WO2004093162A2 - Siliziumsubstrat mit positiven ätzprofilen mit definiertem böschungswinkel und verfahren zur herstellung - Google Patents

Siliziumsubstrat mit positiven ätzprofilen mit definiertem böschungswinkel und verfahren zur herstellung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a silicon substrate with positive etching profiles with a defined angle of repose.
  • the invention further relates to a method for producing a silicon substrate with a positive etching profile with a defined slope angle. With the procedure can be
  • microsystem technology Numerous components of microsystem technology are manufactured on the basis of structured silicon substrates.
  • this relates to the components of micromechanics, microfluidics and power electronics.
  • the process of silicon structuring is of paramount importance in the manufacture of these components.
  • plasma-assisted silicon etching processes have been developed in connection with the rapid development of semiconductor technology.
  • a variety of possible system concepts for plasma etching systems and a large number of process parameters enable the etching processes to be varied over a wide range.
  • plasma etching processes have the advantage in principle that anisotropic structuring is possible regardless of the crystal orientation.
  • Plasma chemical silicon etching processes are mostly based on flour chemistry.
  • SF ⁇ sulfur hexafluoride
  • the process is normally isotropic, so that the mask undercut is approximately equal to the etching depth, see H. v. Boenig: Fundamentals of Plasma Chemistry and Technology, p. 174, The Research Institute of Plasma Chemistry and Technology Carlsbad, CA.
  • Anisotropy of the etching process can a. can be achieved in the following ways:
  • the composition of the etching gas is adjusted so that chemical reactions take place during the etching process which lead to the sidewalls being covered with etch-resistant layers, see I. W. Rangelow, H. Löschner: J. Vac Sei. Technol. B 13 (6), Nov / Dec 1995, 2394-2399 and K.-M. Chang, T.-H Yeh, IC. Deng, H.-C. Lin: Journal of Applied Physics - Sept 1, 1996, Vol. 80, Issue
  • a mixture of SF 6 and oxygen is often used as the etching gas.
  • the silicon reacts with oxygen species to form SiO x .
  • the oxide layer is removed more quickly by flour radicals, supported by ion bombardment, than on the side walls, so that the etching process is given a preferred direction.
  • An optimal relationship between sufficient sidewall passivation and high etching rate is very difficult to set.
  • the control of the passivation limits the achievable etching depth, see IW Rangelow, H. Löschner: J. Vac. Be. Technol. B 13 (6), Nov / Dec 1995, 2394-2399 and others
  • cryoprocesses in connection with SF 6 - / 0 2 chemistry
  • a high concentration of reactive etching species is the prerequisite for achieving high etching rates. In this case, however, there is also a more intensive etching attack on the side walls.
  • the probability of spontaneous reactions between silicon and fluorine on the side walls drastically decreases.
  • the lateral etching rate decreases with the chemical reaction rate.
  • an intensive ion bombardment acts at the bottom of the structures. This creates radical sites and stimulates reactive particles so that chemical reactions continue to take place. This results in a significantly higher vertical etching rate, see I. W. Rangelow, H. Löschner: J. Vac. Be. Technol. B 13 (6), Nov / Dec 1995, 2394-2399.
  • the ASE process is based on a known process according to DE 42 41 045 Cl, which was developed by Lärmer and Schilp. It is a cyclical process that consists of alternating deposition and etching steps. During the deposition intervals, the entire substrate surface is passivated by the deposition of a polymer layer. In the etching interval, the polymer layer is ion bombarded on all horizontal surfaces away. At the bottom of the structures, the exposed silicon reacts with fluorine to volatilize
  • Characteristic features of the ASE process are:.
  • any lateral shape of the structures e.g. channel structures, through holes through Si wafers, comb, grid structures
  • the object of the invention is therefore to provide a solution with which positive etching profiles with a defined slope angle ⁇ of the side walls can be produced in silicon.
  • the object is achieved with a silicon substrate with the features specified in claim 1.
  • the object is achieved by a method with the features mentioned in claim 2.
  • the silicon substrate covered with a mask is etched so isotropically that the mask undercut u is approximately equal to the etching depth Et, then the etching depth is increased so that the mask undercut remains constant and the etching front takes on a new course, with this step the Side walls of the structure covered with a polymer then the polymer on the side walls of the structure is removed. The aforementioned steps are repeated until the desired etching profile and depth is generated.
  • the method according to the invention is a plasma etching process (PPE process - Positive Profile Etching Process) with which silicon substrates can be structured in such a way that positive etching profiles are created in the process.
  • PPE process - Positive Profile Etching Process The angle of inclination of the side walls of the etched structures can be defined in the range between 60 and 88 ° by a suitable choice of the process parameters.
  • open (i.e. to be etched) area and process variant etching rates of 3 ... 5 ⁇ m / min and etching depths of up to 200 ⁇ m can be achieved.
  • a limitation of the achievable etching depth only results from. the. Service life of the etching mask, but not from process-related parameters.
  • Figure 1 shows a typical structure after an isotropic etching process in pure SFö plasma
  • Figure 2 shows a structure created using the ASE process
  • Figure 3 shows a desired etching profile with a defined slope angle ß
  • Figure 4 shows a schematic structure of a plasma etching system
  • Figure 5 shows a silicon wafer with an etching mask
  • Figure 6 shows the result of isotropic Si etching in pure SF 6 plasma
  • Figure 7 shows a result after isotropic Si etching and subsequent modified ASE
  • Figure 9 shows the dependence of the Bosch angle of the etched structure on
  • Figure 18 is an embossing tool made of silicon
  • Figure 19 two structures in silicon with a Y-shaped etching profile
  • Figure 20 shows a silicon structure for liquid storage cells
  • Figure 21 a trench in silicon with slightly inclined side walls
  • Figure 22 shows a metal bridge structure on silicon
  • Figure 23 shows a Cu bridge structure made using the PPE process
  • Figure 24 shows an exposed Cu bridge
  • Figures 1 and 2 serve to explain the state of the art.
  • Figure 1 shows a typical structure after an isotropic etching process in pure SF 6 plasma.
  • Figure 2 shows a structure created using the ASE process.
  • Figure 3 shows schematically a desired positive etching profile with the slope angle ß shown.
  • This system can process 4 "or 6" silicon wafers.
  • the plasma reactor is charged via a lock 1.
  • the silicon wafers 2 are held on a substrate electrode by a mechanical clamp 3 and cooled by means of helium back cooling.
  • a pump system consisting of rotary vane 4 and turbomolecular pump 5 is provided for vacuum generation.
  • the process gas pressure can be set in the range of 1 ... 15 Pa.
  • Nitrogen (N 2 ), oxygen (0 2 ), argon (Ar), tetrafluoromethane (CF), sulfur hexafluoride (SF ⁇ ) and octafluorocyclobutane (C ⁇ F S ) can be supplied as process gases via a gas inlet 7.
  • a main component of the system is the high-density ICP plasma source 6, into which an RF power of at most 1 kW can be coupled.
  • the substrate electrode is capable of bias and can have a maximum RF power of 300 W.
  • the frequency is 13.56 MHz in each case. Cyclic processes can be carried out on the system.
  • the etching depth can be measured with the help of a surface profilometer from TENCOR INSTRUMENTS with an accuracy of + 5nm.
  • the method according to the invention is carried out cyclically.
  • the process consists of three steps, which are always repeated in the same order.
  • the procedure has the following sequence
  • the silicon substrate is provided with an etching mask as shown in Figure 5.
  • Mask materials such as photoresist, thermal silicon oxide (Si0 2 ), photoresist and Si0 2 combined as well as metal masks made of aluminum or copper are used.
  • the silicon substrate is etched isotropically in a pure SFg plasma as shown in Figure 6.
  • the mask undercut u is approximately equal to the etching depth ⁇ t .
  • the silicon substrate is subjected to a modified ASE process in accordance with Figure 7. Since the ASE process etches absolutely vertically, the etching depth is increased, but the mask undercut remains constant, the etching front takes on a new course. The side walls of the structures are covered with a polymer after the ASE process.
  • the polymer on the side walls of the structure is removed by 0 2 -RIE and an etched structure is obtained as in Figure 8.
  • Figure 9 shows this relationship.
  • Figures 10 to 17 show examples of real structures with a decreasing angle of repose ß, which were etched accordingly.
  • Structured silicon substrates can be used as a mold for casting components from polymers or the like. pourable substances are used.
  • the result of the silicon structuring is of crucial importance for the separability of the cast parts from the mold. Slope angles of the side walls ⁇ 90 ° make it much easier to remove the molded parts.
  • Figure 18 shows a silicon structure with an embankment angle of 88 °, which is suitable as an embossing tool for the production of polymer parts with channel structures for medical technology.
  • Microfluidic components often contain channel systems and nozzles, which are created by structuring silicon substrates accordingly.
  • storage cells for liquids can have a shape as shown in Figure 20.
  • the structures shown were also generated using the method according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Siliziumsubstrat mit positiven Ätzprofilen mit definiertem Böschungswinkel, erhältlich durch Ätzen des Siliziumsubstrates, das mit einer Maske abgedeckt ist und den folgenden Schritten : a) isotropes Ätzen des Siliziumsubstrates, wobei die Maskenunterätzung u annähernd gleich der Ätztiefe Ät ist; b) Vergrößern der Ätztiefe durch anisotropes Ätzen mit alternierend aufeinanderfolgenden Ätzund Polymerisationsschritten, wobei die Maskenunterätzung konstant bleibt und die Ätzfront einen neuen Verlauf erhält, und mit diesem Schritt die Seitenwände der Struktur mit einem Polymer belegt werden; c) Entfernen des Polymers von der Struktur; und d) Wiederholen der Schritte a) bis c) bis das vorgegebene Ätzprofil erreicht ist. Ein Verfahren ist beschrieben.

Description

Siliziumsubstrat mit positiven Ätzprofilen mit definiertem Böschungswinkel und Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Siliziumsubstrat mit positiven Atzprofileii mit definiertem Böschungswinkel. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumsubstrates mit positivem Ätzprofil mit definiertem Böschungswinkel. Mit dem Verfahren lassen sich
- Siliziumgießformen oder -prägewerkzeuge zur Herstellung von Polymerformteilen
- mikrofluidische Bauelemente mit Kanalsystemen und Düsen
- Bauelemente der Leistungselektronik mit Trench-Strukturen
- Spezielle Brückenstrukturen für Bauelemente der Elektronenmikroskopie o. dgl. erzeugen.
Zahlreiche Bauelemente der Mikrosystemtechnik werden auf der Basis strukturierter Siliziumsubstrate hergestellt. Insbesondere betrifft das Bauelemente der Mikromechanik, Mikrofluidik und Leistungselektronik. Bei der Fertigung dieser Komponenten kommt dem Prozess der Siliziumstrukturierung eine herausragende Bedeutung zu.
In der Druckschrift J. P. John u. a.: J. Electrochem. Soc. Vol. 140, Nr. 9 (1993), 2622-2625 wird das nasschemische Ätzen von Siliziumsubstraten beschrieben. Dazu können beispielsweise Gemische aus Salpetersäure (HN03), Flußsäure (HF) und Wasser verwendet werden. Der Ätzprozess verläuft in diesem Fall vollkommen isotrop, d. h. die Maskenunterätzung ist annähernd so groß wie die Ätztiefe. Grenzen für die Anwendung dieses Verfahrens ergeben sich aus der fortschreitenden Minimierung der lateralen Strukturabmessungen, die sich aus der Forderung nach zunehmender Miniaturisierung von Bauelementen der Mikrosystemtechnik ergibt.
Eine anisotrope nasschemische Strukturierung von Silizium gemäß H. Seidel, L. Csepregi, A.Heuberger, H. Baumgärtel: J. Electrochem. Soc, Vol. 137, No. 11, November 1990, 3612-3632 bzw. B. Kim, D. D. Cho: L Electrochem. Soc, Vol. 145, No. 1, July 1998, 2499-2508 ist unter Verwendung von richtungsbevorzugenden alkalischen Ätzlösungen, wie Kalium-, Lithium- oder Natriumhydroxid möglich. Der anisotrope Charakter der Ätzung basiert auf den unterschiedlichen Auflösungsgeschwindigkeiten des Siliziums in den verschiedenen Kristallebenen. Die <111>-Ebene— wird am langsamsten abgetragen und wirkt deshalb als Strukturbegrenzung. Beim Ätzen von <100>- Silizium ergeben sich somit pyramidenstumpfartige Vertiefungen bei denen die (111)-Flächen in einem definierten Winkel von 54,74° die Strukturwände bilden. Bei einer Strukturbreite bM in der Ätzmaske kann eine maximale Ätztiefe Ät von
Figure imgf000003_0001
erzielt werden.
Da die Lage der Kristallebenen nach Winkel und Raster feststeht, sind die Realisierungsmöglichkeiten für MikroStrukturen hinsichtlich lateraler Form und Querschnittsform der geätzten Gräben stark eingeschränkt.
Im Zusammenhang mit der rasanten Entwicklung der Halbleitertechnik wurden verschiedene plasmagestützte Silizium-Ätzverfahren entwickelt. Eine Vielfalt möglicher Anlagenkonzepte für Plasmaätzanlagen und eine Vielzahl von Prozessparametern ermöglichen die Variation der Ätzprozesse in einem weiten Bereich. Insbesondere weisen Plasmaätzprozesse prinzipiell den Vorteil auf dass eine anisotrope Strukturierung unabhängig von der Kristallorientierung möglich ist.
Plasmachemische Siliziumätzprozesse basieren meist auf Flourchemie. Wenn Silizium beispielsweise in reinem SFβ-Plasma (SFβ: Schwefelhexafluorid) geätzt wird, verläuft der Prozess normalerweise isotrop, so dass die Maskenunterätzung annähernd gleich der Ätztiefe ist, siehe H. v. Boenig: Fundamentals of Plasma Chemistry and Technology, p. 174, The Research Institute of Plasma Chemistry and Technology Carlsbad, CA.
Eine Anisotropie des Ätzprozesses kann u. a. auf folgende Weise erzielt werden:
Verwendung von Chlor-Brom-Fluor-Chemie
Das laterale Ätzen wird verhindert durch Seitenwandpassivierung. Dazu wird die Zusammensetzung des Ätzgases so eingestellt, dass während des Ätzprozesses auch solche chemische Reaktionen stattfinden, die zur Bedeckung der Seitenwände mit ätzresistenten Schichten führen, siehe I W. Rangelow, H. Löschner: J. Vac Sei. Technol. B 13 (6), Nov/Dec 1995, 2394-2399 und K.-M. Chang, T.-H Yeh, I-C. Deng, H.-C. Lin: Journal of Applied Physics - Sept 1, 1996, Vol. 80, Issue
5, 3048-3055.
Problematisch ist bei diesem Verfahren der hohe Aufwand für die Sicherheitstechnik sowie Gasver- und -entsorgung zur Gewährleistung der Umweltverträglichkeit.
Verwendung von Fluorchemie in Verbindung mit Sauerstoff
Häufig wird ein Gemisch aus SF6 und Sauerstoff als Ätzgas verwendet In den Strukturen reagiert das Silizium mit Sauerstoff-Spezies zu SiOx. Am Boden wird die Oxidschicht durch Flour-Radikale, unterstützt durch lonenbeschuss, schneller wieder abgetragen als an den Seitenwänden, so dass der Ätzprozess eine Vorzugsrichtung erhält. Ein optimales Verhältnis zwischen ausreichender Seitenwandpassivierung und hoher Ätzrate ist sehr schwer einstellbar. Die Kontrolle der Passivierung limitiert die erreichbare Ätztiefe, siehe I. W. Rangelow, H. Löschner: J. Vac. Sei. Technol. B 13 (6), Nov/Dec 1995, 2394-2399 u.a.
Einsatz von Cryoprozessen in Verbindung mit SF6-/02-Chemie
Eine hohe Konzentration an reaktiven Ätzspezies ist die Voraussetzung, um hohe Ätzraten zu erzielen. In diesem Fall findet aber auch an den Seitenwänden ein intensiverer Ätzangriff statt. Durch Kühlung der Substrate auf Temperaturen von ca. - 110 °C nimmt die Wahrscheinlichkeit spontaner Reaktionen zwischen Silizium und Fluor an den Seitenwänden drastisch ab. Mit der chemischen Reaktionsrate sinkt die laterale Ätzrate. Am. Boden der Strukturen wirkt jedoch ein intensiver lonenbeschuss. Dieser schafft Radikalplätze und regt reaktive Teilchen an, so dass weiterhin chemische Reaktionen stattfinden. Daraus resultiert eine deutlich größere vertikale Ätzrate, siehe I. W. Rangelow, H. Löschner: J. Vac. Sei. Technol. B 13 (6), Nov/Dec 1995, 2394- 2399.
„Advanced Silicon Etch-Prozess" (ASE)
Der ASE-Prozess basiert auf einem bekannten Verfahren nach DE 42 41 045 Cl, das von Lärmer and Schilp entwickelt wurde. Es handelt sich dabei um einen zyklischen Prozess, der sich aus alternierenden Abscheide- und Ätzschritten zusammensetzt. Während der Abscheideintervalle findet eine Passivierung der gesamten Substratoberfläche statt durch Abscheidung einer Polymerschicht. Im Ätzintervall wird die Polymerschicht auf allen horizontalen Flächen durch lonenbeschuss entfernt. Am Boden der Strukturen reagiert das freigelegte Silizium mit Fluor zu flüchtigen
Reaktionsprodukten.
Charakteristische Eigenschaften des ASE-Prozesses sind: .
- Realisierung von Ätztiefen von 10 ... 500 μm
- Erreichbares Aspektverhältnis: > 25
- Böschungswinkel der Seitenwände nahe 90°
- Maskenunterätzung — > 0
- Beliebige laterale Form der Strukturen (z. B. Kanalstrukturen, Durchgangs-löcher durch Si-Wafer, Kamm-, Rasterstrukturen)
- Anwendung konventioneller Ätzmasken (z. B. Si02, Fotoresist)
- Ätzrate: 3 ... 5 μm/min
Ausgehend vom gegenwärtigen Stand der Technik muss festgestellt werden, dass . es bei der Siliziumstrukturierung gegenwärtig kaum technologische Möglichkeiten zur Variation des Ätzprofils gibt. Diese beschränken sich im wesentlichen auf folgende zwei Varianten: a) völlig isotropes Ätzen (z. B. mittels SFβ-Plasma)
Eine typische Struktur ist in Bild 1 dargestellt, b) Realisierung von Siliziumstrukturen mit vollkommen senkrechten Seitenwänden bei Maskenunterätzungen nahe Null (siehe Bild 2)
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Lösung anzugeben, mit der in Silizium positive Ätzprofile mit definiertem Böschungswinkel ß der Seitenwände erzeugt werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Siliziumsubstrat mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit dem im Anspruch 2 genannten Merkmalen gelöst. Gemäß dem Verfahren wird das mit einer Maske abgedeckte Siliziumsubstrat so isotrop geätzt, dass die Maskenunterätzung u annähernd gleich der Ätztiefe Ät ist, anschließend wird die Ätztiefe so vergrößert, dass die Maskenunterätzung konstant bleibt und die Ätzfront einen neuen Verlauf erhält, wobei mit diesem Schritt die Seitenwände der Struktur mit einem Polymer belegt werden, danach wird das Polymer an den Seitenwänden der Struktur entfernt. Die vorgenannten Schritte werden so oft wiederholt, bis das gewünschte Ätzprofil und Ätztiefe erzeugt ist.
Vorteilhafte Varianten des Verfahrens ergeben sich aus in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Plasmaätzprozess (PPE-Prozess - Positive Profile Etching Process) mit dem sich Siliziumsubstrate so strukturieren lassen, dass dabei positive Ätzprofile entstehen. Der Neigungswinkel der Seitenwände der geätzten Strukturen lässt sich im Bereich zwischen 60 und 88° durch geeignete Wahl der Prozessparameter definiert einstellen. In Abhängigkeit vom Aspektverhältnis, geöffneter (d. h. zu ätzender) Fläche und Prozessvariante können Ätzraten von 3...5 μm/min und Ätztiefen bis zu 200 μm erzielt werden. Eine Begrenzung der erreichbaren Ätztiefe, ergibt sich lediglich -aus . der. Standzeit der Ätzmaske, jedoch nicht aus prozessbedingten Parametern.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Bild l eine typische Struktur nach einem isotropen Ätzprozess in reinem SFö-Plasma
Bild 2 eine mittels ASE-Prozess erzeugte Struktur
Bild 3 ein angestrebtes Ätzprofil mit definiertem Böschungswinkel ß
Bild 4 ein schematischer Aufbau einer Plasmaätzanlage
Bild 5 ein Siliziumwafer mit Ätzmaske
Bild 6 ein Ergebnis des isotropen Si-Ätzens im reinen SF6-Plasma
Bild 7 ein Ergebnis nach isotropen Si-Ätzen und nachfolgendem modifiziertem ASE
Bild 8 ein Freilegen der Seitenwände der geätzten Struktur mittels 02-Plasma
Bild 9 eine Darstellung der Abhängigkeit des Boschungswinkels der geätzten Struktur vom
Zeitverhältnis Z
Bild 10 eine Struktur mit Böschungswinkel ß=89°, geätzt bei Z=0,1
Bild 11 eine Struktur mit Böschungswinkel ß=86°, geätzt bei Z=0, 167
Bild 12 eine Struktur mit Böschungswinkel ß=83°, geätzt bei Z=0,25 Bild 13 eine Struktur mit Böschungswinkel ß=81 °, geätzt bei Z=0,33
Bild 14 eine Struktur mit Böschungswinkel ß=77°, geätzt bei Z=0,5
Bild 15 eine Struktur mit Böschungswinkel ß=74°, geätzt bei Z=0,67
Bild 16 eine Struktur mit Böschungswinkel ß=66°, geätzt bei Z=l
Bild 17 eine Struktur mit Böschungswinkel ß=60°, geätzt bei Z=2
Bild 18 ein Prägewerkzeug aus Silizium
Bild 19 zwei Strukturen in Silizium mit Y-förmigem Atzprofil
Bild 20 eine Siliziumstruktur für Flüssigkeitsspeicherzellen
Bild 21 ein Trench in Silizium mit leicht geneigten Seitenwänden
Bild 22 eine Metall-Brückenstruktur auf Silizium
Bild 23 eine Cu-Brückenstruktur, hergestellt mittels PPE-Prozess
Bild 24 eine freigelegte Cu-Brücke
Die Bilder 1 und 2 dienen zur Erläuterung des Standes der Technik. Bild 1 zeigt eine typische Struktur nach einem isotropen Ätzprozess in reinem SF6-Plasma. Bild 2 zeigt eine mittels ASE- Prozess erzeugte Struktur. Bild 3 zeigt schematisch ein angestrebtes positives Ätzprofil mit dargestelltem Böschungswinkel ß.
Zur erfindungsgemäßen Strukturierung des Siliziumsubstrates entsprechend Bild 3 eignet sich eine Plasmaätzanlage der Firma Surface Technology Systems Limited (STS), Großbritannien. Eine solche Anlage ist in Bild 4 schematisch dargestellt.
An dieser Anlage können 4"- oder 6"-Silizium-Wafer bearbeitet werden. Das Beschicken des Plasmareaktors erfolgt über eine Schleuse 1. Die Silizium-Wafer 2 werden auf einer Substratelektrode durch eine mechanische Klammerung 3 gehalten und mittels Helium- Rückseitenkühlung gekühlt. Zur Vakuumerzeugung ist ein Pumpensystem, bestehend aus Drehschieber- 4 und Turbomolekularpumpe 5 vorgesehen. Der Prozessgasdruck lässt sich im Bereich von 1...15 Pa einstellen. Als Prozessgase lassen sich Stickstoff (N2), Sauerstoff (02), Argon (Ar), Tetrafluormethan (CF ), Schwefelhexafluorid (SFβ) und Octafluorcyclobutan (CÄFS) über einen Gaseinlass 7 zuführen. Ein Hauptbestandteil der Anlage ist die hochdichte ICP-Plasmaquelle 6, in die eine HF-Leistung von maximal 1 kW eingekoppelt werden kann. Die Substratelektrode ist biasfähig und kann mit einer HF-Leistung von maximal 300 W beaufschlagt werden. Dazu ist ein Anpassnetzwerk 8 und ein HF-Generator 9 vorgesehen. Die Frequenz beträgt in jedem Fall 13,56 MHz. An der Anlage ist die Durchführung zyklischer Prozesse möglich.
Die Messung von Ätztiefen kann mit Hilfe eines Oberflächenprofilometers der Firma TENCOR INSTRUMENTS mit einer Genauigkeit von + 5nm erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren, der sogenannte der PPE-Prozess wird zyklisch durchgeführt. Das Verfahren setzt sich aus drei Schritten zusammen, die sich stets in der gleichen Reihenfolge wiederholen. Das Verfahren weist folgenden Ablauf auf
Es wird vorausgeschickt, dass das Siliziumsubstrat mit einer Ätzmaske wie in Bild 5 versehen ist. Dabei kommen Maskenmaterialien wie Fotoresist, thermisches Siliziumoxid (Si02), Fotoresist und Si02 kombiniert sowie Metallmasken aus Aluminium oder Kupfer zum Einsatz.
Im ersten Schritt wird das Siliziumsubstrat in einem reinen SFg-Plasma gemäß der Darstellung in Bild 6 isotrop geätzt. Bei diesem Ätzschritt ist die Maskenunterätzung u annähernd gleich der Ätztiefe Ät.
Im zweiten Schritt wird entsprechend Bild 7 das Siliziumsubstrat einem modifizierten ASE-Prozess unterworfen. Da der ASE-Prozess absolut senkrecht ätzt, wird die Ätztiefe vergrößert, aber die Maskenunterätzung bleibt konstant, die Ätzfront erhält einen neuen Verlauf. Die Seitenwände der Strukturen sind nach dem ASE-Prozess mit einem Polymer belegt.
Im dritten Schritt wird das Polymer an den Seitenwänden der Struktur durch 02-RIE entfernt und eine geätzte Struktur wie in Bild 8 erhalten.
Die Verfahrensschritte 1 -3 werden nun so oft wiederholt, bis die gewünschte Ätztiefe erreicht ist. Durch Überlagerung der Ätzfronten, die aus den beiden Siliziumätzprozessen entsprechend den Schritten a) und b) resultieren, entstehen positive Ätzprofile mit Böschungswinkeln zwischen 60 und 88°. In der Tabelle 1 sind die Prozessparameter für jedes Intervall enthalten. I-n Tabelle 2 sind die Parameter des modifizierten ASE-Prozesses denen des bekannten Bosch-Prozesses gegenübergestellt. Eine reproduzierbare Einstellung eines gewünschten Böschungswinkels ist durch Wahl eines geeigneten Zeitverhältnisses Z für die Schritte 1 und 2 möglich.
7 = _-------_
1 ASE (Modifiziert)
Je größer der zeitliche Anteil des isotropen Ätzens im reinen SFö-Plasma ist, desto kleiner wird der Böschungswinkel. Bild 9 zeigt diesen Zusammenliang. Dje Bilder 10 bis 17 zeigen Beispiele für reale Strukturen mit einem abnehmenden Böschungswinkel ß, die dementsprechend geätzt wurden.
Ausfuhrungsbeispiel 1
Strukturierte Silizium-Substrate können als Form zum Gießen von Bauteilen aus Polymeren o. a. gießfahigen Substanzen verwendet werden. Das Ergebnis der Siliziumstrukturierung ist von entscheidender Bedeutung für die Trennbarkeit der gegossenen Teile von der Form. Böschungswinkel der Seitenwände < 90° erleichtern die Entnahme der geformten Teile wesentlich. Bild 18 zeigt eine Siliziumstruktur mit einem Böschungs-winkel von 88°, die als Prägewerkzeug zur Herstellung von Polymerteilen mit Kanalstrukturen für die Medizintechnik geeignet ist.
Ausführungsbeispiel 2
Mikrofluidische Bauelemente enthalten oft Kanalsysteme und Düsen, die durch entsprechende Strukturierung von Siliziumsubstraten erzeugt werden. Hierbei besteht zunehmend die Forderung, Strukturen mit komplizierten lateralen und vertikalen Formen zu realisieren. Dies beinhaltet u. a. die Erzeugung von Strukturen mit zusammengesetztem Ätzprofil oder von Ätzprofilen mit wechselndem Böschungswinkel. Beispiele dafür sind in den Bildern 19 a) und b) dargestellt.
Ausführungsbeispiel 3
Speicherzellen für Flüssigkeiten können beispielsweise eine Form haben, wie sie in Bild 20 zu sehen ist. Die dargestellten Strukturen wurden ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt. Ausführungsbeispiel 4
Bei der Herstellung von Bauelementen der Leistungselektronik werden häufig tiefe Gräben in Silizium geätzt, die anschließend mit Dielektrika beschichtet bzw. mit Metallen zu füllen sind. Auf diese Weise sollen Kapazitäten oder Durchkontaktierungen erzeugt werden. Das homogene Beschichten und voidfreie Füllen der Trenches wird erleichtert, wenn der Böschungswinkel zwischen 85... 88° liegt. Bild 21 zeigt ein Beispiel für einen solchen Trench.
Ausführungsbeispiel 5
In der Elektronenmikroskopie werden spezielle Metall-Brückenstrukturen auf Silizium benötigt. Für einem solchen Fall kann auf einem Siliziumsubstrat eine freie Metallbrücke, die mit Kontakt-Pads verbunden ist, erzeugt werden (Bild 22).
Das Freilegen solcher Metallbrücken stellt für die Siliziumstrukturierung bisher ein Problem dar. Einerseits soll das Silizium auf der Rückseite des Metallstreifens bis zu einer Ätztiefe von 200...500 μm vollständig entfernt werden, andererseits wird eine minimale Unterätzung des Si02 unter den Kontaktpads angestrebt. Damit soll trotz Miniaturisierung der Bauelemente die Stabilität der Struktur gewährleistet bleiben. Die Bilder 23 und 24 zeigen mit dem Verfahren realisierbare Strukturen dieser Art.
Bβzugszeichenliste
1 - Schleuse
2 - Silizium-Wafer
3 - mechanische Klammerun
4 - Drehschieberpumpe
5 - Turbomolekularpumpe
6 - ICP-Plasmaquelle
7 - Gaseinlass
8 - Anpassnetzwerk
9 - HF-Generator
Figure imgf000012_0002
Tabelle 1: Prozeßparameter für jedes Intervall des PPE-Prozesses
Figure imgf000012_0001
Tabelle 2: Gegenüberstellung der Parameter des patentierten Bosch-Prozesses und des modifizierten ASE-Prozesses

Claims

Patentansprüche
1. Siliziumsubstrat mit positiven Ätzprofilen mit definiertem Böschungswinkel, erhältlich durch Ätzen des Siliziumsubstrates, das mit einer Maske abgedeckt ist und den folgenden Schritten a) isotropes Ätzen des Siliziumsubstrates, wobei die Maskenunterätzung u annähernd gleich der Ätztiefe Ät ist, b) Vergrößern der Ätztiefe durch anisotropes Ätzen mit alternierend aufeinanderfolgenden Atzund Polymerisationsschritten, wobei die Maskenunterätzung konstant bleibt und die Ätzfront einen neuen Verlauf erhält, und mit diesem Schritt die Seitenwände der Struktur mit einem Polymer belegt werden, c) Entfernen des Polymers von der Struktur, und d) Wiederholen der Schritte a) bis c) bis das vorgegebene Ätzprofil erreicht ist.
2. Verfahren zum Plasmaätzen zur Erzeugung positiver Atzprofile mit definiertem Böschungswinkel in Siliziumsubstraten, bei dem das Siliziumsubstrat mit einer Maske abgedeckt wird und dass a) Siliziumsubstrat zunächst isotrop geätzt wird, so dass die Maskenunterätzung u annähernd gleich der Ätztiefe Ät ist, b) anschließend die Ätztiefe durch anisotropes Ätzen mit alternierend aufeinanderfolgenden Ätz- und Polymerisationsschritten vergrößert wird, so dass die Maskenunterätzung konstant bleibt und die Ätzfront einen neuen Verlauf erhält, wobei mit diesem Schritt die Seitenwände der Struktur mit einem Polymer belegt werden, c) danach das Polymer an den Seitenwänden der Struktur entfernt wird, und d) die Schritte a) bis c) so oft wiederholt werden, bis das vorgegebene Ätzprofil erreicht ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliziumsubstrat in einem SFβ- Plasma isotrop geätzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergrößerung der Ätztiefe durch einen anisotropen Ätzvorgang erfolgt, bei dem der Drücke für die Prozessgase 1,0 bis 5,3 Pa und die Intervallzeiten 3 bis 12 s betragen. , . _
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung des Polymers mittels eines 02-Plasmas erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Böschungswinkel ß im Ätzprofil durch Einstellung eines Zeitverhältnisses zwischen den Schritten a) und b) bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) verlängert wird und daraus das Zeitverhältnis bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) verlängert wird und daraus das Zeitverhältnis bestimmt wird.
Hierzu 8 Blatt Zeichnungen
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