WO2004028956A2 - Verfahren und mikromechanisches bauelement - Google Patents

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WO2004028956A2
WO2004028956A2 PCT/DE2003/000630 DE0300630W WO2004028956A2 WO 2004028956 A2 WO2004028956 A2 WO 2004028956A2 DE 0300630 W DE0300630 W DE 0300630W WO 2004028956 A2 WO2004028956 A2 WO 2004028956A2
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Gerhard Lammel
Frank Schaefer
Heribert Weber
Stefan Finkbeiner
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Robert Bosch Gmbh
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    • B81C2201/0111—Bulk micromachining
    • B81C2201/0115—Porous silicon

Definitions

  • the invention is based on a ner driving and a micromechanical component according to the category of the independent claims. Detached microstructures in
  • sacrificial layer technology For this purpose, a sacrificial layer is produced on a substrate, for example silicon, and possibly structured. Silicon dioxide, for example, can be used as the sacrificial layer. A functional layer is applied to this sacrificial layer and also structured. The functional layer comes, for example, polycrystalline
  • the functional layer is detached from the substrate, so that it is free. It is suspended at one or more points on the substrate and can, for example, bend or swing.
  • Applications of such self-supporting structures are e.g.
  • atomic force microscop AFM, scanning tunneling icroscope STM and the like are sensors which determine the chemical substance concentrations on the basis of the absorption of molecules on a Mil ⁇ obalken and thus also as
  • “Artificial ases” can be referred to. Further applications are microbeams which serve as actuators for optical micromirrors, the micromirrors serving, for example, as optical switches or as filters or the like. Further possible uses are microgrippers It is also known to produce porous silicon.
  • the semiconductor substrate which is provided in particular as a silicon substrate, is provided with a large number of pores in a fluoride-containing solution by means of an electrochemical wet etching process, so that porous silicon is formed in the region of the substrate in which the pores are located.
  • Porous silicon region or a region of porous substrate material is used as the sacrificial layer.
  • the functional layer is applied to the silicon substrate and then to undercut the substrate by electrochemical wet etching, the last process step being to dissolve the porous substrate area in dilute alkaline solution and thus the
  • the functional layer for example made of silicon, only in a second step.
  • other layers such as silicon nitride, metal or the like, can optionally be applied to the porous area and structured in order to, for example, generate a pretension in the functional layer, or also to integrate or integrate actuator or sensor elements in the functional layer to contact them.
  • the porous layer can optionally also be oxidized after it has been produced. As shown in FIGS. 1 and 2, the functional layer is structured above the porous area in such a way that it takes on the desired shape, that is to say, for example, forms a bar which, after its later exposure, only or directly at defined points with the substrate is indirectly connected.
  • the sacrificial layer is dissolved or rearranged.
  • the dissolving or etching away of the porous layer can be etched away, for example, in dilute KOH solution or also using TMAH solution (tetramethylammonium hydroxide, (CH3) 4NOH).
  • TMAH solution tetramethylammonium hydroxide, (CH3) 4NOH.
  • the etching away of the porous area in hydrofluoric acid (HF) or BHF (buffered HF, buffered hydrofluoric acid) or by gas phase etching in a fluoride-containing environment can be removed.
  • silicon dioxide as the sacrificial layer is that porous silicon can be etched much deeper than would be possible with this material due to the thickness of thermal silicon oxide that can be produced. Furthermore, it is possible, especially in the event that the generation of the porous region, i.e. the sacrificial layer, occurs before the generation of the functional layer, that after the
  • the selectivity in the electrochemical porosification of silicon can also be brought about by local doping, as is customary in an integrated semiconductor process. This makes it possible for the process according to the invention, in particular when the functional layer is manufactured after the porous region has been manufactured, to be more easily embedded in the production process with integrated electronic circuits with a micromechanical component without special wafers, such as SOI wafers (silicon on insulator) ) are needed.
  • SOI wafers silicon on insulator
  • the porous area is produced first and then the functional layer, because this greatly simplifies the handling of the manufacturing process and furthermore does not require a wet chemical step after the functional layer has been produced, and furthermore also has advantageous structural effects.
  • the porous region result in generation after generation of the Funlctions slaughter the problem that 'form in the production of the porous region, which is an isotropic process step, "noses", which especially at the edge of free-standing structures, poorly defining their suspension.
  • a doped first region is produced in the substrate in which no pores form and that the porous region is subsequently produced. This makes it possible to obtain a structuring of the porous area in a simple manner.
  • the porous area below the functional layer can be dry-etched away. This simplifies the manufacturing process of the milcromechanical component. It is furthermore advantageous that the porous area comprises a first porous partial area and a second porous partial area, the second porous partial area having a higher porosity and a cavity being formed in the area of the second porous partial area by thermal treatment and a cover layer in the area of the first porous section remains. This makes it possible to subsequently expose the functional layer using a trench etching process.
  • FIG. 1 shows a first manufacturing method according to the invention
  • FIG. 2 shows a second production method according to the invention
  • FIG. 3 shows a third production method according to the invention
  • FIG. 4 shows a micromechanical component according to the third production method according to the invention.
  • FIG. 1 shows the first production method according to the invention, exemplified for the production of a microbar for an atomic force microscope (AFM).
  • the atomic force milcroscope comprises a tip, which is shown in FIG. 1c and 1d with the Reference numeral 132 is provided, which is connected to a free-standing microbeam which is movable and can be moved within certain limits.
  • milcromechanical sensors such as, for example, drelate sensors or linear acceleration sensors, which have masses attached to spring elements in the functional layer, the deflections of which are changed as a function of external accelerations or rotation rates.
  • FIGS. 1 a to 1d each shows different process stages of the micromechanical component according to the invention in FIGS. 1 a to 1d, namely on the left side a sectional view through a substrate processed according to the first method according to the invention and on the right side a top view of such a processed substrate.
  • 1 a shows a semiconductor substrate 100 which has doped first regions 102 and in parts of its surface by means of a
  • the substrate 100 is, in particular, a positively doped silicon substrate 100, into which local negative dopings are introduced as doped first regions 102.
  • the substrate 100 is covered by means of the cover layer 110, which is provided, for example, as a nitride mask (Si 3 N 4 ). Covering the substrate 100 defines those locations which are to be porousized.
  • the semiconductor substrate 100 according to the invention is shown in FIG. 1b after the creation of a porous region 106. This is generated by producing electrochemically porous silicon as a sacrificial layer in the region 106 in a fluoride-containing solution.
  • Typical layer thicknesses of this porous layer or this porous region 106 are between 1 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • the porous layer 106 or the porous region 106 can optionally also be oxidized further.
  • the nitride mask 110 can be removed in the same etching bath.
  • FIG. 1c shows the semiconductor substrate 100 according to the invention, on which the milcromechanical component according to the invention can already be seen.
  • the milcromechanical component according to the invention is distinguished by the fact that it has a functional layer which has free-standing areas which, for example, can move or can also be heated to certain temperatures.
  • the micromechanical component in its functional layer which is denoted in FIG. 1 by reference numeral 130, is at least partially free-standing.
  • the tip of a scanning lens microscope is described as a micromechanical component.
  • the functional layer 130 which consists for example of epitaxial or polycrystalline silicon, has a front free-standing area on which the tip is located
  • This functional layer 130 is produced such that the functional layer 130, in particular a crystalline or polycrystalline silicon, is deposited on the silicon substrate 100 and in particular on the porous area 106.
  • Further layers, which interact with the functional layer 130 can be formed with further ner processes known from semiconductor technology.
  • a silicon nitride layer is provided as a structured area with the reference numeral 140 in FIG.
  • an aluminum layer as a further structured area, which interacts with the functional layer 130 is applied to the component in a structured manner and is designated by the reference numeral 142.
  • the aluminum layer 142 is used, for example
  • the layers 140, 142 which interact with the functional layer 130 are provided according to the invention in particular as sensor elements or actuator elements which, for example, can bend the microbar, in particular with a pretension. Both the functional layer 130 and the layers 140, 142 interacting with it are generally also structured according to the invention in order to give them the desired shape.
  • the porous layer 106 or the porous region 106 is detached and the functional layer 130 is thus at least partially exposed.
  • FIG. 1d The result of this process is shown in FIG. 1d.
  • the porous area 106 is essentially completely removed, which is why the porous area 106 is also referred to as the sacrificial layer.
  • This detached area is designated by reference numeral 108 in FIG. 1d.
  • the functional layer 130 is exposed.
  • this can be done with dilute alkaline solution, for example using KOH or TMAH.
  • a fluoride-containing solution such as HF or BHF, is suitable.
  • dry etching methods such as reactive ion etching, can also be used with SF ⁇ (sulfur hexafluoride).
  • the functional layer 130 is partially exposed or detached from the bottom from the substrate 100, so that it is free.
  • a suitable prestressing it can bend out of the substrate plane, for example to serve as a spring bar for an atomic force microscope tip. This is shown in FIG.
  • Reference numeral 129 shown arrow.
  • FIG. 2 shows an alternative second production method according to the invention.
  • the substrate 100 and the first doped regions 102 are provided, which serve to delimit the porous region to be produced later.
  • the substrate 100 is also provided in the second method, in particular as a positively doped silicon substrate.
  • the first doped regions 102 are in turn also provided as regions of local negative doping.
  • the doped first regions 102 for delimiting the porous region it is also possible to use only one, also in FIG.
  • reference numeral 110 provided nitride mask as cover layer 110.
  • the doped first region 102 and / or the covering 110 defines the region which is to be porous. This area to be porosified is provided with a strong positive doping on its surface a few ⁇ m deep in the second manufacturing process. This creates the in Figure 2a with the
  • Reference area 103 provided area of the substrate 100, which, as mentioned, extends only a few ⁇ m deep into the substrate 100.
  • the strong positive doping of the region 103 is, for example, 10 19 cm "3.
  • the substrate 100 according to the invention is shown after the method step of producing the porous region.
  • the porous region is in the second according to the invention
  • Manufacturing method of the micromechanical component according to the invention is not provided - as shown in FIG. 1 - by means of a single uniform region 106, but the porous region is divided into a first porous partial region 103 and a second porous partial region 104 in the second inventive manufacturing method. Together, the two partial regions 103 , 104 also referred to below as porous region 106.
  • the first porous partial area 103 corresponds to the area of the superficial, highly positive doping of the silicon substrate 100, which is also shown in FIG. 2a with the reference number 103.
  • electrochemically porous silicon is used as the sacrificial layer in a fluoride-containing solution produced, with typical layer thicknesses of the entire porous region 106 in turn lying between 1 ⁇ m and several 100 ⁇ m. Due to the etching properties of porous silicon, the layer 103 with a higher positive doping, that is to say the first porous partial region 103, has a lower porosity than the second porous one Partial region 104, which is located in the region of the substrate 100 which is less strongly positively doped. A similar or reinforcing effect can. In addition to the different doping of the substrate regions 103, 104, this can also be caused by a change in the current strength or current density during the porosification.
  • the porous silicon has a higher porosity than in the first sub-area 103.
  • the porous layers 103, 104 can also optionally be oxidized.
  • the nitride mask 110 as a cover layer 110 can also be removed in the process of producing the porous layers 103, 104.
  • the porous partial layers of the porous layer are provided in the second manufacturing process
  • the highly porous layer is broken down in the second porous sub-region 104, provided that it still exists - if an electropolishing step was not used.
  • the area of the second porous partial layer 104 is converted into a cavity or into a cavern during this rearrangement and is provided with the reference symbol 107 in FIG. 2c.
  • the upper, less porous or less porous layer 104 which is also referred to as the first porous partial region 103, is converted into a cover layer 105 during this rearrangement.
  • the pores of the cover layer 105 are in particular largely closed.
  • the functional layer 130 is applied and structured in a manner similar to that described in FIG. 1.
  • the functional layer 130 is again either an epitaxial layer or a polycrystalline layer, in particular made of silicon.
  • the " functional layer 130 or the layers 140; 142 interacting with it are structured, similarly as described in FIG. 1, in order to give them the desired shape. This can preferably be done by a dry etching method, such as reactive ion etching with S7 6 .
  • the function layer 130 is detached from the substrate 100 and thus exposed, so that it is free, by etching, in particular by trench etching, of the functional layer and the top layer 105. Suitable pretensioning of the functional layer 130 can bend it out of the substrate plane, for example to serve as a cantilever for an atomic force microscope.
  • FIG. 3 shows a third manufacturing method according to the invention.
  • it is provided in the third production method to first produce the functional layer 130 and then to produce the region of the porous silicon. This has the disadvantage that after the generation of the functional layer 130 a wet chemical one
  • FIG. 3a shows a substrate 100 by means of a superficial layer 101 made of thermal silicon.
  • the substrate 100 is in particular a silicon substrate.
  • the functional layer 130 is provided above the thermal silicon oxide layer, which is subsequently st-ulctured, which is indicated in FIG.
  • FIG. 3d the area of the porous silicon 106 is removed from FIG. 3c by means of a wet chemical process and the exposed area is created, which is also designated in FIG. 3 by the reference symbol 108. This area has undercut areas below the functional layer 130, which are provided with the reference symbol 135 in FIG. 3d.
  • FIG. 4 shows the result of the production of a micromechanical component according to the invention in accordance with the third invention Manufacturing process, as shown in Figure 3, shown.
  • the functional layer 130 is provided on the substrate 100, as is the etched-out region 108, in which the porous silicon layer 106 was previously located, which was used as a sacrificial layer for producing the component according to the invention.
  • the functional layer 130 has a free-standing milk bar, which is designated by the reference symbol 131 in the free-standing area.
  • a cut line AA is shown by the micromechanical component according to the invention, along which the cross sections shown in FIG. 3 are provided.
  • the undercut area 135, the recess 108 can be seen in FIG. 4.
  • the production of the porous silicon area 106 is largely an isotropic process, so-called noses are formed below the free-standing structure, which are provided with the reference number 136 in FIG. This is the case according to the invention because the porous region 106 is produced after the function layer 130 has been produced. In the area of the lugs 136, the free-standing structure is less well defined than if the transition between the area of the functional layer 130 connected to the substrate 100 and the free-standing area 131 of the functional layer 130 were straight and defined.

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Abstract

Es wird ein Herstellungsverfahren und ein mikromechanisches Bauelement vorgeschlagen, bei dein poröses Silizium (106) als Opferschicht dient und durch Wegätzen der Opferschicht eine Funktionsschicht (130) freigelegt wird.

Description

Nerfahren und mikromechanisches Bauelement
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Nerfahren und einem mikromechanischen Bauelement nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche. Freistehende Mikrostrukturen in
Oberflächenmikromechanik werden üblicherweise mit Hilfe der Opferschichttechnik hergestellt. Dazu wird auf einem Substrat, beispielsweise Silizium, eine Opferschicht erzeugt und eventuell strukturiert. Als Opferschicht kommt hierbei beispielsweise Siliziumdioxid in Frage. Auf diese Opferschicht wird eine Funktionsschicht aufgebracht und ebenfalls strukturiert. Als Funktionsschicht kommt beispielsweise polykristallines
Silizium oder aber auch Siliziumnitrid in Frage. Durch das Auflösen der Opferschicht, beispielsweise durch Trockenätzen, durch Gasphasenätzen oder durch nasschemisches Ätzen wird die Funktionsschicht vom Substrat abgelöst, so dass sie frei steht. Sie ist an einer oder mehreren Stellen am Substrat aufgehängt und kann sich beispielsweise verbiegen oder schwingen. Anwendungen solcher freitragender Strukturen sind z.B.
Mikrobalken, an deren Ende die Spitze eines Rastermikroskops (atomic force microscop AFM, scanning tunneling icroscope STM und dergleichen) befindet, um Oberflächen abzutasten. Andere Anwendungen für solche mikromechanische Strukturen sind Sensoren, die anhand der Absorption von Molekülen auf einem Milσobalken über dessen Nerbiegung chemische Stoffkonzentrationen bestimmen und die somit auch als
„künstliche asen" bezeichnet werden können. Weitere Anwendungen sind Mikrobalken, die als Aktoren für optische Mikrospiegel dienen, wobei die Mikrospiegel beispielsweise als optische Schalter oder als Filter oder dergleichen dienen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind Mikrogreifer u.a. Weiterhin ist es bekannt, poröses Silizium zu erzeugen. Dabei wird das Halbleitersubstrat, welches insbesondere als Siliziumsubstrat vorgesehen ist, mittels einem elektrochemischen Nassätzverfahren in einer fluoridhaltigen Lösung mit einer großen Anzahl von Poren versehen, so dass in dem Bereich des Substrats, in dem sich die Poren befinden, poröses Silizium gebildet wird.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren und das mikromechanische Bauelement mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche haben dem gegenüber den Vorteil, dass ein
Bereich von porösem Silizium bzw. ein Bereich von porösem Substratmaterial als Opferschicht verwendet wird. Hier ist es zum einen möglich, auf dem Siliziumsubstrat zunächst die Funktionsschicht aufzubringen und danach das Substrat durch elektrochemisches Nassätzen porös zu unterätzen, wobei als letzter Prozessschritt der poröse Substratbereich in verdünnter alkalischer Lösung aufgelöst und damit die
Funktionsschicht von unten freigelegt wird. Diese Vorgehensweise ist insbesondere in den Figuren 3 und 4 dargestellt.
Erfindungsgemäß ist es jedoch insbesondere vorgesehen, durch elektrochemisches Nassätzen von Silizium in einer fluoridhaltigen Lösung den porösen Bereich auf der
Oberfläche des Siliziumsubstrats in einem ersten Schritt zu erzeugen und erst in einem zweiten Schritt die Funktionsschicht, beispielsweise aus Silizium, aufzubringen. Wahlweise können auf den porösen Bereich außer der Funktionsschicht noch weitere Schichten, wie beispielsweise Siliziumnitrid, Metall o.a. auf das Substrat ausgebracht und strukturiert werden, um beispielsweise eine Vorspannung in der Funktionsschicht zu erzeugen, oder auch um Aktor- oder Sensorelemente in der Funktionsschicht zu integrieren bzw. diese zu kontaktieren. Weiterhin kann die poröse Schicht nach deren Erzeugung optional auch oxidiert werden. Die Funl tionsschicht wird hierbei, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, oberhalb des porösen Bereichs so strukturiert, dass sie die gewünschte Form bekommt, also beispielsweise einen Balken bildet, der nach seiner späteren Freilegung nur noch an definierten Stellen mit dem Substrat direkt oder indirekt verbunden ist. In einem dritten Schritt wird die Opferschicht aufgelöst bzw. umgelagert. Das Auflösen bzw. Wegätzen der porösen Schicht kann beispielsweise in verdünnter KOH-Lösung oder auch mittels TMAH-Lösung (Tetramethylammoniumliydroxid, (CH3)4NOH) weggeätzt werden. Alternativ hierzu kann insbesondere im Falle von oxidiertem porösem Silizium das Wegätzen des porösen Bereichs in Flusssäure (HF) bzw. BHF (buffered HF, gepufferte Flusssäure) oder durch Gasphasenätzen in fluoridhaltiger Umgebung entfernt werden.
Der Vorteil der Verwendung von porösem Silizium als Opferschicht gegenüber der
Verwendung von Siliziumdioxid als Opfer schicht ist, dass mit porösem Silizium wesentlich tiefer geätzt werden kann als es aufgrund der herstellbaren Dicke von thermischem Siliziumoxid mit diesem Material möglich wäre. Weiterhin ist es möglich, insbesondere für den Fall, dass die Erzeugung des porösen Bereichs, d.h. der Opferschicht, zeitlich vor der Erzeugung der Funlctionsschicht erfolgt, dass nach der
Bildung der Funlctionsschicht keine nasschemische Anwendung mehr erfolgen muss. Weiterhin wird für die in den Figuren 3 und 4 beschriebene Vorgehensweise, bei der zuerst die Funktionsschicht gebildet wird und anschließend der poröse Siliziumbereich gebildet wird, im Gegensatz zu dem in den Figuren 1 und 2 beschriebenen Ablauf eine weitere Trennschicht von der Funlctionsschicht benötigt, wie beispielsweise
Siliziumdioxid. Dem gegenüber kann die Selektivität beim elektrochemischen Porösizieren von Silizium auch durch eine lokale Dotierung, wie sie in einem integrierten Halbleiteiprozess ohnehin üblich ist, bewerkstelligt werden. Hierdurch ist es möglich, den erfindungsgemäßen Prozess, insbesondere bei einer Fertigung der Funktionsschicht nach einer Fertigung des porösen Bereichs, einfacher in den Herstellungsablauf integrierten elektronischen Schaltungen mit einem mikromechanischen Bauelement eingebettet werden, ohne dass spezielle Wafer, wie beispielsweise SOI-Wafer (silicon on insulator), benötigt werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der in den nebengeordnetεn Ansprüchen angegebenen Verfahren bzw. dem mikromechanischen Bauelement möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass zuerst der poröse Bereich und anschließend die Funlctionsschicht erzeugt wird, weil dies die Handhabung des Fertigungsprozesses stark vereinfacht und weiterhin nach der Erzeugung der Funlctionsschicht keinen nasschemischen Schritt mehr erforderlich macht, sowie weiterhin auch vorteilhafte strukturelle Wirkungen hat. Insbesondere ergeben sich bei einer Erzeugung des porösen Bereichs nach der Erzeugung der Funlctionsschicht das Problem, dass'bei der Erzeugung des porösen Bereichs, welcher ein isotroper Prozessschritt ist, „Nasen" bilden, welche insbesondere an der Kante von freistehenden Strukturen deren Aufhängung schlecht definieren. Weiterhin ist von Vorteil, dass ein dotierter erster Bereich in dem Substrat erzeugt wird, in dem sich keine Poren bilden und dass anschließend der poröse Bereich erzeugt wird. Hierdurch ist es auf einfache Weise möglich, eine Strukturierung des porösen Bereichs zu erhalten. Weiterhin ist es von Vorteil, dass der poröse Bereich unterhalb der Funktionsschicht trockenchemisch weggeätzt werden kann. Dies vereinfacht das Herstellungsverfahren des milcromechanischen Bauelements. Weiterhin ist es von Vorteil, dass der poröse Bereich einen ersten porösen Teilbereich und einen zweiten porösen Teilbereich umfasst, wobei der zweite poröse Teilbereich eine höhere Porosität aufweist und durch eine thermische Behandlung ein Hohlraum im Bereich des zweiten porösen Teilbereichs gebildet wird und eine Deckschicht im Bereich des ersten porösen Teilbereichs verbleibt. Dadurch ist es möglich, die Freilegung der Funlctionsschicht anschließend durch ein Trench-Ätzverfahren zu ermöglichen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 ein erstes erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren,
Figur 2 ein zweites erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren,
Figur 3 ein drittes erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren,
Figur 4 ein mikromechanisches Bauelement gemäß dem dritten erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
i Figur 1 ist das erste erfindungsgemäße Herstellungsverfahren, beispielhaft für die Herstellung eines Mikrobalkens für ein Rasterkraftmikroskop (AFM) dargestellt. Das Rasterkraftmilcroskop umfasst eine Spitze, welche in Figur lc und 1 d mit dem Bezugszeichen 132 versehen ist, welche mit einem frei stehenden Mikrobalken verbunden ist, welcher in bestimmten Grenzen beweglich ist und bewegt werden kann. Es ist jedoch erfindungsgemäß selbstverständlich genauso möglich, andere milcromechanische Strukturen mittels den erfindungsgemäßen Verfahren herzustellen. Beispiele hierfür sind milcromechanische Sensoren, wie beispielsweise Dreliratensensoren oder auch lineare Beschleunigungssensoren, welche in der Funktionsschicht an Federelementen befestigte Massen aufweisen, deren Auslenkungen in Abhängigkeit von äußeren Beschleunigungen oder Drehraten geändert wird.
hr Figur 1 ist jeweils in den Figuren la bis ld verschiedene Prozessstadien des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements dargestellt und zwar auf der linken Seite eine Schnittdarstellung durch ein, gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren prozessiertes Substrat und auf der rechten Seite eine Draufsicht auf ein solchermaßen prozessiertes Substrat. In Figur 1 a ist ein Halbleitersubstrat 100 dargestellt, welches dotierte erste Bereiche 102 aufweist und in Teilbereichen seiner Oberfläche mittels einer
Maskierungsschicht 110 bedeckt ist. Bei dem Substrat 100 handelt es sich erfindungsgemäß insbesondere um ein positiv dotiertes Siliziumsubstrat 100, in welches als dotierte erste Bereiche 102 lokale negative Dotierungen eingebracht sind. Alternativ oder zusätzlich ist das Substrat 100 mittels der beispielsweise als Nitridmaske (Si3N4) vorgesehenen Abdeckschicht 110 bedeckt. Durch die Abdeckung des Substrats 100 werden diejenigen Stellen definiert, welche porösiziert werden sollen. In Figur lb ist das erfindungsgemäße Halbleitersubstrat 100 nach der Erzeugung eines porösen Bereichs 106 dargestellt. Dieser wird dadurch- erzeugt, dass in einer fluoridhaltigen Lösung elektrochemisch poröses Silizium als Opferschicht im Bereich 106 hergestellt wird. Typische Schichtdicken dieser porösen Schicht bzw. dieses porösen Bereichs 106 liegen zwischen 1 μm und 100 μm. Die poröse Schicht 106 bzw. der poröse Bereich 106 kann optional weiterhin auch oxidiert werden. Die Nitridmasice 110 kann im selben Ätzbad abgelöst werden.
In Figur 1c ist das erfmdungs emäße Halbleitersubstrat 100 dargestellt, auf welchem bereits das erfindungsgemäße milcromechanische Bauelement erkennbar ist. Das erfindungsgemäße milcromechanische Bauelement ist dadurch ausgezeichnet, dass es eine Funlctionsschicht aufweist, welche freistehende Bereiche aufweist, die sich beispielsweise bewegen können oder auch auf bestimmte Temperaturen geheizt werden können. Hierzu ist es notwendig, dass das mikromechanische Bauelement in seiner Funlctionsschicht, welche in der Figur 1 mit dem Bezugszeichen 130 bezeichnet ist, zumindest teilweise freistehend vorgesehen ist. Im beschriebenen Beispiel ist als mikromechanisches Bauelement die Spitze eines Rasterlσaftmikroskops beschrieben. Hierzu weist die Funktionsschicht 130, welche beispielsweise aus epitaktischem oder polykristallinem Silizium besteht, einen vorderen freistehenden Bereich auf, auf welcher sich die Spitze
132 des Rasterkraftmikroskops befindet. Diese Funlctionsschicht 130 wird derart hergestellt, dass auf dem Siliziumsubstrat 100 und insbesondere auf dem porösizierten Bereich 106 die Funktionsschicht 130, insbesondere ein kristallines oder polykristallines Silizium, abgeschieden wird. Mit weiteren, aus der Halbleitertechnik bekannten Nerfahren, können weitere Schichten, die mit der Funlctionsschicht 130 zusammen wirken, gebildet werden. Beispielhaft ist in Figur 1 eine Siliziumnitridschicht als strukturierter Bereich mit dem Bezugszeichen 140 versehen. Weiterhin ist eine Aluminiumschicht als weiterer strulcturierter Bereich, welcher mit der Funktionsschicht 130 zusammen wirkt, in strukturierter Weise auf das Bauelement aufgebracht und mit dem Bezugszeichen 142 bezeichnet. Die Aluminiumschicht 142 dient beispielsweise der
Signalzuführung bzw. -ableitung auf die Siliziumnitridschicht 140, welche beispielsweise zur Heizung der Funlctionsschicht 130 dient. Die mit der Funlctionsschicht 130 zusammen wirkenden Schichten 140, 142 sind erfindungsgemäß insbesondere als Sensorelemente oder Aktorelemente vorgesehen, die beispielsweise den Mikrobalken, insbesondere mit einer Vorspannung, herausbiegen können. Sowohl die Funktionsschicht 130 als auch die mit dieser zusammen wirkenden Schichten 140, 142 werden in der Regel erfindungsgemäß ebenfalls strukturiert, um ihnen die gewünschte Form zu geben.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird die poröse Schicht 106 bzw. der poröse Bereich 106 herausgelöst und damit die Funktionsschicht 130 zumindest teilweise freigelegt. Das
Resultat dieses Vorgangs ist in Figur ld dargestellt. Hierbei wird der poröse Bereich 106 im Wesentlichen vollständig entfernt, weshalb der poröse Bereich 106 auch als Opferschicht bezeichnet wird. Dieser herausgelöste Bereich ist in Figur ld mit dem Bezugszeichen 108 bezeichnet. Durch das Herauslösen der Opferschicht 106 wird die Funlctionsschicht 130 freigelegt. Dies kann im Falle von porösem Silizium mit verdünnter alkalischer Lösung, beispielsweise mittels KOH oder TMAH geschehen. Im Falle von oxidiertem porösem Silizium eignet sich eine fluoridhaltige Lösung, wie beispielsweise HF oder BHF. In beiden Fällen sind auch Trockenätzverfahren, wie beispielsweise reaktives Ionenätzen, mit SFß (Schwefelhexafluorid) anwendbar. Durch das Auflösen der porösen Schicht 106, welches wegen der geringen Wandstärke der Poren um mehrere Größenordnungen schneller geschieht als die Ätzung einer gleich dicken, massiven Schicht aus Silizium, wird die Funktionsschicht 130 von unten teilweise vom Substrat 100 freigelegt bzw. abgelöst, so dass sie frei steht. Durch eine geeignete Vorspannung kann sie sich aus der Substratebene herausbiegen, um beispielsweise als Federbalken für eine Rasterkraftmikroskopspitze zu dienen. Dies ist in Figur ld mittels einem mit dem
Bezugszeichen 129 bezeichneten Pfeil dargestellt.
In Figur 2 ist ein alternatives zweites erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren dargestellt. Wiederum ist das Substrat 100 und die ersten dotierten Bereiche 102 ■ vorgesehen, welche der Begrenzung des später zu erzeugenden porösen Bereichs dienen. Das Substrat 100 ist erfindungsgemäß auch beim zweiten Verfahren, insbesondere als positiv dotiertes Siliziumsubstrat vorgesehen. Die ersten dotierten Bereiche 102 sind ebenfalls wiederum als Bereiche einer lokalen negativen Dotierung vorgesehen. Alternativ zu den dotierten ersten Bereichen 102 zur Begrenzimg des porösen Bereichs ist es auch möglich, lediglich eine, auch in Figur 2 mit dem
Bezugszeichen 110 versehene Nitridmaske als Abdeckschicht 110 vorzusehen. Insgesamt wird durch den dotierten ersten Bereich 102 und/oder durch die Abdeckimg 110 der Bereich definiert, welcher porösiziert werden soll. Dieser zu porösizierende Bereich wird beim zweiten Herstellungsverfahren an seiner Oberfläche einige μm tief mit einer starken positiven Dotierung versehen. Hierbei entsteht der in Figur 2a mit dem
Bezugszeichen 103 versehene Bereich des Substrats 100, welcher wie gesagt lediglich einige μm tief in das Substrat 100 hinein reicht. Die starke positive Dotierung des Bereichs 103 beträgt beispielsweise 1019 cm"3. In Figur 2b ist das erfindungsgemäße Substrat 100 nach dem Verfahrensschritt der Erzeugung des porösen Bereichs dargestellt. Der poröse Bereich ist beim zweiten erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils nicht — wie in Figur 1 dargestellt - mittels eines einzigen gleichförmigen Bereichs 106 vorgesehen, sondern der poröse Bereich ist beim zweiten erfmdungsgemäßen Herstellungsverfahren aufgeteilt in einen ersten porösen Teilbereich 103 und einen zweiten porösen Teilbereich 104. Zusammen werden die beiden Teilbereiche 103, 104 im folgenden auch als poröser Bereich 106 bezeichnet. Der erste poröse Teilbereich 103 entspricht dem Bereich der oberflächlichen, stark positiven Dotierung des Siliziumsubstrats 100, welcher in Figur 2a ebenfalls mit dem Bezugszeichen 103 dargestellt ist. Beim Verfahrensschritt zur Erzeugung des Halbleitersubstrats gemäß der Figur 2b wird in einer fluoridhaltigen Lösung elektrochemisch poröses Silizium als Opferschicht hergestellt, wobei typische Schichtdicken des gesamten porösen Bereichs 106 zusammen wiederum zwischen 1 μm und mehreren 100 μm liegen, Aufgrund der Ätzeigenschaften von porösem Silizium hat die höher positiv dotierte Schicht 103, das heißt der erste poröse Teilbereich 103, eine niedrigere Porosität als der zweite poröse Teilbereich 104, welcher sich in dem Bereich des Substrats 100 befindet, welcher weniger stark positiv dotiert ist. Ein ähnlicher bzw. auch verstärkender Effekt kann . neben der unterschiedlichen Dotierung der Substratbereiche 103, 104 auch durch eine Änderung der Stromstärke bzw. Stromdichte während des Porösizierens hervorgerufen werden. Im zweiten porösen Teilbereich 104 weist das poröse Silizium eine höhere Porosität auf, als im ersten Teilbereich 103. Anstatt der Erzeugung lediglich einer hochporösen Schicht im zweiten porösen Teilbereich 104 des porösen Gesamtbereichs 106 ist es erfindungsgemäß auch möglich, bei noch höheren Stromstärken das Siliziummaterial im zweiten porösen Teilbereich 104 zu elektropolieren, um dadurch einen Hohlraum unter der porösen Schicht 103 im ersten porösen Teilbereich 103 zu erzeugen. Dies ist jedoch lediglich optional Teil des zweiten erfindungsgemäßen
Herstellungsverfalirens. Die porösen Schichten 103, 104 können erfindungsgemäß auch optional oxidiert werden. Die Nitridmasice 110 als Abdeckschicht 110 kann bei dem Verfahren der Herstellung der porösen Schichten 103, 104 ebenfalls abgelöst werden. Erfindungsgemäß ist es beim zweiten Herstellungsverfahren anschließend an die Porosizierung vorgesehen, die porösen Teilschichten der porösen Schicht bei hoher
Temperatur von ca. 900°C bis 1100°C in Wasserstoffatmosphäre bei Atmosphärendruck umzulagern. Dadurch wird die hochporöse Schicht im zweiten porösen Teilbereich.104 abgebaut, sofern sie - falls ein Ele tropolierschritt nicht angewendet wurde - noch existiert. Der Bereich der- zweiten porösen Teilschicht 104 wandelt sich bei dieser Umlagerung in einen Hohlraum bzw. in eine Kaverne um und ist in der Figur 2c mit dem Bezugszeichen 107 versehen. Die obere, weniger poröse bzw. niedrig porösere Schicht 104, die auch als erster poröser Teilbereich 103 bezeichnet wird, wandelt sich bei dieser Umlagerung in eine Deckschicht 105 um. Die Poren der Deckschicht 105 sind hierbei erfindungsgemäß insbesondere weitgehend geschlossen.
Im Anschluss an die Umlagerung zur Herstellung des Hohlraums 107 wird die erfindungsgemäße Funlctionsschicht 130 mit ihren Hilfsschichten bzw. den mit der Funktionsschicht zusammenwirkenden Schichten 140, 142 in ähnlicher Weise, wie bei Figur 1 beschrieben, aufgebracht und strulcturiert. Die Funktionsschicht 130 ist wiederum entweder als epitaktische Schicht oder als polykristalline Schicht, insbesondere aus Silizium, vorgesehen. Die" Funktionsschicht 130 bzw. die mit dieser zusammen wirkenden Schichten 140; 142 werden, ähnlich wie bei Figur 1 beschrieben, strukturiert, um ihnen die gewünschte Form zu geben. Dies kann bevorzugt durch ein Trockenätzverfahren, wie beispielsweise reaktives Ionenätzen mit S76 geschehen. Durch Ätzen, insbesondere durch Trench-Ätzen, der Funlctionsschicht und der Deckschicht 105, wird die Funlctionsschicht 130 vom Substrat 100 abgelöst und damit freigelegt, so dass sie frei steht. Durch geeignete Vorspannung der Funlctionsschicht 130 kann diese sich aus der Substratebene herausbiegen, um beispielsweise als Federbalken für ein Rasterkraftmikroskop zu dienen.
In Figur 3 ist ein drittes erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren dargestellt. Im Gegensatz zu den beiden ersten erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist es beim dritten Herstellungsverfahren vorgesehen, zunächst die Funlctionsschicht 130 zu erzeugen und anschließend den Bereich des porösen Siliziums zu erzeugen. Dies hat den Nachteil, dass nach der Erzeugung der Funlctionsschicht 130 ein nasschemischer
Prozessschritt zur Erzeugung des porösen Siliziums durchzuführen ist. In Figur 3a ist ein Substrat 100 mittels einer oberflächlichen Schicht 101 aus thermischem Silizium dargestellt. Bei dem Substrat 100 handelt es sich erfindungsgemäß insbesondere um ein Siliziumsubstrat. Oberhalb der thermischen Siliziumoxidschicht ist erfindungsgemäß die Funktionsschicht 130 vorgesehen, welche anschließend st-ulcturiert wird, was in der
Figur 4b dargestellt ist. Anschließend an die Erzeugung der Funlctionsschicht 130 wird im dritten Herstellungsverfahren in Figur 3 der poröse Siliziumbereich hergestellt, welcher mit dem Bezugszeichen 106 versehen ist. Hierbei entstehen unterhalb insbesondere der freistehenden und in der Figur 3 mit dem Bezugszeichen 131 versehenen Anteile der Funlctionsschicht 130 sogenannte Nasen aus Substratmaterial, welches nicht zum porösen Bereich 106 gehört. Eine solche Nase ist in Figur 3c mit dem Bezugszeichen 99 versehen. In einem nachfolgenden Schritt, dessen Resultat in Figur 3d dargestellt ist, wird der Bereich des porösen Siliziums 106 aus der Figur 3c mittels eines nasschemischen Prozesses entfernt und es entsteht der freigelegte Bereich, welcher auch in Figur 3 mit dem Bezugszeichen 108 bezeichnet ist. Dieser Bereich weist unterätzte Bereiche unterhalb der Funlctionsschicht 130 auf, welche in Figur 3d mit dem Bezugszeichen 135 versehen sind.
In Figur 4 ist das Resultat der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements gemäß dem dritten erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren, wie in Figur 3 dargestellt, abgebildet. Auf dem Substrat 100 ist die Funlctionsschicht 130 vorgesehen, sowie der herausgeätzte Bereich 108, in dem sich vorher die poröse Siliziumschicht 106 befand, welche zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelementes als Opferschicht diente. Die Funlctionsschicht 130 weist in Figur 4 einen freistehenden Milcrobalken auf, welcher im freistehenden Bereich mit dem Bezugszeichen 131 bezeichnet ist. Durch das erfindungsgemäße mikromechanisclie Bauelement ist eine Schnittlinie AA dargestellt, entlang welcher die in Figur 3 dargestellten Querschnitte vorgesehen sind. Erkennbar ist in Figur 4 der unterätzte Bereich 135, der Ausnehmung 108. Dadurch, dass die Erzeugung des porösen Siliziumbereichs 106 weitgehend ein isotroper Prozess ist, bilden sich unterhalb der freistehenden Struktur sogenannte Nasen, die in Figur 4 mit dem Bezugszeichen 136 versehen sind. Dies ist erfindungsgemäß deshalb der Fall, weil die Erzeugung des porösen Bereichs 106 nach der Erzeugung der Funlctionsschicht 130 erfolgt. Im Bereich der Nasen 136 ist die freistehende Strulctur weniger gut definiert als wenn der Übergang zwischen dem mit dem Substrat 100 verbundenen Bereich der Funlctionsschicht 130 zu dem freistehenden Bereich 131 der Funktionsschicht 130 gerade und definiert wäre.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mittels einer Opferschicht, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Siliziumsubstrat (100) ein strukturierter poröser Bereich (106) und oberhalb des porösen Bereichs (106) eine Funlctionsschicht (130) erzeugt wird und bei dem anschließend die Funlctionsschicht
(130) freigelegt wird, wobei der poröse Bereich (106) zumindest teilweise als Opferschicht dient.
2. Verfaliren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst der poröse Bereich (106) und anschließend die Funlctionsschicht (130) erzeugt wird.
3. Verfahren nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeiclmet, dass der poröse Bereich (106) dadurch strukturiert vorgesehen ist, dass ein dotierter erster Bereich (102) in dem Substrat (100) erzeugt wird, in welchem sich keine Poren bilden, und dass anschließend der poröse Bereich (106) erzeugt wird.
4. Nerfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekeimzeiclmet, dass die Funlctionsschicht (130) strukturiert ist und dass weitere, mit der Funlctionsschicht (130) zusammen wirkende Schichten (140, 142), die insbesondere strukturiert vorgesehen sind, oberhalb des porösen Bereichs (106) erzeugt werden.
5. Verfaliren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeiclmet, dass der poröse Bereich (106) unterhalb der Funlctionsschicht (130) trockenchemisch weggeätzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekemizeichnet, dass der poröse Bereich (106) einen ersten porösen Teilbereich (103) und einen zweiten porösen Teilbereich (104) umfasst, wobei der zweite poröse Teilbereich (104) eine höhere Porosität aufweist und durch eine themiische Behandlung ein Hohlraum (107) im Bereich des zweiten porösen Teilbereichs (104) gebildet wird und wobei eine Deckschicht (105) im Bereich des ersten porösen Teilbereichs (103) verbleibt.
7. Verfaliren nach Anspmch 6, dadurch gekennzeiclmet, dass zur Freilegung der Funlctionsschicht (130) wenigstens die Deckschicht (105) zumindest teilweise geätzt wird,
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst die Funktionsschicht (130) erzeugt wird und anschließend der poröse Bereich (106) unterhalb der Funktionsschicht (130) erzeugt wird.
9. Mucromechanisch.es Bauelement, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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