die Entwicklungsabteilungen der Herstellerbetriebe entsprechend ausgestattete Anlagen. Zur Entwicklung von neuen Produkten oder neuartigen Materialien benötigen auch Forschungsinstitute solche Anlagen.
Diese Anlagen müssen in der Lage sein, kontinuierlich Verfahrens- Parameter wie den Ätzmittelfluß, die Zusammensetzung des Ätzmittels, die Ätzdauer, die Ätztemperatur, den pH-Wert oder die Höhe der angelegten Spannung und des Stromes zu ändern und diese gleichzeitig zu überwachen.
Dies ist mit für die Produktion bestimmten Anlagen nur schwer durchführbar, da diese Produktionsanlagen nicht zur raschen Änderung von Parametern eingerichtet sind und diese Änderungen im Gegenteil sogar verhindern sollen, um eine gleichbleibend hohe Qualität der hergestellten Ware zu gewährleisten.
In der deutschen Patentschrift DE 196 46 273 wird eine automatische Endpunkterkennung des Ätzvorganges eines Halbleiterwafers beschrieben sowie eine dazu verwendete Vorrichtung. Die Endpunkterkennung beruht auf der Messung der Schallgeschwindigkeit in der Ätzflüssigkeit.
Eine weitere Vorrichtung, um Produktionsparameter zu überwachen, wird in der US-Schrift 6,254,720 B1 beschrieben. Dort wird der Verbrauch eines Ätzmittels mittels des Druckes im Gasraum über dem Ätzmittel bestimmt. Eine weitergehende Überwachung von Parametern wird jedoch nicht beschrieben.
Ausgehend von der US-Schrift 6,254,720 B1 als nächstkommendem Stand der Technik, ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, wodurch eine Produktentwicklung und eine Produktionsprozeßentwicklung bei den eingangs genannten Produktionsprozessen erleichtert wird.
Diese Aufgabe wird bei der Ätzvorrichtung, insbesondere bei der Ätzvorrichtung zur nasschemischen Ätzung von Präzisionsoberflächen, dadurch gelöst, daß sie aus einer Reaktionskammer zur Aufnahme und Bearbeitung eines einzelnen Gegenstandes besteht. Zur Optimierung und Entwicklung eines Produktionsprozesses werden gewöhnlich einzelne Parameter dieses Prozesses optimiert, wobei die Gesamtzahl der Parameter aus ökonomischen Gründen möglichst gering zu halten ist. Vorteilhafterweise erlaubt die vorliegende Erfindung diese Parametereinschränkung, indem sie die Bearbeitung eines einzelnen Gegenstandes ermöglicht. Damit werden statistische Schwankungen ausgeschlossen, die durch Materialabweichungen gleichgearteter Gegenstände bedingt sind.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Reaktionskammer an ihrer Oberseite durch einen verriegelbaren Deckel mit Sichtfenster abschließbar ausgebildet ist. Diese Ausführungsform stellt vorteilhaft sicher, daß zum einen die bei der Ätzung entstehenden giftigen SiF4-Gase nicht entweichen können und ermöglicht vorteilhaft die optische Verfolgung des Bearbeitungsfortschrittes, vorzugsweise durch ein Mikroskop.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Reaktionskammer einen Zu- sowie einen Ablauf für Ätzmittel besitzt, wobei Zu- und Ablauf in Überlaufgeometrie, räumlich weitest möglich voneinander getrennt, angebracht sind. Diese Anordnung erlaubt vorteilhaft den kontinuierlichen Austausch von verbrauchtem Ätzmittel ohne daß der Ätzprozeß unterbrochen werden müßte.
Dadurch, daß der Zulauf im Reaktionskammerinneren als zentral an der Bodenfläche angeordnete und zu dieser senkrechte Winkel bildende, nach oben zeigende Zulaufdüsen sowie als tangential zur Reaktionskammerwand angeordnete Zulaufdüsen ausgebildet ist, wird vorteilhaft erreicht, daß das Ätzmittel ständig in durchmischender Bewegung gehalten wird. Dies hat zur Folge, daß die zu ätzende Oberfläche ständig in Kontakt mit frischem Ätzmittel steht, und es nicht zur Ausbildung von stabilen Grenzschichten mit verbrauchtem Ätzmittel kommt. Anhand dieser Anordnung ist gleichzeitig die Wirkung der Ausbildung von Grenzschichten auf den Produktionsprozeß ermittelbar.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Zulauf aus einem an der Außenseite der Reaktionskammerwand angebrachtem Anschluß besteht, bei dem mindestens zwei separate Zugänge zu einem Zulauf zusammengeführt sind. Diese Ausgestaltung vereinfacht die Konstruktion der Kammer und erlaubt die Applikation von unterschiedlichen Ätzmitteln innerhalb eines Produktionsvorganges.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Zugänge durch Ventile abschließbar sind. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, daß unterschiedliche Ätzmittel zum unmittelbaren Einsatz in der Reaktionskammer bereitgestellt werden können, ohne daß sich diese vorher vermischen. Gleichzeitig erlaubt diese Weiterbildung, daß ein, beispielsweise leerer, Ätzmittelvorratsbehälter ausgetauscht werden kann, ohne den Produktionsprozeß zu stören. Durch die zeitgesteuerte Betätigung der Ventile läßt sich ebenfalls mit Vorteil ein beliebiges Gemisch von unterschiedlichen Ätzmitteln erzeugen.
Die in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehene Pumpe an jedem Zugang ermöglicht ein konstantes Fördern von Ätzmittel, so daß vorteilhafterweise reproduzierbare Reaktionsbedingungen erzeugt werden.
Dadurch, daß die Reaktionskammer ein Ablaßventil an der Bodenfläche aufweist, wird mit Vorteil ein schneller Austausch zwischen zwei Ätzmitteln erreicht.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Reaktionskammer eine Ultraschalleinrichtung aufweist. Die Löslichkeit der beim Ätzprozeß entstehenden Gase im Ätzmittel wird durch Ultraschall vorteilhaft herabgesetzt und diese Gase können leichter aus dem Prozeß entfernt werden. Die quantitative Entfernung der Gase führt zu qualitativ hochwertigeren Produkten und erhöht die Reproduzierbarkeit der Produktionsergebnisse.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eines Gaseinlasses am oberen Abschnitt der Seitenwand der Reaktionskammer und der eines Gasauslasses am oberen Rand der gegenüberliegenden Seitenwand, erlaubt mit Vorteil den Austausch des Gasraumes der Reaktionskammer. Durch das Spülen des Gasraumes mit beispielsweise N2 wird ein Partialdruckgradient zwischen gelöstem und gasförmigem SiF4 erzeugt, der die Menge an gelöstem SiF4 Gas weiter reduziert und so die Reproduzierbarkeit der Produktionsprozesse mit Vorteil weiter erhöht.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ätzvorrichtung mindestens eine gasdicht ausgebildete Öffnung aufweist. Durch diese gasdichte Öffnung wird zum einen vorteilhaft erreicht, daß das Innere der Reaktionskammer für Meßgeräte zur Bestimmung von Produktionsparametern zugängig ist, und zum anderen wird vorteilhaft erreicht, daß dabei das Entweichen von giftigem SiF4-Gas verhindert wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß durch mindestens eine gasdicht ausgebildete Öffnung mindestens ein
Meßwertaufnehmer oder eine Elektrode in die Reaktionskammer geführt ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht vorteilhaft die Bestimmung von Parametern unmittelbar benachbart zum Ätzvorgang und erlaubt weiterhin die Untersuchung von Prozessen, die elektrochemisch ablaufen, wie zum Beispiel die Produktion von MEMS-Bauteilen oder porösem Silizium.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Meßwertaufnehmer eine pH-Elektrode, und/oder eine Leitfähigkeitselektrode und/oder ein Temperaturfühler und/oder ein Mikroskop und/oder ein Durchflußsensor ist. Die Diversität der verwendbaren Meßwertaufnehmer erlaubt eine vollständige Überwachung der Parameter eines Prozesses, so daß die Optimierung dieses Prozesses auf einer soliden Datenbasis erfolgt. Anhand der Überwachung des pH- Wertes wird der Verbrauch des Ätzmittels überprüft. Bei Unterschreitung eines bestimmten Wertes wird mittels der Pumpe aus einem Vorratsbehälter über den Zulauf bei geöffnetem Ventil frisches Ätzmittel in die Reaktionskammer gefördert. Dieses verdrängt verbrauchtes Ätzmittel aus der Kammer, welches über den Ablauf in eine Neutralisations- und Abfalleinheit abfließt. Anhand der Meßwerte der Leitfähigkeitselektrode und/oder der pH-Elektrode wird die Vollständigkeit eines Spülprozesses ermittelt.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ätzvorrichtung temperierbar ausgebildet ist. Dies führt vorteilhafterweise dazu, daß reproduzierbare Reaktionsbedingungen geschaffen werden. Gleichzeitig wird durch eine Erhöhung der Temperatur die Wirkung eines Ätzmittels erhöht.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Deckelinnenseite einen dort befestigten horizontalen Halter für eine zu ätzende Oberfläche, insbesondere die Oberfläche eines sogenannten Wafers von bis zu 300 mm Durchmesser, aufweist. Die horizontale Lage des zu ätzenden Materials führt überraschenderweise dazu, daß die Qualität der gefertigten Produkte deutlich über solcher in senkrechter Lage gefertigter liegt. Die Ursache ist darin zu suchen, daß die beim Ätzvorgang entstehenden Gase im Fall horizontaler Lagerung senkrecht nach oben entweichen. Sie kommen so nicht in weiteren Kontakt mit der zu ätzenden Oberfläche. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß auf der Deckelinnenseite eine an sich bekannte elektrochemische Zelle angebracht ist, wobei deren Deckel durch die mit zwei O-Ringen dichtschlüssig gegen die Zelle ausgebildete, zu bearbeitende Oberfläche gebildet ist, und die Zelle mit einer K2SO4-Lösung gefüllt ist, und die Zelle eine Pt-Elektrode und einen lichtdurchlässigen Abschnitt in der Wandung aufweist. Dadurch, daß die Ätzvorrichtung eine solche elektrochemische Zelle aufweist, können vorteilhafterweise auch Prozesse der Produktion von MEMS-Bauteilen und porösem Silizium untersucht werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß ein rechnergestütztes Programm vorgesehen ist, das Meßwerte erfaßt und auswertet sowie zeitabhängige Vorgänge veränderbar steuert. Diese Weiterbildung führt zu einer vorteilhaften Erleichterung der Prozeßoptimierung.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine erfindungsgemäße Ätzvorrichtung aus kombinierbaren Modulen besteht. Durch diese Modularität wird mit Vorteil erreicht, daß die Ätzvorrichtung an die Optimierung einer Vielzahl von Produktionsprozessen angepaßt werden kann.
Die Verfahrensaufgabe der vorliegenden Erfindung wird dadurch gelöst, daß unterschiedliche Ätzmittel dosiert einzeln und in Kombination zugeführt werden. Diese Vorgehensweise erlaubt die vorteilhafte Variation unterschiedlicher Ätzmittel zur Optimierung von Produktionsprozessen.
Die Verfahrensaufgabe wird weiterhin dadurch gelöst, daß die Ätzmittel die zu ätzende Präzisionsoberfläche in tangentialer Weise anströmen, wodurch vorteilhaft erreicht wird, daß das Ätzmittel ständig in durchmischender Bewegung verbleibt. Dies hat zur Folge, daß die zu ätzende Oberfläche ständig in Kontakt mit frischem Ätzmittel steht, und es nicht zur Ausbildung von stabilen Grenzschichten mit verbrauchtem Ätzmittel kommt. Anhand dieser Anordnung ist gleichzeitig die Wirkung der Ausbildung von Grenzschichten auf den Produktionsprozeß ermittelbar.
Vorteilhafterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Einwirkzeit unterschiedlicher Ätzmittel unabhängig voneinander variiert, so daß der Parameter der Prozeßdauer optimiert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vorteilhafter weise vor, daß zwischen Ätzphasen Spülphasen erfolgen. Dieses Verfahren stellt sicher, daß die Wirkung eines Ätzmittels exakt von dem eines anderen unterschieden werden kann.
Dadurch, daß das Spülen mit deionisiertem Wasser und/oder mit nichtaromatischen Alkoholen mit C-Kettenlängen < 6 erfolgt, wird vorteilhafterweise die Erkennung des Endzeitpunktes einer Spülphase durch Messung des Leitfähigkeitswertes vereinfacht. Die Verwendung von Alkoholen bereitet die Trocknung vor und führt vorteilhafterweise zu einer vollständigen Entfernung eventuell auf der Oberfläche des zu ätzenden Gegenstandes verbliebener Spül- oder Ätzflüssigkeit.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß die verbrauchten Ätzmittel in einem Abfallbehälter aufgefangen werden und im Anschluß in einer Neutralisationsanlage neutralisiert werden. Dieser Verfahrensschritt erleichtert vorteilhafterweise die Handhabung der erfindungsgemäßen Ätzvorrichtung und erhöht die Sicherheit im Umgang mit ihr.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht weiterhin vor, daß das während des Ätzprozesses entstehende gasförmige SiF4 aus dem Gasraum der Reaktionskammer mittels Stickstoffspülung entfernt und in eine
Neutralisationseinrichtung geleitet wird. Neben der damit verbundenen, und schon erwähnten Erhöhung der Sicherheit der erfindungsgemäßen Ätzvorrichtung, wird so vorteilhafterweise ein Partialdruckgradient zwischen gelöstem und gasförmigem SiF4 erzeugt, der die Menge an gelöstem SiF4 Gas weiter reduziert und so die Reproduzierbarkeit der Produktionsprozesse mit Vorteil weiter erhöht.
Schließlich sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, daß der Ätzprozeß bei unterschiedlichen Temperaturen erfolgt, wodurch vorteilhafterweise die Wirkung eines Ätzmittels erhöht wird.
In Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß der Ätzprozeß unter Zufuhr von elektrischer Energie und/oder Lichtenergie erfolgt. Dieser Verfahrensschritt ermöglicht mit Vorteil den Einsatz der Ätzvorrichtung zur Prozeßoptimierung und Produktentwicklung von MEMS-Bauteilen und/oder porösem Silizium.
Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten der Zeichnung zu entnehmen sind. Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die selbsterklärende Zeichnung zeigt im einzelnen in:
Figur 1 ein Schema des Aufbaus der Ätzvorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine Ätzvorrichtung zum Ätzen von Präzisionsoberflächen eines einzelnen Gegenstandes. Die Präzisionsoberfläche ist über einen an einem Deckel 2 angebrachten Halter 17 fixiert und taucht in einer Reaktionskammer 1 in ein Ätzmittel ein. Die Ätzvorrichtung ist dabei über eine nicht dargestellte computergesteuerte Temperaturregelung auf eine bestimmte Temperatur eingestellt, bzw. ändert ihre Temperatur nach Vorgabe eines zeitgesteuerten Temperaturprogrammes. Während des Ätzvorganges wird das Ätzmittel durch eine nicht dargestellte Umwälzpumpe ständig in Bewegung gehalten, wobei das Ätzmittel über unterschiedlich orientierte Zulauf-Düsen 6 am Boden der Reaktionskammer 1 austritt. Dadurch wird eine ständige Bewegung des Ätzmittels erzielt, die durch die Ultraschalleinrichtung 12 verstärkt wird. Die ständige Bewegung trägt dazu bei, die bei den Ätzprozessen entstehenden Gase aus dem Ätzmittel auszutragen. Die so ausgetragenen Gase sammeln sich im Gasraum über dem Ätzmittel. Dort werden sie durch einen über einen Gaseinlaß 13 eintretenden und über einen Gasauslaß 14 austretenden Gasstrom entfernt. Der austretende Gasstrom wird in eine Neutralisationseinheit 21 geleitet und kann so sicher entsorgt werden.
Bestimmte Parameter des Ätzmittels wie zum Beispiel der pH-Wert werden ständig mittels eines Meßwertaufnehmers 16, beispielsweise einer pH-Elektrode, aufgenommen und zur Auswertung und Überwachung an einen nicht dargestellten Computer übermittelt. Dieser ist mit entsprechender Software ausgestattet, beispielsweise Lab View Software, die neben einer Überwachungs- und Auswertefunktion auch die freie Programmierbarkeit von Prozeßabläufen ermöglicht. Sinkt der pH-Wert im Verlauf eines Ätzprozesses unter einen, von Ätzmittel abhängigen voreingestellten Wert, öffnet das von der Software gesteuerte Ventil 9 und frisches Ätzmittel wird über die Pumpe 10 aus einem nicht dargestellten Vorratsbehälter über eine Zuleitung 8 und einen Anschluß 7 in das Innere der Reaktionskammer 1 gefördert. Das verbrauchte Ätzmittel wird aus der Kammer verdrängt und gelangt über Auslaß 5 und einen Abfallbehälter 19 in eine Neutralisationsanlage 20. Erreicht der pH-Wert nach Zufuhr von frischem Ätzmittel einen voreingestellten Wert, wird die Zufuhr gestoppt. Ein gewünschter schneller Ablaß des Ätzmittels erfolgt über das am Boden der Reaktionskammer 1 angebrachte Ablaßventil 11. Der langsamere Austausch eines Ätzmittels gegen ein anderes, bzw. die Zwischenschaltung einer Spülphase erfolgen ebenfalls softwaregesteuert und meßwertabhängig über das Ätzmittel-Modul 22. Bei diesem Vorgang wird das alte Ätzmittel durch die neu geförderte Spülsubstanz oder das neue Ätzmittel solange verdrängt, bis zum Beispiel der pH-Wert oder der Leitfähigkeitswert der Lösung einen bestimmten voreingestellten Wert erreichen. Am Ende eines Prozeßschrittes wird die Reaktionskammer 1 mit deionisiertem Wasser in gleicher Weise gespült. Die nach dem Prozeßschritt erhaltenen Strukturen auf der Präzisionsoberfläche werden mittels eines nicht dargestellten Mikroskops durch das Fenster 3 des Deckels 2 oder wahlweise über ein in die Reaktionskammer 1 eingeführtes Endoskop überprüft. Am Ende eines oder mehrerer Prozeßschritte werden die Präzisionsoberflächen mit Propanol gespült, so daß die Präzisionsoberflächen zur Trocknung vorbereitet wird.
Zur Weiterentwicklung von Prozessen der Herstellung von porösem Silizium oder MEMS-Bauteilen, bzw. zur Produktentwicklung auf diesem Gebiet, wird der Halter 17 gegen eine elektrochemische Zelle 18 ausgetauscht, die entsprechend vorbereitet wurde. Der naßchemische Ätzprozeß wird in diesem Fall zusätzlich unter Zufuhr von elektrischer Energie und/oder Lichtenergie ausgeführt.
BEZUGSZEICHENLISTE
Reaktionskammer
Deckel
Sichtfester
Zulauf
Ablauf
Zulauf-Düsen
Anschluß
Zugang
Ventil
Pumpe
Ablaßventil
Ultraschalleinrichtung
Gaseinlaß
Gasauslaß
gasdichte Öffnung
Meßwertaufnehmer/Elektrode
Halter
elektrochemische Zelle Abfallbehälter
Neutralisationsanlage
Neutralisationseinrichtung
Modul

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Ätzvorrichtung zur nasschemischen Ätzung von Präzisionsoberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Reaktionskammer (1) zur Aufnahme und Bearbeitung eines einzelnen Gegenstandes besteht.
2. Ätzvorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (1) an ihrer Oberseite durch einen verriegelbaren Deckel (2) mit Sichtfenster (3) abschließbar ausgebildet ist.
3. Ätzvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (1) einen Zulauf (4) sowie einen Ablauf (5) für Ätzmittel besitzt, wobei Zulauf (4) und Ablauf (5) räumlich weitestmöglich voneinander getrennt angebracht sind.
4. Ätzvorrichtung gemäß Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulauf (4) im Reaktionskammerinneren als zentral an der Bodenfläche angeordnete und zu dieser senkrechte Winkel bildende, nach oben zeigende Zulaufdüsen (6) sowie als tangential zur Reaktionskammerwand angeordnete Zulaufdüsen (6) ausgebildet ist.
5. Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulauf (4) weiterhin aus einem an der Außenseite der Reaktionskammerwand angebrachtem Anschluss (7) besteht, bei dem mindestens zwei separate Zugänge (8) zu einem Zulauf (4) zusammengeführt sind.
6. Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugänge (8) durch Ventile (9) abschließbar sind.
7. Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe (10) an jedem Zugang (8) vorgesehen ist.
8. Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer (1) ein Ablassventil (11) an der Bodenfläche aufweist.
9. Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (1) eine Ultraschalleinrichtung (12) aufweist.
10. Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer (1 ) am oberen Abschnitt ihrer Seitenwand einen Gaseinlaß (13) und einen Gasauslaß (14) am oberen Rand der gegenüberliegenden Seitenwand aufweist.
11. Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine gasdicht ausgebildete Öffnung (15) aufweist.
12. Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch mindestens eine gasdicht ausgebildete Öffnung (15) mindestens ein Meßwertaufnehmer/Elektrode (16) in die Reaktionskammer (1) geführt ist.
13. Atzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertaufnehmer (16) eine pH-Elektrode, und/oder eine Leitfähigkeitselektrode und/oder ein Temperaturfühler und/oder ein Mikroskop und/oder ein Durchflußsensor ist.
14. Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie temperierbar ausgebildet ist.
15. Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen auf der
Deckelinnenseite angebrachten horizontalen Halter (17) für eine zu ätzende Oberfläche, insbesondere die Oberfläche eines sogenannten Wafers von bis zu 300 mm Durchmesser, aufweist.
16. Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der
Deckelinnenseite eine an sich bekannte elektrochemische Zelle (18) angebracht ist, wobei deren Deckel durch die mit zwei O- Ringen dichtschlüssig gegen die Zelle ausgebildete, zu bearbeitende Oberfläche gebildet ist, und die Zelle mit einer K2SO4-Lösung gefüllt ist, und die Zelle eine Pt-Elektrode und einen lichtdurchlässigen Abschnitt in der Wandung aufweist.
17. Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein rechnergestütztes Programm Meßwerte erfaßt und auswertet sowie zeitabhängige Vorgänge veränderbar steuert.
18. Ätzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus kombinierbaren Modulen (22) besteht.
19. Verfahren zur Ätzung von Präzisionsoberflächen, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche
Ätzmittel dosiert einzeln und in Kombination zugeführt werden.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzmittel die zu ätzende Präzisionsoberfläche in tangentialer Weise anströmen.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Einwirkzeit unterschiedlicher Ätzmittel unabhängig voneinander variiert wird.
22. Verfahren nach Anspruch 19, 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Ätzphasen Spülphasen erfolgen.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülen mit deionisiertem Wasser und/oder mit nicht-aromatischen Alkoholen mit C-Kettenlängen < 6 erfolgt.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die verbrauchten Ätzmittel in einem Abfallbehälter (19) aufgefangen werden und im Anschluß in einer Neutralisationsanlage (20) neutralisiert werden.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das während des
Ätzprozesses entstehende gasförmige SiF4 aus dem Gasraum der Reaktionskammer mittels Stickstoffspülung entfernt und in eine Neutralisationseinrichtung (21) geleitet wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzprozeß bei unterschiedlichen Temperaturen erfolgt.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzprozeß unter Zufuhr von elektrischer Energie erfolgt.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzprozeß unter
Zufuhr von Lichtenergie erfolgt.
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