WO2007017458A1 - Mikrobauteil mit nanostrukturierter siliziumoberfläche, verfahren zu seiner herstellung sowie verbindungsanordnung aus solchen mikrobauteilen - Google Patents

Mikrobauteil mit nanostrukturierter siliziumoberfläche, verfahren zu seiner herstellung sowie verbindungsanordnung aus solchen mikrobauteilen Download PDF

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WO2007017458A1
WO2007017458A1 PCT/EP2006/065019 EP2006065019W WO2007017458A1 WO 2007017458 A1 WO2007017458 A1 WO 2007017458A1 EP 2006065019 W EP2006065019 W EP 2006065019W WO 2007017458 A1 WO2007017458 A1 WO 2007017458A1
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nanostructured
microcomponent
etching
silicon
microcomponents
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PCT/EP2006/065019
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English (en)
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Inventor
Michael Fischer
Arne Albrecht
Mike Stubenrauch
Original Assignee
Technische Universität Ilmenau
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B5/00—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
    • F16B5/07—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of multiple interengaging protrusions on the surfaces, e.g. hooks, coils
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C3/00—Assembling of devices or systems from individually processed components
    • B81C3/001—Bonding of two components

Definitions

  • Microcomponent with nanostructured silicon surface process for its production and connection arrangement of such microcomponents
  • the invention relates to a microcomponent having a nanostructured silicon surface, a mechanical connection of a plurality of such microcomponents with one another and a method for producing the nanostructured silicon surfaces.
  • Microcomponents are products of microtechnology and include elements of microelectronics, micromechanics and micro-optics.
  • the microcomponents include semiconductor circuits, integrated optical and optoelectronic systems, sensors made of silicon, micro-nozzles, microactuators, highly miniaturized mechanical, electrical and optical connections and scarf ⁇ ter. All microcomponents are characterized by extremely small dimensions in the micro and nanometer range, as well as by an integrated structure and by their adaptation to a strongly demanded system concept.
  • Siliziumtech ⁇ nik A very large number of micro-components is made in Siliziumtech ⁇ nik, in particular because of the outstanding properties such as lowest damping, fatigue resistance, high crystal purity, determinable by doping conductivity, various etching and coating ability.
  • a hitherto known connection of microcomponents by means of positive contours, such as pits and lands or pits and balls is limited by predefined, unchangeable positions, wherein for the production of a form ⁇ conclusive connection between these microcomponents usually a permanent additional force component (eg is Lich gravity or forces. by bracing elements) erforder ⁇ .
  • a permanent additional force component eg is Lich gravity or forces. by bracing elements
  • Cohesive connections of microcomponents are previously realized by bonding, gluing, and wringing by means of various surface effects, said rule with a high technical effort ⁇ permanent, non-detachable connections entste ⁇ hen.
  • Non-positive connections in which are joined by clamps or screws with additional auxiliary elements different construction ⁇ parts are previously difficult or impossible to integrate into the microsystems technology.
  • WO 99/40812 describes a nano velcro closure. This will be on the surfaces of Connecting micro-components nanoscale fasteners (nanotubes) deposited or manufactured. These may be bent or angled straight or at one or more points. When the surfaces of the microcomponents are brought into contact with each other, these nanotubes become entangled and a nano-velcro closure results.
  • the high technological cost for producing this nanotube has a disadvantageous effect.
  • Microcomponents can also be interconnected by utilizing the adhesion forces.
  • WO 03/099951 e.g. a microstructured surface with increased adhesion is described. Structures are proposed which produce defined compliances by dividing the entire surface into many individual elements and thus realize a large-area, intimate contact of two surfaces. The generated structures do not interfere with each other and a mechanical anchoring between the microcomponents does not take place. The bond is mediated exclusively by the van der Waals forces.
  • a disadvantage of this joining or contact method the change in the joint by e.g. Temperature effect, humidity and other environmental influences. This results in a reduced adhesive force and its temporal change. This can partially lead to the total failure of the connection.
  • US 2004/0250950 A1 describes a similar method for increasing the adhesion between two or more surfaces through the use of nanofibers and nanofiber structures.
  • a layer of nanofibers is placed between the surfaces to be bonded.
  • the adhesive forces occurring between the surfaces are stronger than the van der Waals forces between the surfaces without the presence of nanofibers therebetween.
  • the nanofibers are "grown up" on one of the two surfaces to be joined.
  • microstructures ⁇ structure made of silicon, tungsten, molybdenum or diamond with a rough surface structure.
  • the micro ⁇ structure is first coated with a carbon polymer, this layer is then removed by an etching process (dry or plasma etching) again.
  • the local etch rate in the ablation of the polymer layer and the abrasion of the microstructure surface is varied by using a ULTRASONIC Gasgemi ⁇ from oxygen as a main component and a fluorine or chlorine gas ⁇ component.
  • the surface roughness of the microstructure may be affected by the choice of different etch rates between the microstructure and the polymer layer. This is done in particular by adjusting the plasma power, the oxygen content in the gas or the process pressure.
  • WO 01/48795 A2 describes a dry etching process for silicon. In the process described therein process is of special importance to the prevention of the silicon spikes, the so genann ⁇ th "black Silicon", placed.
  • Nanostructured surfaces are to be understood as geometries on the surface of substrates or microcomponents, the lateral and vertical dimensions in the range of eini ⁇ gen 10 microns to several 10 nm are.
  • Microcomponents made of silicon are produced by the prior art using various etching methods, wherein the dry or plasma etching (Reactive Ion Etching - Engl. Abbr RIE.)
  • the wet-chemical etching process due to technologic ⁇ rule advantages and the increasing availability of geeig ⁇ Neten plasma systems is preferred.
  • Object of the present invention is to ⁇ len a micro device having a nano-structured silicon surface suedzustel which allows in a very simple way, a joining or connecting a plurality of such micro-components, which can be thereby positioned depending on the technological requirements of any one another and the generated Connection should be permanently or at least temporarily ⁇ mechanically stable. It is a further object of the invention to provide a simplified process for producing a nanostructured silicon surface on a microcomponent. Finally, the invention should enable a connection arrangement using the nanostructured microcomponents.
  • microcomponent having the features of claim 1, by a method for producing the surface thereof according to claim 8 and a connection arrangement for the mechanical connection of a plurality of microcomponents according to claim 16.
  • the advantages of the invention can be seen, in particular, in that, for the production of the nanostructured surface of the microcomponent, the hitherto known and used technological silicon process is used for microcomponents and does not require additional steps or materials in the general fabrication process for silicon wafers or other silicon microcomponents.
  • the nanostructures produced are distributed on the surface of the microcomponent particularly uniformly and evenly, thereby providing a joining of the surfaces tion at any Posi ⁇ of the nanostructured surface can take place.
  • the mechanical surface properties can be simply adjusted according to the jewei ⁇ time requirements.
  • the well-known in the prior art plasma or dry etching process is modified and utilized the Eigent ⁇ Lich undesirable in silicon technology formation of the "black silicon.” It has been recognized that can be generated in this way nanostructured Siliziumoberflä ⁇ surfaces because of their mechanical surface properties excellent are suitable for the microcomponents aneinan ⁇ to attach or join the.
  • connection assemblies to be constructed using the nanostructured surfaces can be used, for example, to easily fix small components prior to bonding, to support thin wafers in fabrication, to interconnect microfluidic systems for bio-MEMS, to construct optical benches, and the like. be applied according to the modular principle. Other fields of application in this area will be readily apparent to those skilled in the art.
  • tools of microsystem technology can be provided with a nanostructured surface according to the invention, in order to be able to exert holding functions in production, for example.
  • the etching attack occurs on the one hand by reactive gas radicals (chemical fraction) and on the other hand by a bombardment with positive, high-energy ions (physical fraction). Due to the permanent bombardment of the grounded substrate with ions, its surface is mechanically attacked and thus at the same time made accessible to the chemical attack of distruniver gas radicals.
  • the etching gases used are sulfur hexafluoride (SF 5 ) and oxygen (O 2 ).
  • the predominantly isotropic etching process is normally interrupted at regular cyclic intervals by passivation phases in order to be able to produce deep trenches with side walls as vertical as possible in the structuring process.
  • a passivation layer polymeric FC layer
  • a passivation gas usually octafluorocyclobutane C 4 F 8
  • the reaction products formed during the silicon removal in the etching step contribute to the deposition of SiO x F y on the sidewalls and thus support the passivation process.
  • a subsequent etching process is then connected to produce the nanostructured surface after the actual production of the microstructure by basically the same etching process and possibly different coating processes between the etching phases - ie the actual finished microcomponent, which is modified such that the sensitive relationship between the etching and the passivation in favor of the passivation or the micro-masking shifts.
  • the geometrical dimensions of the wedge-shaped nanoobjects can be adapted to the technological requirements, such as the required adhesive force.
  • the proportion of frictional connection in the connection of several such Mikrobau- parts and thus the latching of the compound can be adjusted.
  • the duration of the etching phases and the duration of the passivation phases can be set to change the nanoparameters, as a result of which the surface of the nanoobjects can be determined.
  • the passivation phase is preferably lengthened and the etching phase is shortened.
  • the duration of the entire etching and passivation process ultimately determines the height or length of the individual nano-objects.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a nanostructured silicon surface
  • Fig. 2 is a schematic representation of a connection ⁇ arrangement of two nanostructured silicon surfaces in two phases; 3 shows a micrograph of two interconnected microcomponents with a nanostructured silicon surface;
  • FIG. 4 shows a micrograph of a cross section of two interconnected microcomponents with nanostructured silicon surfaces.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a modern fiction, ⁇ nanostructured silicon surface Ol a micro component 02.
  • the micro device 02 has on its surface distributed statistically uniformly shaped and substantially equal ⁇ nano-objects 03 on.
  • the nano-objects 03 themselves have on their surface rib-like contours 04 resulting sen by the repeated alternation between passivation and ⁇ tzpha ⁇ .
  • the size of the ribs on the contours 04 is dependent on the cycle time of the etching phase and the number of ribs on the duration of the overall process.
  • the geometrical dimensions of the nano-objects 03 are Wesentli ⁇ surfaces of the adjustable factors duration of the etching process, the duration of etching and passivation phases, the quantity and pressure of the etching and passivation dependent, with the length 1 micron, preferably less than 100, typically about 15 to 25 ⁇ m and their base diameter d is less than 10, preferably less than 5 microns ⁇ . Accordingly, its aspect ratio (1 / d) is preferably greater than 1.
  • Each wedge-shaped nano-object 03 thus forms a nano-cone whose base surface is on the surface of the micro-object is and whose object axis 05 is substantially perpendicular to this surface.
  • the wedge-shaped nano-objects 03 have a wedge angle ⁇ of less than 20 °, preferably less than 10 °, and their distribution over the entire nanostructured surface is almost constant.
  • the distance x between the object axes 05 of the nano-objects 03 and thus the density of their distribution is greater than or equal to the foot diameter d.
  • FIG. 2 schematically illustrates the process of joining two microcomponents 02 with nanostructured silicon surfaces 01 in two phases (FIGS. A and b).
  • a joining force 06 under clotting ⁇ gem pressure they are then brought into contact with each other.
  • the wedge-shaped nano-objects 03 slide into each other, as shown in Fig. B.
  • microcomponents may also have only sections which are nanostructured with the method according to the invention. To connect then the corresponding areas must be positioned one above the other. Due to the statistically uniform distribution of the wedge-shaped nano- objects 03 on the surface, a connection of the microcomponents 01 at arbitrary positions relative to one another in the connection plane can be realized.
  • asymmetrically impressed joining forces can be used to align both components in the z direction and in two axes of rotation lying in the plane.
  • the positio ⁇ n istsspielraum is limited by the length of one of the keilförmi ⁇ gen nano-objects 03.
  • the compound of these microcomponents can be produced permanently and non-detachably using an adhesive or an adhesion-promoting polymer.
  • the glue can thereby penetrate by capillary forces or in vapor form via diffusion processes in the joint.
  • a cohesive connection between the microcomponents is produced.
  • a metallization layer is first applied to the nanostructured surface of the microcomponents. After joining the surfaces of the components takes place by a temperature process, an alloy of the metallization layer with the silicon, whereby the cohesive connection is formed.
  • an electrical connection between the microcomponents can be produced on the nanostructured surface in sections or over the entire surface.
  • FIG. 3 shows a photomicrograph of two wafers 07, 08 interconnected in the manner according to the invention, each of which is provided with a nanostructured silicon surface 01.
  • FIG. 4 shows a microscopic cross-sectional view of the connection shown in FIG. 3.
  • the wafers 07, 08 are joined together with the nanostructured silicon surface 01 opposite.
  • the individual nano-objects 03 and their interlocking interlocking can be recognized.
  • the illustrated scale 09 (10 ⁇ m) gives an impression of the real size ratios of the nanostructured silicon surfaces 01. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mikrobauteil (02) mit einer nanostrukturierten Silizium-Oberfläche (01), welches zumindest abschnittsweise eine Vielzahl von an der nanostrukturierten Oberfläche statistisch gleichverteilten keilförmigen Nanoobjekten (03) aufweist. Die Nanoobjekte erstrecken sich ausgehend von der Oberfläche im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche und sind im Wesentlichen gleichmäßig geformt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mikrobauteils (02), wobei zyklisch ein Siliziumoberfläche geätzt wird und nachfolgend eine Passivierungsschicht auf der geätzten Siliziumoberfläche abgeschieden wird. Schließlich betrifft die Erfindung eine Verbindungsanordnung bestehend aus mindestens zwei Mikrobauteilen (02), die jeweils eine nanostrukturierte Siliziumoberfläche (01) mit einer Vielzahl von statistisch gleichverteilten keilförmigen Nanoobjekten (03) besitzen, wobei zur Herstellung der Verbindüng die nanostrukturierten Siliziumoberflächen (01) der Mikrobauteile (02) einander gegenüberliegend positioniert und durch Ausüben einer Fügekraft (06) zusammengedrückt werden.

Description

Mikrobauteil mit nanostrukturierter Siliziumoberfläche, Verfahren zu seiner Herstellung sowie Verbindungsanordnung aus solchen Mikrobauteilen
Die Erfindung betrifft ein Mikrobauteil, das eine nanostruk- turierte Siliziumoberfläche aufweist, eine mechanische Verbindung mehrerer solcher Mikrobauteile untereinander und ein Verfahren zur Herstellung der nanostrukturierten Siliziumoberflächen .
Mikrobauteile sind Produkte der Mikrotechnik und umfassen Elemente der Mikroelektronik, Mikromechanik und Mikrooptik. Zu den Mikrobauteilen gehören u.a. Halbleiterschaltkreise, integrierte optische und optoelektronische Systeme, Sensoren aus Silizium, Mikrodüsen, Mikroaktoren, stark miniaturisierte mechanische, elektrische und optische Verbindungen und Schal¬ ter. Alle Mikrobauteile zeichnen sich durch extrem kleine Abmessungen im Mikro- und Nanometer-Bereich, sowie durch integrierten Aufbau und durch ihre Anpassung an einen stark geforderten Systemgedanken aus.
Eine sehr große Zahl der Mikrobauteile wird in Siliziumtech¬ nik gefertigt, insbesondere wegen der herausragenden Eigenschaften, wie geringste Dämpfung, Ermüdungsfreiheit, höchste Kristallreinheit, durch Dotierung bestimmbare Leitfähigkeit, vielfältige Ätz- und Beschichtungsfähigkeit .
Aufgrund des stetig steigenden Bedarfes an immer komplexeren Lösungen in der Mikrosystemtechnik wachsen auch die technologischen Anforderungen an die zu verwendenden Mikrobauteile. Insbesondere das Positionieren und Fügen dieser Mikrobauteile stellt in diesem Zusammenhang eine große Herausforderung dar. Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren, sowohl zur Herstellung, als auch der Positionierung und des Fügens von Mikrobauteilen bekannt, wobei zwischen form-, Stoff- und kraftschlüssigen Verbindungen zweier Mikrobauteile unter¬ schieden wird.
Eine bisher bekannte Verbindung von Mikrobauteilen mit Hilfe von formschlüssigen Konturen, wie z.B. Gruben und Stege oder Gruben und Kugeln ist durch vordefinierte, nicht veränderbare Positionen beschränkt, wobei zur Herstellung einer form¬ schlüssigen Verbindung zwischen diesen Mikrobauteilen meist eine dauerhafte zusätzliche Kraftkomponente (z. B. die Schwerkraft oder Kräfte durch Verspannungselemente) erforder¬ lich ist.
Stoffschlüssige Verbindungen von Mikrobauteilen werden bisher durch Bonden, Kleben und Ansprengen mittels verschiedener Oberflächeneffekte realisiert, wobei mit einem hohen techni¬ schen Aufwand dauerhafte, nicht lösbare Verbindungen entste¬ hen .
Kraftschlüssige Verbindungen, bei denen durch Klemmen oder Schrauben mit zusätzlichen Hilfselementen verschiedene Bau¬ teile verbunden werden, sind bisher nur schwer oder gar nicht in die Mikrosystemtechnik integrierbar.
Des Weiteren sind im Stand der Technik kombinierte Verfahren mit Form- und Kraftschluss zur Verbindung von Mikrobauteilen bekannt .
So wird z.B. in der WO 99/40812 ein Nano-Klettverschluss beschrieben. Hierbei werden auf den Oberflächen der zu verbindenden Mikrobauteile nanoskalige Befestigungselemente (Nanotubes) abgeschieden bzw. hergestellt. Diese können gerade bzw. an einer oder mehreren Stellen gebogen oder abgewinkelt sein. Wenn die Oberflächen der Mikrobauteile miteinander in Kontakt gebracht werden, verhaken sich diese Nanotubes und es entsteht ein Nano-Klettverschluss . Dabei wirkt sich jedoch der hohe technologische Aufwand zur Herstellung dieser Nanotubes nachteilig aus. Des weiteren ist es sehr schwierig, große Flächen mit einer homogenen Verteilung dieser Nanostrukturen zu realisieren und somit verwertbare Verbindungsflächen für Mikrosysteme zu erzeugen.
Mikrobauteile können auch unter Ausnutzung der Adhäsionskräfte miteinander verbunden werden. So wird in der WO 03/099951 z.B. eine mikrostrukturierte Oberfläche mit gesteigerter Adhäsion beschrieben. Es werden Strukturen vorgeschlagen, die definierte Nachgiebigkeiten durch Aufteilung der gesamten Oberfläche in viele einzelne Elemente erzeugen und damit eine großflächige, innige Berührung von zwei Oberflächen realisieren. Die erzeugten Strukturen greifen nicht ineinander und eine mechanische Verankerung zwischen den Mikrobauteilen findet nicht statt. Die Haftverbindung wird ausschließlich durch die van-der-Waals-Kräfte vermittelt. Nachteilig wirkt sich bei diesem Füge- bzw. Kontaktverfahren die Veränderung der Fügestelle durch z.B. Temperatureinwirkung, Luftfeuchtigkeit und andere Umwelteinflüsse aus. Daraus resultiert eine reduzierte Haftkraft sowie deren zeitliche Änderung. Dies kann teilweise zum totalen Ausfall der Verbindung führen .
Die US 2004/0250950 Al beschreibt ein ähnliches Verfahren zur Erhöhung der Haftkraft zwischen zwei oder mehr Oberflächen durch die Verwendung von Nanofasern und Nanofaserstrukturen . Dabei wird eine Schicht mit Nanofasern zwischen die zu verbindenden Oberflächen gebracht. Die dabei auftretenden Haftkräfte zwischen den Oberflächen sind stärker, als die van-der-Waals-Kräfte zwischen den Oberflächen ohne das Vorhandensein der Nanofasern dazwischen. Die Nanofasern werden auf eine der beiden zu verbindenden Oberflächen "aufgewachsen" .
Aus der EP 1 114 791 A2 ist es bekannt, insbesondere zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften, eine Mikrostruk¬ tur aus Silizium, Wolfram, Molybdän oder Diamant mit einer rauen Oberflächenstruktur herzustellen. Dazu wird die Mikro¬ struktur zunächst mit einem Kohlenstoff-Polymer beschichtet, diese Schicht wird dann durch ein Ätzverfahren (Trocken- oder Plasmaätzen) wieder abgetragen. Die lokale Ätzrate bei der Abtragung der Polymerschicht und der Abtragung der Mikro- strukturoberflache wird durch die Verwendung eines Gasgemi¬ sches aus Sauerstoff als Hauptkomponente und einer Fluor¬ oder Chlorgas-Komponente variiert . Die Oberflächenrauheit der Mikrostruktur kann durch die Wahl verschiedener Ätzraten zwischen der Mikrostruktur und der Polymerschicht beeinflusst werden. Das geschieht insbesondere durch die Einstellung der Plasma-Leistung, des Sauerstoffgehaltes im Gas oder des Prozessdruckes .
Die WO 01/48795 A2 beschreibt einen Trockenätzprozess für Silizium. In dem dort beschriebenen Prozess wird besonderer Wert auf die Verhinderung der Silizium-Spikes, des so genann¬ ten "black Silicon", gelegt.
Unter nanostrukturierten Oberflächen sind Geometrien an der Oberfläche von Substraten oder Mikrobauteilen zu verstehen, deren laterale und vertikale Abmessungen im Bereich von eini¬ gen 10 μm bis einigen 10 nm liegen.
Mikrobauteile aus Silizium werden nach dem Stand der Technik mit Hilfe verschiedener Ätzverfahren hergestellt, wobei das Trocken- oder Plasmaätzen (Reaktives-Ionen-Ätzen - engl. Abk. RIE) den nasschemischen Ätzverfahren aufgrund von technologi¬ schen Vorteilen und der zunehmenden Verfügbarkeit von geeig¬ neten Plasmaanlagen vorgezogen wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Mikrobauteil mit einer nanostrukturierten Siliziumoberfläche bereitzustel¬ len, welches auf eine sehr einfache Weise ein Zusammenfügen bzw. Verbinden mehrerer solcher Mikrobauteile ermöglicht, wobei diese dabei in Abhängigkeit von den technologischen Anforderungen beliebig zueinander positioniert werden können und die erzeugte Verbindung dauerhaft oder zumindest zeit¬ weise mechanisch stabil sein soll. Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung einer nanostrukturierten Siliziumoberfläche auf einem Mikrobauteil bereitzustellen. Schließlich soll die Erfindung eine Verbindungsanordnung unter Verwendung der nanostrukturierten Mikrobauteile ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Mikrobauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren zur Herstellung dessen Oberfläche gemäß Anspruch 8 und eine Verbindungsanordnung zur mechanischen Verbindung mehrerer Mikrobauteile gemäß Anspruch 16 gelöst.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass zum Herstellen der nanostrukturierten Oberfläche des Mikrobauteils der bisher bekannte und verwendete technologi- sche Herstellungsprozess (Ätzprozess) für Mikrobauteile in Silziumtechnik verwendet wird und keine zusätzlichen Schritte oder Materialien im allgemeinen Fertigungsprozess für Silizi- umwafer oder anderer Silizium-Mikrobauteile erfordert. Als besonders vorteilhaft hat sich weiterhin erwiesen, dass die erzeugten Nanostrukturen auf der Oberfläche des Mikrobauteils besonders gleichförmig und gleichmäßig verteilt sind, wodurch ein Zusammenfügen der Oberflächen an jeder beliebigen Posi¬ tion der nanostrukturierten Oberfläche erfolgen kann. Durch eine entsprechende Steuerung des Ätzprozesses können die mechanischen Oberflächeneigenschaften entsprechend der jewei¬ ligen Erfordernisse einfach angepasst werden.
Erfindungsgemäß wird das im Stand der Technik bekannte Plasma- oder Trockenätzverfahren modifiziert und die eigent¬ lich in der Siliziumtechnik unerwünschte Bildung des „Black Silicon" ausgenutzt. Es wurde nämlich erkannt, dass die auf diese Weise erzeugbaren nanostrukturierten Siliziumoberflä¬ chen aufgrund ihrer mechanischen Oberflächeneigenschaften hervorragend dafür geeignet sind, die Mikrobauteile aneinan¬ der zu befestigen bzw. zusammenzufügen.
Die mithilfe der nanostrukturierten Oberflächen aufzubauenden Verbindungsanordnungen können beispielsweise zur einfachen Fixierung von Kleinbauteilen vor dem Kleben, zur Halterung von dünnen Wafern in der Fertigung, zur Verbindung von Mikrofluidsystemen für Bio-MEMS, zum Aufbau optischer Bänke u.a. nach dem Baukastenprinzip angewendet werden. Weitere Anwendungsgebiete in diesem Bereich wird der Fachmann leicht erkennen .
Bereits im normalen Herstellungsprozess der Mikrobauteile können diese abschnittsweise oder großflächig mit der nanostrukturierten Oberfläche versehen werden, wenn für deren weitere Verarbeitung ein Zusammenfügen mit weiteren gleichartigen Komponenten erforderlich ist.
Weiterhin können Werkzeuge der Mikrosystemtechnik mit einer erfindungsgemäßen nanostrukturierten Oberfläche versehen werden, um beispielsweise in der Fertigung Haltefunktionen ausüben zu können.
Beim Plasma- oder Trockenätzen am Silizium erfolgt der Ätzangriff zum einen durch reaktive Gasradikale (chemischer Anteil) und zum anderen durch ein Bombardement mit positiven, energiereichen Ionen (physikalischer Anteil) . Durch das permanente Bombardement des geerdeten Substrates mit Ionen wird dessen Oberfläche mechanisch angegriffen und damit gleichzeitig dem chemischen Angriff ätzaktiver Gasradikale zugänglich gemacht. Als Ätzgase werden Schwefelhexafluorid (SF5) und Sauerstoff (O2) verwendet.
Der überwiegend isotrop ablaufende Ätzprozess wird normalerweise in regelmäßigen zyklischen Abständen durch Passivie- rungsphasen unterbrochen, um tiefe Gräben mit möglichst senkrechten Seitenwänden im Strukturierungsprozess erzeugen zu können. In der Passivierungsphase wird unter Zuführung eines Passivierungsgases (meist Octafluorcyclobutan C4F8) auf der Siliziumoberfläche durch Ablagerung von Flour-Kohlenstoff- Verbindungen eine wenige Nanometer dicke Passivierungsschicht (polymere FC-Schicht) abgeschieden und im nachfolgenden Ätzprozess mit dem Silizium wieder mit abgetragen. Zusätzlich tragen die während des Siliziumabtrags im Ätzschritt entstehenden Reaktionsprodukte zur Ablagerung von SiOxFy auf den Seitenwänden bei und unterstützen damit den Passivierungsvor- gang. Teilweise verbleiben an Stellen mit physikalischem Angriff (also im Wesentlichen an waagerecht liegenden Flächen, Grabenboden, Waferoberfläche) Reste der Passivierungsschicht , welche auch als Mikromaske bezeichnet werden, auf dem Wafer, wodurch im weiteren Ätzprozess die eigentlich unerwünschten Spikes oder Spitzen, das "black Silicon" entstehen.
Erfindungsgemäß wird nun zur Erzeugung der nanostrukturierten Oberfläche nach der eigentlichen Herstellung des Mikrobau- teils durch den prinzipiell gleichen Ätzvorgang und eventuell verschiedener Beschichtungsvorgänge zwischen den Ätzphasen - also am eigentlich fertigen Mikrobauteil ein nachfolgender Ätzprozess angeschlossen, welcher so modifiziert ist, dass sich das sensible Verhältnis zwischen dem Ätzen und dem Passivieren zugunsten der Passivierung bzw. der Mikromaskie- rung verschiebt.
Durch hochgradig zyklische Wiederholungen der Ätz- und Passi- vierungsphasen und eine Einstellung des Prozesses zugunsten der Passivierungsphasen wird erreicht, dass die Passivie¬ rungsschicht bzw. Mikromaske, die zuvor während des Passivie- rungszyklus abgeschieden wurde, nur unvollständig geätzt wird, wodurch Reste dieser Passivierungsschicht auf der Sili¬ ziumoberfläche verbleiben. In der folgenden Passivierungs- phase fungieren diese Reste wiederum als Maskierung für die folgende Ätzphase. In der Folge der ständigen Wiederholung von Ätz- und Passivierungsphase bilden sich mit zunehmender Dauer dieses Prozesses an den Stellen, an denen Reste der Passivierungsschicht die Siliziumoberflächen maskieren, Mikromaskierungspunkte . Haben die Mikromaskierungen eine überkritische Größe so wirken sie dauerhaft als Maskierung und unter diesen Punkten bilden sich im weiteren Verlauf der zyklischen Ätz- und Passivierungsphasen keilförmige Nanoob- jekte .
Mit einer gezielten Wahl der Parameter beim Ätzprozess können die geometrischen Abmaße der keilförmigen Nanoobjekte (Dichte, Keilwinkel, Länge und Oberflächenkontur) den techno¬ logischen Erfordernissen, wie z.B. der erforderlichen Haft¬ kraft, angepasst werden. Damit kann auch der Anteil des Kraftschlusses bei der Verbindung mehrerer solcher Mikrobau- teile und somit die Selbsthaltung der Verbindung eingestellt werden .
Bei dem eigentlichen Ätzprozess lässt sich zur Veränderung der Nanoparameter die Dauer der Ätzphasen und die Dauer der Passivierungsphasen einstellen, wodurch die Oberfläche der Nanoobjekte bestimmt werden kann. Dabei wird vorzugsweise die Passivierungsphase verlängert und die Ätzphase verkürzt.
Es ist ebenso möglich, über die kapazitiv eingekoppelte Hoch¬ frequenzleistung an die Substratelektrode beim Ätzzyklus Einfluss auf die Passivierungsphase zu nehmen. Verringert man nämlich die kapazitiv eingekoppelte Leistung unter einen bestimmten Bereich, wird die Passivierung ebenfalls nicht vollständig abgetragen, wodurch die Reste wiederum als Selbstmaskierung wirken, was dann zur Bildung der Nanoobjekte führt .
Weiterhin kann die Menge und der Druck des Ätzgases und des Passivierungsgases in den verschiedenen Phasen unterschied¬ lich eingestellt werden. Über die Verringerung der Gasflüsse beim Ätzen wird eine geringere Anzahl Ionen bereitgestellt, die die Passivierungsschicht physikalisch abtragen können. Außerdem ist es möglich auch ohne Sauerstoff als Prozessgas beim Ätzzyklus zu arbeiten.
Die Dauer des gesamten Ätz- und Passivierungsprozesses bestimmt letztendlich die Höhe bzw. Länge der einzelnen Nanoobjekte .
Die folgende Tabelle zeigt beispielhaft typische Ätzparameter für die Erzeugung der erfindungsgemäßen Oberflächen:
Figure imgf000012_0001
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer nanostruktu- rierten Siliziumoberfläche;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Verbindungs¬ anordnung aus zwei nanostrukturierten Siliziumoberflächen in zwei Phasen; Fig. 3 eine mikroskopische Aufnahme zweier miteinander verbundener Mikrobauteile mit nanostrukturierter Siliziumoberfläche;
Fig. 4 eine mikroskopische Aufnahme eines Querschnittes zweier miteinander verbundener Mikrobauteile mit nanostrukturierten Siliziumoberflächen .
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungs¬ gemäßen nanostrukturierten Siliziumoberfläche Ol eines Mikro- bauteils 02. Das Mikrobauteil 02 weist an seiner Oberfläche statistisch gleichmäßig verteilte und im Wesentlichen gleich¬ förmige Nanoobjekte 03 auf. Die Nanoobjekte 03 selbst weisen an ihrer Oberfläche rippenartige Konturen 04 auf, die durch den wiederholten Wechsel zwischen Passivierungs- und Ätzpha¬ sen entstehen.
Die Größe der Rippen auf den Konturen 04 ist abhängig von der Zykluszeit der Ätzphase und die Anzahl der Rippen von der Dauer des Gesamtprozesses.
Die geometrischen Abmaße der Nanoobjekte 03 sind im Wesentli¬ chen von den einstellbaren Faktoren Dauer des Ätzprozesses, Dauer der Ätz- und Passivierungsphasen, Menge und Druck des Ätz- und Passivierungsgases abhängig, wobei ihre Länge 1 vorzugsweise kleiner als 100 μm, typischerweise etwa 15 bis 25μm ist und ihr Fußdurchmesser d kleiner als 10, vorzugs¬ weise kleiner als 5 μm ist. Demnach ist ihr Aspektverhältnis (1/d) vorzugsweise größer als 1.
Jedes keilförmige Nanoobjekt 03 bildet somit einen Nano- Kegel, dessen Grundfläche auf der Oberfläche des Mikroobjekts steht und dessen Objektachse 05 im Wesentlichen senkrecht zu dieser Oberfläche verläuft.
Die keilförmigen Nanoobjekte 03 weisen einen Keilwinkel α von weniger als 20°, vorzugsweise weniger als 10°, auf und ihre Verteilung über die gesamte nanostrukturierte Oberfläche ist nahezu konstant.
Der Abstand x zwischen den Objektachsen 05 der Nanoobjekte 03 und somit die Dichte ihrer Verteilung ist größer oder gleich dem Fußdurchmesser d.
In Fig. 2 ist der Vorgang des Zusammenfügens zweier Mikrobau- teile 02 mit nanostrukturierten Siliziumoberflächen 01 schematisch in zwei Phasen (Abbildungen a und b) dargestellt.
Eine dauerhafte oder zeitlich begrenzte Verbindung zweier oder mehrerer Mikrobauteile 02, die jeweils mindestens eine dieser erfindungsgemäßen nanostrukturierten Siliziumoberflä¬ che 01 aufweisen, entsteht, wenn diese nanostrukturierten Siliziumoberflächen 01 an der gewünschten Stelle derart gegenüberliegend positioniert werden, dass die verjüngten Enden der keilförmigen Nanoobjekte einander zugewandt sind (Abb. a) . Durch das Einprägen einer Fügekraft 06 unter gerin¬ gem Druck werden sie anschließend miteinander in Kontakt gebracht. Dabei gleiten die keilförmigen Nanoobjekte 03 ineinander, wie es in Abb. b dargestellt ist.
Selbstverständlich können Mikrobauteile auch lediglich Abschnitte aufweisen, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nanostrukturiert sind. Zum Verbinden müssen dann die entsprechenden Bereiche übereinander positioniert werden. Durch die statistisch gleichmäßige Verteilung der keilförmi¬ gen Nanoobjekte 03 auf der Oberfläche kann eine Verbindung der Mikrobauteile 01 an beliebigen Positionen zueinander in der Verbindungsebene realisiert werden.
Des Weiteren kann durch asymmetrisch eingeprägte Fügekräfte eine Ausrichtung beider Bauelemente in z-Richtung sowie in zwei in der Ebene liegende Drehachsen erfolgen. Der Positio¬ nierungsspielraum wird dabei durch die Länge 1 der keilförmi¬ gen Nanoobjekte 03 begrenzt.
Mit fortschreitender Überlappung der Konturen 04 der keilför¬ migen Nanoobjekte 03 entsteht ein zunehmender Kraftschluss durch bekannte Oberflächeneffekte. Diese bestehen aus Adhä¬ sion, Formschluss der Substrukturen und Konturen 04 an den Wänden der keilförmigen Nanoobjekte 03 im nm-Bereich, elasti¬ scher Verformung der keilförmigen Nanoobjekte 03 und der daraus resultierenden zunehmenden Reibkräfte.
Es konnten in Versuchen Verbindungskräfte von bis zu 380 N/cm2 gemessen werden.
Da die Verbindung dieser Mikrobauteile bis zu bestimmten Kraftgrenzen (Selbsthaltekraft) in bestimmten Einbaulagen dauerhaft ist, kann sie auch durch Aufbringen einer diese Selbsthaltekraft übersteigenden Lösekraft jederzeit wieder aufgehoben werden.
Es liegt selbstverständlich auch im Bereich der Erfindung, dass mit einem Klebstoff oder einem die Adhäsion fördernden Polymer die Verbindung dieser Mikrobauteile dauerhaft und nicht lösbar hergestellt werden kann. Der Klebstoff kann dabei durch Kapillarkräfte oder in Dampfform über Diffusionsprozesse in die Fügestelle eindringen.
Ebenso liegt es im Bereich der Erfindung, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Mikrobauteilen hergestellt wird. Dazu wird zunächst eine Metallisierungsschicht auf die nanostrukturierte Oberfläche der Mikrobauteile aufgebracht. Nach dem Zusammenfügen der Oberflächen der Bauteile erfolgt durch einen Temperaturprozess eine Legierung der Metallisierungsschicht mit dem Silizium, wodurch die Stoffschlüssige Verbindung entsteht.
Vorteilhafterweise kann mit der Metallisierungsschicht, welche vollflächig oder wiederum strukturiert ausgeführt sein kann, auf der nanostrukturierten Oberfläche abschnittsweise oder vollflächig eine elektrische Verbindung zwischen den Mikrobauteilen hergestellt werden.
Fig. 3 zeigt eine mikroskopische Aufnahme zweier auf erfindungsgemäße Weise miteinander verbundener Wafer 07, 08 welche jeweils mit einer nanostrukturierten Siliziumoberfläche 01 versehen sind.
In Fig. 4 ist eine mikroskopische Querschnittsdarstellung der in Fig. 3 gezeigten Verbindung abgebildet. Die Wafer 07, 08 sind mit der nanostrukturierten Siliziumoberfläche 01 gegenüberliegend zusammengefügt. Die einzelnen Nanoobjekte 03 und deren formschlüssiges Ineinandergreifen ist zu erkennen. Der abgebildete Maßstab 09 (lOμm) vermittelt einen Eindruck über die realen Größenverhältnisse der nanostrukturierten Siliziumoberflächen 01. Bezugszeichenliste
Ol nanostrukturierte Siliziumoberfläche
02 Mikrobauteil
03 Nanoobjekt
04 Kontur
05 Objektachse
06 Fügekraft
07 Wafer
08 Wafer
09 Maßstab

Claims

Patentansprüche
1. Mikrobauteil (02) mit einer nanostrukturierten Silizium- Oberfläche (01), dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest abschnittsweise eine Vielzahl von an der nanostrukturierten Oberfläche statistisch gleichverteilten keilförmigen Nanoobjekten (03) aufweist, welche sich ausgehend von der Oberfläche im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche erstrecken und im Wesentlichen gleichmäßig geformt sind.
2. Mikrobauteil (02) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keilförmigen Nanoobjekte (03) eine rippenartige Kontur (04) auf ihren Seitenflächen aufweisen.
3. Mikrobauteil (02) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Nanoobjekte (03) eine Länge 1 von klei¬ ner als lOOμm, vorzugsweise von 15 bis 25 μm, und einen Durchmesser d von kleiner als 5μm, vorzugsweise von 300 bis 1000 nm aufweisen.
4. Mikrobauteil (02) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoobjekte (03) in einem Abstand a ihrer Objekt¬ achsen (05) voneinander angeordnet sind, wobei a >= d ist.
5. Mikrobauteil (02) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoobjekte (03) einen Keilwinkel α von kleiner als 20°, vorzugsweise kleiner als 10°, aufweisen.
6. Mikrobauteil (02) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Oberfläche nano- strukturiert ist.
7. Mikrobauteil (02) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierte Ober¬ fläche (01) metallisiert ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Mikrobauteils (02) mit einer nanostrukturierten Oberfläche (01), die folgenden Schritte umfassend: a) Bereitstellen eines Mikrobauteils mit einer Siliziumoberfläche b) Ätzen der Siliziumoberfläche in einer Ätzphase, c) Abscheiden einer Passivierungsschicht auf der geätzten Siliziumoberfläche in einer Passivierungsphase, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte b) und c) zyklisch wiederholt werden, wobei in der jeweils auf eine Passivierungsphase folgenden Ätzphase die zuvor entstandene Passivierungsschicht nur unvollständig entfernt wird, bis auf der Siliziumoberfläche durch Mikrorαaskierung und die dadurch entstehende Abbildung dieser Elemente in die Tiefe des Siliziums keilförmige Nanoobjekte (03) entstanden sind.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen durch ein Trockenätzverfahren erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Ätzphasen und die Dauer der Passivie- rungsphasen separat einstellbar sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Ätzphasen kleiner oder gleich groß der Dauer der Passivierungsphasen ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzphase 7 bis 9 Sekunden und die Passivierungsphase 9 bis 15 Sekunden lang ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte b) und c) in mehreren hundert Zyklen wiederholt werden, wobei die Anzahl der Zyklen die Abmaße der Nanoobjekte entscheidend mitbe¬ stimmt .
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung des ersten Ätzschrittes eine Maske aufgetragen wird, die einen nicht mit einer Oberflächenstruktur zu versehenden Bereich abdeckt .
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierte Oberfläche (Ol) mit einer Metallisierung versehen wird.
16. Verbindungsanordnung bestehend aus mindestens zwei Mikro- bauteilen (02), die jeweils eine nanostrukturierte Sili¬ ziumoberfläche (01) mit einer Vielzahl von statistisch gleichverteilten keilförmigen Nanoobjekten (03) besitzen, welche sich ausgehend von der Oberfläche im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche erstrecken und im Wesentlichen gleichmäßig geformt sind; wobei zur Herstellung der Verbindung die nanostrukturierten Siliziumoberflächen
(01) der Mikrobauteile (02) einander gegenüberliegend positioniert und durch Ausüben einer Fügekraft (06) zusammengedrückt werden, so dass die Nanoobjekte (03) des einen Mikroobjekts in die zwischen den Nanoobjekten (03) des anderen Mikroobjekts verbleibenden Lücken eingescho- ben werden und die Seitenflächen der sich gegenüberlie¬ genden Nanoobjekte aneinander zur Anlage kommen.
17. Verbindungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekenn- zeichnet, dass beide Mikrobauteile (02) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 gestaltet sind.
18. Verbindungsanordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen den Mikro- bauteilen (02) durch Einprägen einer Zugkraft lösbar ist.
19. Verbindungsanordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen den Mikro- bauteilen (02) unlösbar gestaltet wird, indem vor dem Ausüben der Fügekraft (06) ein Klebstoff oder ein die Adhäsion erhöhendes Polymer zwischen die nanostrukturier- ten Oberflächen (01) eingebracht wird.
20. Verbindungsanordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen den Mikro- bauteilen (02) stoffschlüssig gestaltet wird, indem eine Metallisierung auf die nanostrukturierte Oberfläche (01) vor dem Ausüben der Fügekraft (06) aufgebracht wird und eine Legierung der Metallisierung mit dem Silizium in einem Temperaturprozess nach dem Ausüben der Fügekraft
(06) erfolgt.
21. Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch Beschichtung der beiden nanostrukturierten Siliziumoberflächen (01) vor dem Fügen mit einer Metallisierung elektrisch leitfähig ausgeführt ist.
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