-
Technischer Bereich der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung einer Nutzschicht,
die zunächst
mittels einer Opferschicht mit einer ein Substrat bildenden Schicht verbunden
ist, Verfahren, das folgende Schritte umfasst:
- – ein zumindest
partielles Ätzen
der Opferschicht,
- – vor
dem Ätzen
der Opferschicht die Dotierung mindestens eines Teils der Fläche mindestens
einer der Schichten, die in Kontakt sind mit der Opferschicht, und
- – nach
dem Ätzen
der Opferschicht ein Schritt, in dem ein Oberflächenätzen der genannten Fläche vorgenommen
wird, um die Rauheit des dotierten Bereichs der Fläche zu erhöhen.
-
Stand der Technik
-
Bestimmte
Bauteile aus der Mikromechanik, beispielsweise Aktuatoren oder Beschleunigungsmesser,
umfassen eine aufgehängte
Nutzschicht, die durch Fixierungsmittel mit einem Substrat verbunden ist.
Der Abstand zwischen der Nutzschicht und dem Substrat kann in der
Größenordnung
eines Mikrons oder darunter liegen. In diesem Fall wird das Bauteil in
der Regel mittels einer Opferschicht hergestellt, wodurch der Abstand
zwischen der Nutzschicht und dem Substrat kontrolliert werden kann.
Wie in 1 dargestellt ist die Nutzschicht 1 zunächst durch
die Opferschicht 2 mit einer Schicht verbunden, die ein Substrat 3 bildet.
Während
des Herstellungsverfahrens wird die Opferschicht 2 zumindest
teilweise geätzt,
um einen aufgehängten
Aufbau zu erhalten.
-
Das Ätzen erfolgt
in der Regel auf flüssigem chemischen
Weg, gefolgt eventuell von einem Spülen. Nach dem Ätzen und
Spülen
wird das Bauteil getrocknet und können kapil lare Kräfte die
Nutzschicht 1 dem Substrat 3 näher stellen und so das Verkleben ihrer
entgegengesetzten Seiten 4 und 5 nach sich ziehen,
wodurch das Bauteil unbenutzbar wird. Ebenso können andere Kräfte, beispielsweise
elektrostatische Kräfte
oder Van der Waals-Kräfte,
zu einem Verkleben der Seiten 4 und 5 führen.
-
In
2 wird
ein Verkleben der Seiten
4 und
5 durch Anschläge
6 und
7 verhindert,
die jeweils fest mit den Seiten
4 und
5 verbunden
sind und die beiden Seiten
4 und
5 voneinander
beabstandet halten. Das Dokument
US5750420 beschreibt
ein Herstellungsverfahren für
einen solchen Aufbau, bei dem die Nutzschicht
1 von dem
Substrat
3 durch Anschläge
6 und
7 beabstandet
gehalten wird. Es umfasst ein partielles Ätzen der Opferschicht
2,
sodass ein Abstandshalter
8 mit einer Breite von etwa einem
Mikron erhalten bleibt, dann ein partielles Ätzen der Nutzschicht
1 zur
Bildung der Anschläge
6 und
7 und schließlich ein Ätzen zum
Entfernen des Abstandshalters
8. Dieses Verfahren erfordert
somit drei Ätzschritte,
von denen der erste schwer zu kontrollieren ist. Die Anordnung des
Abstandshalters
8 und somit der Anschläge wird durch Ätzfronten
bestimmt, die sich von seitlichen Öffnungen
11 aus ausbreiten.
-
Der
Artikel "The effect
of release-etch processing on surface microstructure stiction" von R. L. Alley
et al. (Solid-State Sensor and Actuator Workshop, 5th technical
digest, 22. Juni 1992, S. 202–207) beschreibt
ein Verfahren zur Trennung von Mirostrukturen durch Ätzen und
erwähnt,
dass die Oberflächenrauheit
zur verstärkten
Trennung zwischen den Flächen
beiträgt.
Ein aufgehängter
Aufbau, der zunächst
mittels einer Opferschicht mit einem stark dotierten Substrat verbunden
ist, wird durch Ätzen
der Opferschicht getrennt, beispielsweise unter Verwendung von Fluorwasserstoffsäure. Das
Substrat kann aus einem n-dotierten Material oder einem p-dotierten
Material hergestellt werden, beispielsweise mit einem Verfahren,
das B2O2 einsetzt.
Der aufgehängte Aufbau
umfasst eine Schicht aus während
einer Stunde auf 1050°C
mit Stickstoff dotiertem Polysilizium. Nach dem Ätzen der Opferschicht ist das
n-dotierte Polysilizium wesentlicher rauer als ein in einem Vergleichstest
verwendetes amorphes Material.
-
Das
Dokument
US6004832 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung einer auf einem leitenden Substrat
aufgehängten
Nitridschicht. Die Nitridschicht wird zunächst auf eine partiell geätzte Isolierschicht
aufgebracht. Anschließend
wird die Oberfläche
des Substrats, das aus einem hochdotierten Material besteht, auf
chemischem Weg aufgeraut, beispielsweise durch Verwendung von Kaliumhydroxid (KOH).
-
Gegenstand der Erfindung
-
Die
Erfindung will den Nachteilen der bekannten Verfahren abhelfen und
insbesondere das Verkleben der Nutzschicht mit dem Substrat verhindern
und gleichzeitig das Herstellungsverfahren vereinfachen.
-
Nach
der Erfindung wird dieses Ziel durch die anhängenden Ansprüche und
besonders dadurch erreicht, dass das Verfahren vor dem Dotieren
das Aufbringen einer Maske auf mindestens einen vorbestimmten Teil
der Nutzschicht umfasst, sodass mindestens ein dotierter und ein
nichtdotierter Bereich der genannten Fläche entstehen, wobei einer
dieser Bereiche nach dem Oberflächenätzen einen
Anschlag bildet.
-
Die
Erfindung hat ferner ein Bauteil zum Gegenstand, das eine aufgehängte Nutzschicht
umfasst, die durch Fixierungsmittel mit einem Substrat verbunden
ist, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es mittels eines Verfahrens
nach der Erfindung hergestellt wird.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Weitere
Vorteile und Merkmale gehen klarer aus der nachfolgenden Beschreibung
besonderer Ausführungsformen
der Erfindung hervor, die beispielhaft und nicht einschränkend gegeben
und in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, in denen:
-
die 1 und 2 ein
Bauteil nach dem Stand der Technik darstellen, und zwar jeweils
vor und nach dem Ätzen
der Opferschicht;
-
die 3 und 4 Dotierungsschritte
einer besonderen Ausführungsform
eines Verfahrens nach der Erfindung darstellen;
-
5 einen
Epitaxieschritt einer besonderen Ausführungsform eines Verfahrens
nach der Erfindung darstellt;
-
die 6 bis 8 unterschiedliche Ätzschritte
einer besonderen Ausführungsform
eines Verfahrens nach der Erfindung darstellen.
-
Beschreibung besonderer Ausführungsformen
-
In 3 ist
die Nutzschicht 1 aus Silizium über die Opferschicht 2 aus
Siliziumdioxid zunächst mit
der Schicht 3 verbunden, die das Siliziumsubstrat bildet.
Wie in 3 durch die Pfeile dargestellt, besteht ein erster
Schritt eines Verfahrens zur Trennung der Nutzschicht 1 in
der Dotierung der Unterseite 4 der Nutzschicht 1,
die in Kontakt mit der Opferschicht 2 angeordnet ist. Die
Dotierung erfolgt durch die Nutzschicht 1 hindurch.
-
Die
dotierte Siliziumfläche
hat die Eigenschaft, schneller geätzt werden zu können als
eine nichtdotierte Siliziumfläche,
noch dazu mit größerer Rauheit.
So wird nach dem vollständigen
Wegätzen der
Opferschicht durch einen Schritt der Oberflächenätzung der Seite 4 die
Rauheit des dotierten Bereichs der Fläche erhöht (8), wodurch
die Haftungskräfte
zwischen den entgegengesetzten Seiten der Nutzschicht und der das
Substrat bildenden Schicht verringert und so ein Verkleben der Nutzschicht
mit dem Substrat verhindert oder zumindest begrenzt wird.
-
Bei
der in 3 dargestellten Ausführungsform wird vor der Dotierung
auf einen mittleren Bereich der Oberfläche der Nutzschicht 1 eine
Maske 9 aufgebracht. So begrenzt die Maske 9 einen
nichtdotierten Bereich der Unterseite 4 der Nutzschicht 1.
Da dieser nichtdotierte Bereich weniger schnell zu ätzen ist
als die dotierten Bereiche, bildet er am Ende des Verfahrens nach
dem Oberflächenätzen einen
Anschlag 6 (8).
-
In
einem zweiten Dotierungsschritt des Verfahrens, der in 4 dargestellt
ist, kann die Oberseite 5 der Substratschicht 3 teilweise
dotiert werden. Wie vorstehend kann eine Maske 9 einen
zentralen, nichtdotierten Bereich begrenzen.
-
Die
Dotierungsschritte werden vorzugsweise durch Ioneneinpflanzung vorgenommen,
wobei die dotierenden Elemente aus der von Bor, Phosphor und Arsen
gebildeten Gruppe ausgewählt
sind. Die Energie der Ionen bestimmt die Eindringtiefe in das Material
und ermöglicht
so eine selektive Dotierung der Unterseite 4 der Nutzschicht 1 und
der Oberseite 5 der Schicht 3, die das Substrat
bildet. Beispielsweise wird eine Siliziumfläche, die intrinsisch mit Bor
dotiert wurde (p-Dotierung) und eine Resistivität von 1 Ω·cm hat, durch Ioneneinpflanzung
mit einer Energie von 45 keV und einer Dosis von 5 × 1015 Atomen/cm2 auf
einer Dicke von 0,3 μm
mit Bor dotiert, was eine Resistivität von 1,5·10–3 Ω·cm bei
einer Dicke von 0,3 μm
der Unterseite 4 der Nutzschicht 1 ergibt. Eine
Ioneneinpflanzung, die auf die gleiche Art von Silizium durch eine
Nutzschicht 1 aus Silizium einer Dicke von 0,21 μm und eine
Opferschicht 2 aus Silizium von 0,4 μm Dicke hindurch vorgenommen
wird, wird beispielsweise mit einer Energie von 240 keV und einer Dosis
von 2 × 1014 Atomen/cm2 vorgenommen,
was eine Resistivität
von 0,01 Ω·cm auf
einer Dicke von 0,3 μm
der Oberseite 5 der Schicht 3 ergibt, die das Substrat
bildet.
-
Dosen,
Energien und Dotierungsdicken können
an die zu durchquerenden Dicken, an die gewünschte Rauheit, an die gewünschte Ätzselektivität des dotierten
Siliziums bezogen auf das nichtdotierte Silizium und an die zu ätzende Dicke
angepasst werden, die wiederum von der verwendeten Ätzlösung und
der Ätzdauer
abhängt.
Die Resistivität
der dotierten Bereiche ist in der Regel 10- oder 1000-fach so hoch
wie diejenige der nichtdotierten Bereiche, doch kann dieses Verhältnis auch
größer oder
kleiner sein, je nach Art der Dotierung und den verwendeten Ätzlösungen.
-
Darüber hinaus
erreicht man mit einer zu niedrigen Dotierung nicht die gewünschte Rauheit, während das
Material im Falle einer zu hohen Dotierung zu schnell geätzt wird
und die Kontrolle des Ätzens
und der Rauheit so schwieriger ist. Allerdings kann eine zu hohe
Dotierung zum vollständigen
Entfernen des dotierten Bereichs eingesetzt werden.
-
Um
den Wirkungsgrad der Dotierungsschritte zu erhöhen, ist die ursprüngliche
Nutzschicht 1 (3 und 4) vorzugsweise
dünner
als die gewünschte
endgültige
Nutz schicht (5 bis 8). Nach
dem Dotieren kann die Dicke der Nutzschicht 1 so durch
einen Epitaxieschritt erhöht
werden, wie er in 5 dargestellt ist, bei dem in
der Regel das gleiche Material wie das der ursprünglichen Nutzschicht 1 verwendet
wird, d.h. in aller Regel Silizium, allerdings nicht zwingend die
gleiche Art von Dotierung. Die Resistivität der Materialien kann jeweils
durch einen gut geregelten Dotierungsgrad bestimmt werden. Die endgültige Dicke
der endgültigen
Nutzschicht 1 liegt in der Regel bei etwa 20 μm, wobei
die ursprüngliche
Nutzschicht beispielsweise eine Dicke in der Größenordnung von 0,3 μm haben kann.
-
In 6 sind
in die Nutzschicht 1 durch Ätzen vertikale Öffnungen 10 gearbeitet,
um nacheinander das Hindurchfließen der Ätzlösung der Opferschicht 2 und
der Lösung
zum Oberflächenätzen jeweils
der Seiten 4 und 5 der Nutzschicht 1 bzw.
der Substratschicht 3 zu ermöglichen. Geometrie und Anordnung
der Öffnungen 10 ermöglichen
eine Bestimmung der Abmessungen des aufgehängten Teils der Nutzschicht.
Die Nutzschicht 1 ist durch nicht dargestellte Fixierungsmittel
aufgehängt.
-
Die
Opferschicht 2 wird in der Regel durch Ätzen mit Lösungen auf Basis von Fluorwasserstoffsäure entfernt,
wie in 7 dargestellt. Die Oberflächenätzung wird in der Regel mittels
einer Kaliumlösung
und vorzugsweise mittels einer wässrigen
Lösung
vorgenommen, die K2Cr2O7 und HF enthält, beispielsweise der Art <<Secco>>. Die Dicke der geätzten Oberflächenschicht
weist in der Regel Werte von einigen Nanometern bis zu einem Mikron
auf.
-
Wie
in 8 (in stark vergrößerter Ansicht) dargestellt,
erhöht
das Oberflächenätzen der
Unterseite 4 der Nutzschicht 1 und der Oberseite 5 der Substratschicht
die Rauheit der dotierten Bereiche.
-
Eventuell
nichtdotierte Bereiche bleiben flach und werden weniger tief geätzt als
die dotierten Bereiche. So bilden die nichtdotierten Bereiche einander
gegenüberliegend
angeordnete Anschläge 6 und 7,
die die beiden entgegengesetzten Seiten 4 und 5 voneinander
beabstandet halten, wodurch zusammen mit der Rauheit der entgegengesetzten
Seiten 4 und 5 die Gefahr eines Verklebens der
Seiten 4 und 5 noch besser verhindert wird.
-
Im
Allgemeinen enthalten die Unterseite 4 der Nutzschicht 1 und
die Oberseite 5 der das Substrat bildenden Schicht 3 intrinsisch
dotierende Elemente eines vorbestimmten Typs, d.h. eine N- oder P-Dotierung.
Die in den 3 und 4 dargestellte Dotierung
wird mit der gleichen Art von Dotierungselementen vorgenommen, sodass
die nichtdotierten Bereiche (8) am Ende
des Verfahrens die Anschläge 6 und 7 bilden.
Bei einer Ausführungsvariante
kann die Dotierung mittels Dotierungselementen unterschiedlichen
Typs erfolgen. In diesem Fall ist die Dotierungsgeschwindigkeit
in den Bereichen, die mit den Dotierungselementen unterschiedlichen
Typs dotiert wurden, niedriger als in den nichtdotierten Bereichen,
sodass die Anschläge
am Ende des Verfahrens dann von den dotierten Bereichen gebildet
werden.
-
Während bei
der in
7 dargestellten Ausfürungsform die gesamte Opferschicht
nach dem Dotieren und vor dem Oberflächenätzen der Seiten
4 und
5 entfernt
wird, wird die Opferschicht
2 in einer besonderen Ausführungsform
nach dem Dotieren und vor dem Oberflächenätzen nur teilweise geätzt, sodass
zwischen der das Substrat bildenden Schicht
3 und der Nutzschicht
1 mindestens
ein Abstandshalter
8 bestehen bleibt, wie in
2 dargestellt.
Wie in dem Dokument
US5750420 wird
beim Oberflächenätzen der
Seiten
4 und
5 dann der Abstandshalter
8 als
Maske verwendet, um in den Seiten
4 und
5 Anschläge
6 und
7 entstehen
zu lassen. Gleichzeitig erhöht
es die Rauheit der freien dotierten Bereiche der Seiten
4 und/oder
5.
Darüber
hinaus kann nach dem Entfernen des Abstandshalters
8 ein
Schritt des zusätzlichen
Oberflächenätzens der
Seiten
4 und
5 vorgenommen werden, um die Rauheit
der dotierten Oberfläche
der Anschläge
6 und/oder
7 zu
erhöhen. Dadurch
können
Anschläge
mit größeren Abmessungen
als die der flachen Anschläge
hergestellt werden, ohne dass sich die Gefahr des Verkleben erhöht. Auf diese
Weise wird die Kontrolle des partiellen Ätzens der Opferschicht
2 erleichtert,
bei dem der Abstandshalter
8 gebildet wird. Die Kontrolle
der Abmessungen des Abstandshalters ist weniger schwierig als in dem
in dem Dokument
US5750420 beschriebenen Fall,
da die Oberfläche
rau ist.
-
Das
Verfahren ist insbesondere auf dünne Opferschichten 2 aus
SiO2 anwendbar, deren Dicke einige zehn
Nanometer bis einige Mikron und vorzugsweise etwa 400 Nanometer beträgt. Substrate 3 aus
Silizium auf einem Isolator ("silicon
on insulator: SOI")
sind beispielsweise besonders geeignet, insbesondere Substrate,
die durch Trennung durch Sauerstoffimplantation ("separation by implantation
of oxygen: SIMOX")
erhalten wurden und die vorzugsweise eine Oxiddicke von 400 Nanometern
aufweisen, oder Substrate des Typs Unibond®, die
durch das Smart-Cut®-Verfahren erhalten wurden
und vorzugsweise eine Oxiddicke von 1 bis 3 Mikron haben.
-
Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten besonderen Ausführungsformen
beschränkt.
Insbesondere kann die Dotierung nur einer der beiden entgegengesetzten
Seiten 4 und 5 ausreichen, um ein Verkleben derselben
zu verhindern. Die Dotierung beider Flächen ist unter bestimmten Einsatzbedingungen
sinnvoll, beispielsweise bei hohen Querbeschleunigungen oder hohen
Potenzialunterschieden zwischen den beiden Seiten, etc.
-
Darüber hinaus
kann im Falle des Dotierens beider entgegengesetzter Seiten 4 und 5 eine
der beiden Seiten vollkommen dotiert werden, während die Dotierung der anderen
Fläche
partiell sein kann, beispielsweise mit Hilfe einer Maske 9.
Ebenso kann ein im Wesentlichen flacher rauer Bereich erhalten werden,
gegenüber
mindestens einem Anschlag, der auf der anderen Seite vorgesehen
ist. Ein solches Bauteil kann beispielsweise durch Entfernen der Maske 9 nach
dem ersten Dotierungsschritt erhalten werden. Allgemein gesprochen
können
die einzelnen Dotierungsschritte unter Verwendung unterschiedlicher
Masken erfolgen. Anzahl und Anordnung der Anschläge 6 und 7 auf
den Seiten 4 und 5 können beliebig sein.
-
In
dem im Dokument
US5750420 beschriebenen
Stand der Technik ist die Anordnung des Anschlags durch die Anordnung
des Abstandshalters nach partiellem Ätzen der Opferschicht bestimmt, eine
Anordnung, die durch die Ätzfronten
bestimmt wird. Im Gegensatz zu diesem Stand der Technik ist die
Anordnung des Anschlags des Verfahrens der Erfindung durch die Anordnung
der auf die Nutzschicht aufgebrachten Maske bestimmt. So können, beispielsweise
durch Herstellung der Maske durch Lithographie, die Anordnung und
Form der Anschläge
6 und
7 sehr
genau kontrolliert werden. Die Maske
9 wird beispielsweise
durch Fotolithographie begrenzt, die vorzugsweise eine Auflösung in
der Größenordnung
von 0,3 Mikrometern hat. Mit Hilfe der Fotolithographie können mit
guter Wiederholbarkeit Anschläge
6 und
7 einer
sehr genauen seitlichen Abmessung begrenzt werden, auf den Ebenen
der Seiten
4 und/oder
5 beispielsweise mit einer
seitlichen Abmessung von 2 Mikrometern bis auf 0,3 Mikrometer genau.
Die seitliche Abmessung der Anschläge
6 und
7 bestimmt
den Kontaktbereich zwischen den entgegengesetzten Seiten der Nutzschicht
1 und
des Substrats und bestimmt so die Kontaktkraft zwischen der Nutzschicht
1 und
dem Substrat. Die Kontrolle der seitlichen Abmessungen der Anschläge
6 und
7 ermöglicht so
eine Kontrolle der Kontaktkräfte.
-
Darüber hinaus
beeinflusst die Höhe
der Anschläge 6 und 7 lotrecht
zur Ebene der Seiten 4 und/oder 5 den Kontakt
zwischen der Nutzschicht 1 und den Anschlägen 6 und 7 nicht
wesentlich. So ist die Dauer der Oberflächenätzung der Seiten 4 und 5, die
die Höhe
der Anschläge
bestimmt, ohne deren seitliche Abmessungen zu verändern, nicht
kritisch. Durch den Dotierungskontrast ist die Ätzung nämlich hochselektiv.