WO1995010851A1 - Process for the anisotropic etching of monocrystalline materials - Google Patents

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WO1995010851A1
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Abstract

The invention relates to a process for the anisotropic etching of monocrystalline materials. Whereas additional steps are required in prior art etching processes in order first to determine the exact position of the crystal axes along which the etching mask is directed, their precise determination is unnecessary in the process of the invention. To this end a mask is produced, the aperture area of which is smaller than the basic area on the mask side of the recess to be made. The mask has notches at the edges which are directed outwardly form the mask aperture. The depths of the notches are such that the crystal planes forming the sidewalls of the subsequent recess or boundary surfaces of intermediate structures are established only by their end points. The process is applicable especially to the production of micromechanical components with close tolerances.

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION
VERFAHREN ZUM ANISOTROPEN ATZEN MONOKRISTALLINERMETHOD FOR ANISOTROPIC ATZEN MONOCRISTALLINE
MATERIALIENMATERIALS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum anisotropen Ätzen monokristalliner Materialien für die Herstellung mikromechanischer Bauelemente mit kleinen To¬ leranzen.The invention relates to a method for anisotropic etching of monocrystalline materials for the production of micromechanical components with small tolerances.
Die anisotrope Ätztechnik wird zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile mit kleinen Abmessungen (bis in den Mikrometerbereich) aus monokristallinen Ma¬ terialien wie z. B. Silizium eingesetzt. Beim anisotropen Ätzen wird die starke Ab¬ hängigkeit der Ätzrate von der Kristallrichtung zur Erzeugung definierter Strukturen ausgenutzt. Für praktische Anwendungen sind insbesondere die um den Faktor 100 - 1000 geringere Ätzrate der (111)-Ebenen gegenüber den (100)- Ebenen in Silizium und die Möglichkeit selektiv zu ätzen, d. h. den Ätzvorgang an hochdotierten Schichten oder elektrochemisch an p/n-Übergängen zu stoppen, von Bedeutung.The anisotropic etching technique is used to produce three-dimensional components with small dimensions (down to the micrometer range) from monocrystalline materials such as B. silicon used. In anisotropic etching, the strong dependence of the etching rate on the crystal direction is used to produce defined structures. For practical applications, in particular the etching rate of the (111) planes, which is lower by a factor of 100-1000 compared to the (100) planes in silicon, and the possibility of etching selectively, i. H. It is important to stop the etching process on highly doped layers or electrochemically at p / n junctions.
Anisotrope Ätzprozesse werden für die Herstellung mikromechanischer Bauelemente, wie Sensoren für mechanische Größen (Druck, Kraft, Beschleuni¬ gung) sowie für thermische und chemische Größen, bereits industriell einge¬ setzt. Auch mikromechanische Aktoren, wie miniaturisierte Pumpen, passive und aktive Ventile aus Silizium, werden mit diesen Verfahren hergestellt.Anisotropic etching processes are already used industrially for the production of micromechanical components, such as sensors for mechanical quantities (pressure, force, acceleration) and for thermal and chemical quantities. Micromechanical actuators, such as miniaturized pumps, passive and active valves made of silicon, are also manufactured using this method.
Die bekannten Verfahren zur dreidimensionalen Strukturierung von Silizium mit Hilfe der anisotropen Ätztechnik sehen die folgenden Verfahrensschritte vor: Das Ausgangsmaterial für das Bauelement bilden üblicherweise Siliziumwafer mit 75, 100, 125 oder 150 mm Durchmesser. Die Oberflächen dieser Wafer sind entlang einer definierten Kristallrichtung, z. B. der (100)-Ebene ausgerichtet. Ein abgeschnittenes Segment, Fiat genannt, definiert die Lage des Siliziumkristalls durch die Angabe einer weiteren Kristallebene im Wafer, z. B. der (110)-Ebene. Zunächst wird eine Maske hergestellt, welche die die Bauteilgeometrie bestimmenden Öffnungen aufweist.The known methods for three-dimensional structuring of silicon with the aid of anisotropic etching technology provide the following process steps: The starting material for the component is usually formed by silicon wafers with a diameter of 75, 100, 125 or 150 mm. The surfaces of these wafers are along a defined crystal direction, e.g. B. aligned the (100) plane. A cut segment, called Fiat, defines the position of the silicon crystal by specifying another crystal plane in the wafer, e.g. B. the (110) plane. First, a mask is produced which has the openings which determine the component geometry.
Der Siliziumwafer wird vor dem Ätzprozeß in der anisotropen Ätzlösung mit einem gegen die Ätzlösung resistenten Material beschichtet. Üblich sind hierbei aus der Mikroelektronik bekannte Schichtmaterialien, wie thermische Sili¬ ziumoxide, LPCVD-Nitride, PECVD-Oxide und -Nitride oder PECVD-Siliziumcar- bid.Before the etching process, the silicon wafer is coated in the anisotropic etching solution with a material that is resistant to the etching solution. Layer materials known from microelectronics, such as thermal silicon oxides, LPCVD nitrides, PECVD oxides and nitrides or PECVD silicon carbide, are customary here.
Mit Hilfe der ebenfalls aus der Mikroelektronik bekannten Photolithographiever¬ fahren wird die Struktur der oben genannten Maske auf das Passivierungsmate- rial übertragen und die Passivierungsschicht in den durch die Maske definierten Bereichen durch Ätzprozesse (z. B. Trockenätzen) fensterartig geöffnet. Anschließend wird der beschichtete Siliziumwafer in ein Ätzbad mit der anisotropen Ätzlösung eingetaucht und durch diesen Ätzprozeß die dreidimen¬ sionale Struktur erzeugt.With the help of the photolithography process, which is also known from microelectronics, the structure of the mask mentioned above is transferred to the passivation material and the passivation layer in the areas defined by the mask is opened like a window by etching processes (for example dry etching). The coated silicon wafer is then immersed in an etching bath with the anisotropic etching solution and the three-dimensional structure is produced by this etching process.
Wegen der um den Faktor 100 bis 1000 geringeren Ätzrate der (111)-Ebenen gegenüber der (100)-Ebene der Waferoberfläche ergibt sich im Idealfall eine Struktur, bei der sich an den Kanten der Passivierungsöffnungen (111)-Ebenen ausbilden, die lateral nicht oder nur gering unterätzt werden. Diese Ebenen ha¬ ben einen definierten Winkel zur (100)-Ebene der Waferoberfläche (54,7°). Durch den zeitlichen Abtrag des Wafermaterials in den geöffneten Bereichen bildet sich eine Vertiefung, deren Seitenwände durch (111)-Ebenen definiert sind und deren Bodenfläche parallel zur Waferoberfläche ist. So lassen sich mit diesem Verfahren dünne Membranen, durch beidseitige Ätzprozesse auch Biegebalken und Stege herstellen.Because of the fact that the etching rate of the (111) planes is lower by a factor of 100 to 1000 compared to the (100) plane of the wafer surface, a structure ideally results in which (111) planes are formed on the edges of the passivation openings, but not laterally or only slightly underestimated. These planes have a defined angle to the (100) plane of the wafer surface (54.7 °). Due to the temporal abrasion of the wafer material in the open areas, a depression is formed, the side walls of which are defined by (111) planes and the bottom surface of which is parallel to the wafer surface. With this process, thin membranes can be produced, as well as bending beams and webs using etching processes on both sides.
Bei der Vermessung der auf diese Weise anisotrop geätzten Struktur zeigen sich jedoch laterale Unterätzungen der (111)-Ebenen, die in verschiedenen weiter unten genannten Effekten ihre Ursache haben können. Die Unterätzungen können gezielt gesteuert werden, wie z. B. in dem aus der DE 41 06 287 bekannten Verfahren zum anisotropen Ätzen, bei dem die Dimensionierung der auf das Passivierungsmaterial übertragenen Maskenstruk¬ tur und deren Orientierung bzgl. der Kristallorientierung des Wafers und der Anisotropieeigenschaften des Wafermaterials so gewählt werden, daß die gewünschte Größe und Form der Grundfläche der Ausnehmung durch gezieltes Unterätzen der Maskierschicht erreicht wird. Bei den oben beschriebenen anisotropen Ätzverfahren treten die folgenden Probleme auf:When measuring the structure anisotropically etched in this way, however, there are lateral undercuts of the (111) planes, which can have their cause in various effects mentioned below. The undercuts can be controlled specifically, e.g. B. in the process known from DE 41 06 287 for anisotropic etching, in which the dimensioning of the mask structure transferred to the passivation material and its orientation with respect to the crystal orientation of the wafer and the anisotropy properties of the wafer material are chosen such that the desired size and shape of the base of the recess is achieved by deliberately under-etching the masking layer. The following problems arise with the anisotropic etching processes described above:
a) Endliche Ätzrate der (111 )-Ebene:a) Finite etch rate of the (111) plane:
Gegenüber dem Idealfall weisen die (111)-Ebenen eine vom Passivie- rungsmaterial und der Art und Konzentration der Ätzlösung abhängige Ätz¬ rate auf. Diese beträgt z. B. für KOH als Ätzlösung bei 33 Gew. % und 80°C und Siliziumcarbid als Passivierung etwa 0,5 μm/h. Die hieraus resultie¬ rende laterale Unterätzung ist sehr gut reproduzierbar und kann bei der Dimensionierung der Ätzmaske bereits berücksichtigt werden.Compared to the ideal case, the (111) planes have an etching rate which is dependent on the passivation material and the type and concentration of the etching solution. This is z. B. for KOH as an etching solution at 33 wt.% And 80 ° C and silicon carbide as passivation about 0.5 microns / h. The resulting lateral undercut is very reproducible and can already be taken into account when dimensioning the etching mask.
b) Maskenfehler:b) Mask errors:
Je nach dem Herstellverfahren der Maske weist die Maskengeometrie ver¬ schiedene Toleranzen auf. Diese Toleranzen führen zu systematischen Fehlern im Batchprozeß, d. h. daß der Fehler für alle mit der Maske herge¬ stellten Bauteile gleich groß ist.Depending on the manufacturing process of the mask, the mask geometry has different tolerances. These tolerances lead to systematic errors in the batch process, i. H. that the error is the same for all components manufactured with the mask.
c) Justagefehler beim Photoresistprozeß:c) Adjustment error in the photoresist process:
Bei nahezu jedem mikromechanischen Bauteil muß die Ätzmaske zu ande¬ ren Strukturen, z. B. zu elektronischen Komponenten wie Widerständen oder Elektroden, justiert werden. Diese Justage kann verfahrensbedingt auf etwa 1 μm genau erfolgen. Zudem treten auch beim Belichtungs- und Ätzprozeß Streuungen in den Strukturbreiten auf. Bei optimierten Prozes¬ sen kann die Maskenstruktur daher nur auf etwa 1 - 5 μm genau auf die Passivierung übertragen werden. Diese Fehler sind innerhalb eines Wafers (Substrates) gleich groß, jedoch nicht innerhalb eines Batchprozesses für mehrere Wafer. Von der Größenordnung her spielt dieser Fehler eine un¬ tergeordnete Rolle.With almost every micromechanical component, the etching mask has to go to other structures, e.g. B. to electronic components such as resistors or electrodes. Depending on the process, this adjustment can be made to an accuracy of approximately 1 μm. In addition, variations in the structure widths also occur during the exposure and etching process. In the case of optimized processes, the mask structure can therefore only be transferred to the passivation with an accuracy of approximately 1-5 μm. These errors are of the same size within one wafer (substrate), but not within a batch process for several wafers. This error plays a minor role in terms of magnitude.
d) Fehler im Ausgangssubstrat:d) Errors in the starting substrate:
Auch das Ausgangssubstrat, der Siliziumwafer, kann nicht beliebig genau hergestellt werden. Die Wafer weisen Dickentoleranzen und Parallelitätsfeh¬ ler der beiden Waferoberflächen auf. Auch die Kristallorientierung stimmt nicht exakt mit der Oberfläche und der Fiatorientierung überein. Die Tole¬ ranz für die Abweichung der Oberflächenorientierung zum Kristall wird als Tilt bezeichnet und durch den Winkel zwischen der realen Kristallrichtung und der Oberfläche des Wafers angegeben. Die Abweichung der Fiatrich¬ tung zu der angegebenen Kristallrichtung wird als Fiatfehlorientierung be¬ zeichnet und ebenfalls durch den Winkel angegeben. Typische Hersteller¬ angaben für die Tilt und Fiatfehlorientierungen sind: - Tilt: ± 1,5°The starting substrate, the silicon wafer, cannot be manufactured with any accuracy. The wafers have thickness tolerances and parallelism errors of the two wafer surfaces. The crystal orientation is also correct does not exactly match the surface and the fi orientation. The tolerance for the deviation of the surface orientation from the crystal is referred to as the tilt and is indicated by the angle between the real crystal direction and the surface of the wafer. The deviation of the Fiat direction from the specified crystal direction is referred to as the Fiat misorientation and is also indicated by the angle. Typical manufacturer information for the tilt and fiat misalignments are: - Tilt: ± 1.5 °
- Flatfehlorientierung: ± 1,5°- Flat misorientation: ± 1.5 °
Die Fehler im Ausgangssubstrat sind für die Bauteile, die in einem Wafer hergestellt werden und die gleichen Abmessungen besitzen, gleich groß.The defects in the starting substrate are the same for the components that are manufactured in a wafer and have the same dimensions.
Der Einfluß des Tilt auf die Toleranzen des Bauteils wird auch von der Ätztiefe bestimmt und liegt bei den angegebenen Tiltwerten in der Größenordnung von bis zu 10 μm.The influence of the tilt on the tolerances of the component is also determined by the etching depth and is in the order of up to 10 μm for the specified tilt values.
Die Flatfehlorientierung streut stark von Wafer zu Wafer und die Auswirkungen auf die Bauteilgeometrie sind zudem von der Größe der Maskenöffnungen und somit der Bauteile abhängig. Die dadurch bedingte laterale Unterätzung der Maske entlang der (111)-Ebene liegt im Bereich 10 - 100 μm. Da der Substrat¬ fehler nicht für alle Wafer gleich ist, führen diese Effekte, vor allem die Flatfehl¬ orientierung, zu großen Herstelltoleranzen in einer Batchprozessierung.The flat misorientation scatters heavily from wafer to wafer and the effects on the component geometry also depend on the size of the mask openings and thus the components. The resulting lateral undercut of the mask along the (111) plane is in the range 10 - 100 μm. Since the substrate defect is not the same for all wafers, these effects, above all the flat defect orientation, lead to large manufacturing tolerances in batch processing.
Die oben beschriebenen Effekte sind bekannt. Sie führen zu relativ hohen Toleranzen in der Batchprozessierung von mikromechanischen Bauteilen wie Sensoren und Aktoren auf Siliziumbasis.The effects described above are known. They lead to relatively high tolerances in the batch processing of micromechanical components such as sensors and actuators based on silicon.
Für Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen sind Verfahren bekannt, die vor allem die Auswirkungen der Flatfehlorientierung auf die Toleranzen eines Bauteils minimieren. Aufgrund der Herstellungstechnologie kann der Flatorientierungsfehler nahezu vollständig durch die Maskentechnik kompensiert werden. Nach dem Stand der Technik ist es hierzu notwendig, vor dem anisotropen Ätzen die Kristallorientierung exakt festzustellen und die Phototechnik zur Strukturierung der Passivierungsschicht nach der Kristallorien- tierung auszurichten. Zur Feststellung von Flatfehlorientierung und Tilt sind zwei Verfahren bekannt.For applications with high accuracy requirements, methods are known which primarily minimize the effects of flat misorientation on the tolerances of a component. Due to the manufacturing technology, the flat orientation error can be almost completely compensated for by the mask technology. According to the prior art, it is necessary to determine the crystal orientation exactly before the anisotropic etching and to use the phototechnology to structure the passivation layer according to the crystallographic alignment. Two methods are known for determining flat misorientation and tilt.
Bei einem Verfahren werden mit einem Analysehilfsmittel wie dem Röntgen- diffraktometer die reale Kristallorientierung festgestellt und der Winkel zwischen dem Fiat und der Kristallorientierung gemessen.In one method, the real crystal orientation is determined using an analysis aid such as the X-ray diffractometer and the angle between the Fiat and the crystal orientation is measured.
Bei einem zweiten Verfahren werden in einem anisotropen Ätzprozeß Teststruk¬ turen für die Detektion der Kristallebene freigelegt und vermessen. So lehrt die DE 41 36 089 ein Verfahren zum Bestimmen der Kristallorientierung in einem Wafer, bei dem auf den Wafer eine Ätzmaske mit einer streifenförmigen Maskenöffnung und jeweils einem spitzen Ansatz an den Längsseiten in einer Ausrichtung entlang einer vorgegebenen Markierung des Wafers aufgebracht wird, der Wafer anisotrop unter Gewinnung einer Rinne geätzt wird, und schließlich die tatsächliche Kristallorientierung anhand der Winkel zwischen den Rändern der ausgeätzten Rinne und den Längsseiten der Maskenöffnung rechnerisch bestimmt wird.In a second method, test structures for the detection of the crystal plane are exposed and measured in an anisotropic etching process. DE 41 36 089, for example, teaches a method for determining the crystal orientation in a wafer, in which an etching mask with a strip-shaped mask opening and in each case a pointed attachment on the long sides is applied to the wafer in an alignment along a predetermined marking of the wafer, the wafer is etched anisotropically to obtain a groove, and finally the actual crystal orientation is calculated using the angle between the edges of the etched groove and the long sides of the mask opening.
Bei beiden Verfahren wird schließlich die Maske für den anisotropen Ätzprozeß zur Herstellung des Bauteils nach der vorher gemessenen Kristallorientierung justiert. Dies sind jedoch sehr aufwendige Verfahren, die zum Teil rechnerunter¬ stützt durchgeführt werden.In both methods, the mask for the anisotropic etching process for producing the component is finally adjusted according to the previously measured crystal orientation. However, these are very complex methods, some of which are carried out with computer support.
Befinden sich im Bauteil noch andere Komponenten, auf die die Maske justiert werden muß, können auch diese Verfahren die Flatfehlorientierung nicht vollständig kompensieren.If there are other components in the component to which the mask has to be adjusted, these methods cannot fully compensate for the flat misorientation.
Beide der genannten Verfahren sind technologisch aufwendige und teure Prozesse, da mehrere zusätzliche Prozeßschritte und zusätzliche Ausrüstung erforderlich sind.Both of the methods mentioned are technologically complex and expensive processes, since several additional process steps and additional equipment are required.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum anisotropen Ätzen anzugeben, mit dem die Erzeugung definierter Ausnehmungen mit kleinen Toleranzen in monokristallinen Substraten auf einfache Weise möglich ist.The object of the present invention is therefore to provide a method for anisotropic etching, with which the production of defined recesses with small tolerances in monocrystalline substrates is possible in a simple manner.
Die Aufgabe wird mit dem in Anspruch 1 angegebenen Verfahren gelöst. Hierbei wurde erkannt, daß zur Festlegung der Geometrie der zu erzeugenden Ausnehmung oder von Begrenzungsflächen von Zwischenstrukturen, die während des Ätzprozesses entstehen, nicht die gesamte Form der Ätzmaske maßgeblich ist, sondern nur einzelne Punkte des Maskenrandes. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird daher eine Maskenform erzeugt, deren Öff¬ nungsfläche kleiner als die maskenseitige Grundfläche der zu erzeugenden Ausnehmung ist, und die an den Rändern Kerben aufweist, die von der Maskenöffnung weg nach außen gerichtet sind. Die Tiefen der Kerben werden so gewählt, daß ausschließlich durch deren Endpunkte (d. h. der oder die Randpunkte im Bereich der tiefsten Stelle der Kerbe) die Kristallebenen festgelegt werden, die die Seitenwände der späteren Ausnehmung bilden. Bei der Dimensionierung der Maske, insbesondere der Position der Endpunkte der Kerben, werden die Ätzzeit und die Ätzrate der jeweiligen Kristallebenen be¬ rücksichtigt. So werden z. B. beim Ätzen in (111)-Richtung in Silizium die Endpunkte der Kerben nicht genau auf die (111)-Ebenen gelegt, die die spätere Ausnehmung bilden, sondern in einem Abstand dazu, der sich bei Berücksichti¬ gung der endlichen Ätzrate dieser Ebenen und der Ätzzeit ergibt (Berücksichtigung des lateralen Unterätzens).The object is achieved with the method specified in claim 1. It was recognized here that the entire shape of the etching mask is not used to determine the geometry of the recess to be produced or of boundary surfaces of intermediate structures that arise during the etching process is decisive, but only individual points of the mask edge. In the method according to the invention, a mask shape is therefore produced, the opening area of which is smaller than the base area of the recess to be produced on the mask side, and which has notches on the edges which are directed outward from the mask opening. The depths of the notches are chosen such that the crystal planes which form the side walls of the later recess are determined solely by their end points (ie the edge point or edge points in the area of the deepest point of the notch). When dimensioning the mask, in particular the position of the end points of the notches, the etching time and the etching rate of the respective crystal planes are taken into account. So z. B. when etching in the (111) direction in silicon, the end points of the notches are not placed exactly on the (111) planes that form the later recess, but at a distance from it that takes into account the finite etching rate of these planes and the etching time (taking lateral under-etching into account).
Die inneren Kanten der Kerben stellen konvexe Ebenen dar, die im Laufe des Ätzprozesses unterätzt werden, so daß sich die gewünschte, allein durch die Endpunkte der Kerben festgelegte Geometrie der Ausnehmung ergibt. So ist es z. B. möglich, eine Ausnehmung mit quadratischer Grundfläche mit einer sternförmigen Maskenöffnung zu erzeugen, deren vier Spitzen, die den Kerben entsprechen, die vier Seitenwände (z. B. bei Silizium vier (111)-Ebenen) der Ausnehmung festlegen.The inner edges of the notches represent convex planes which are under-etched in the course of the etching process, so that the desired geometry of the recess, which is determined solely by the end points of the notches, results. So it is z. B. possible to create a recess with a square base with a star-shaped mask opening, the four peaks, which correspond to the notches, the four side walls (z. B. in silicon four (111) planes) of the recess.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugbaren Ausnehmungen sind natürlich nicht auf rechteckige Formen beschränkt. So lassen sich z. B. in Silizium bei KOH als Ätzlösung Ausnehmungen mit einer Kombination aus (111)- und (IOO)-Ebenen als Begrenzungsflächen ätzen, wobei bei der Dimensionie¬ rung der Ätzmaske (d. h. insbesondere der Position der Endpunkte der Kerben) die Ätzzeit und die unterschiedlichen Ätzraten von (111)- und (IOO)-Ebenen be¬ rücksichtigt werden müssen.The recesses that can be produced with the method according to the invention are of course not limited to rectangular shapes. So z. B. in silicon with KOH as an etching solution, etch recesses with a combination of (111) and (IOO) planes as boundary surfaces, the etching time and the different etching mask being dimensioned (ie in particular the position of the end points of the notches) Etching rates of (111) and (IOO) planes must be taken into account.
Die Art der Kristallebenen, die sich beim Ätzen herausbilden, und somit die mög¬ liche Form der Ausnehmung ist jeweils vom Kristall und von der eingesetzten Ätzlösung abhängig. Als Beispiel hierfür sei auf das unterschiedliche Ätzverhal¬ ten von KOH im Vergleich zu EDP (Mischung aus Wasser, Ethlendiamin und Py- rocatechol) in Silizium verwiesen (vgl. z. B. Y. Bäcklund und L Rosengreen, J. Micromech. Microeng. 2 (1992), 75 - 79).The type of crystal planes that form during the etching, and thus the possible shape of the recess, depends on the crystal and the etching solution used. An example of this is the different etching behavior of KOH compared to EDP (mixture of water, ethylenediamine and Py- rocatechol) in silicon (see, for example, BY Bäcklund and L Rosengreen, J. Micromech. Microeng. 2 (1992), 75-79).
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch Strukturen festlegen, die während des Ätzprozesses entstehen (Zwischenstrukturen) und nach Beendigung des Ätzprozesses verschwunden sind. So sind Ätzverfahren bekannt, bei denen die Unterätzung konvexer Ecken, z. B. einer Versteifung in¬ nerhalb einer Membran, durch eine geeignete Kompensationsform der Ätzmaske verhindert wird (vgl. z. B. H. Offereins et al., Sensors and Materials 3, 3 (1992), 127 - 144). Eine derartige Kompensationsform ist z. B. in Figur 3 c als streifenförmige Erweitung der Passivierungsschicht im Bereich der Ecken der Versteifung gezeigt. Aufgrund dieser Streifen, die im Verlaufe des Ätzprozesses unterätzt werden, ergeben sich an den Ecken der Versteifung Zwischenstruktu¬ ren, deren Abmessungen sehr genau vorbestimmt sein müssen, damit die Ver¬ steifung nach Beendigung des Ätzprozesses scharfe Ecken aufweist. Die Festlegung von Begrenzungsflächen dieser Zwischenstrukturen erfolgt erfindungsgemäß allein durch die Endpunkte von Kerben in der Maskenöffnung (z. B. auf beiden Seiten der Streifen zur genauen Festlegung der Breite der Zwi¬ schenstruktur).The method according to the invention can also be used to define structures which arise during the etching process (intermediate structures) and which have disappeared after the etching process has ended. Etching processes are known in which the undercut of convex corners, e.g. B. stiffening within a membrane is prevented by a suitable compensation form of the etching mask (cf., for example, H. Offereins et al., Sensors and Materials 3, 3 (1992), 127-144). Such a form of compensation is e.g. As shown in FIG. 3 c as a strip-shaped widening of the passivation layer in the area of the corners of the stiffening. Because of these strips, which are under-etched in the course of the etching process, there are intermediate structures at the corners of the stiffening, the dimensions of which have to be predetermined very precisely, so that the stiffening has sharp corners after the etching process has ended. According to the invention, boundary surfaces of these intermediate structures are determined solely by the end points of notches in the mask opening (for example on both sides of the strips for the exact definition of the width of the intermediate structure).
Eine Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Erzeugung von Zwischenstrukturen für die optische Kontrolle der Ätztiefe ist im Ausführungsbeispiel dargestellt.One possible application of the method according to the invention to the production of intermediate structures for the optical control of the etching depth is shown in the exemplary embodiment.
Wie in den Ausführungsbeispielen näher erläutert, ist beim erfindungsgemäßen Verfahren keine exakte Ausrichtung der Ätzmaske bezüglich der Kristallorientie¬ rung mehr nötig.As explained in more detail in the exemplary embodiments, an exact alignment of the etching mask with respect to the crystal orientation is no longer necessary in the method according to the invention.
Mit der Erfindung kann die Flatfehlorientierung ebenso wie bei den bisher als Stand der Technik beschriebenen Verfahren kompensiert werden, ohne daß je¬ doch zusätzliche Prozeßschritte oder eine zusätzliche Ausrüstung erforderlich sind. Gegenüber der konventionellen Ätztechnik ohne Maßnahmen zur Kompensation der Flatfehlorientierung können die Herstelltoleranzen vieler mi¬ kromechanischer Bauteile ohne Mehrkosten drastisch reduziert werden. Das Verfahren kann auf alle anisotrop ätzbaren Materialien unabhängig von der Kristallorientierung im Substrat angewendet werden. Auch bezüglich des Passivierungsmaterials bestehen keine Einschränkungen.With the invention, the flat misalignment can be compensated for, just as in the methods previously described as prior art, without additional process steps or additional equipment being required. Compared to conventional etching technology without measures to compensate for flat misorientation, the manufacturing tolerances of many micro-mechanical components can be drastically reduced without additional costs. The method can be applied to all anisotropically etchable materials regardless of the crystal orientation in the substrate. There are also no restrictions with regard to the passivation material.
Gemäß Anspruch 2 wird zur Erzeugung einer Ausnehmung mit einer aus rechteckförmigen Flächen zusammensetzbaren Grundfläche, deren Abmessun¬ gen durch Festlegung einer idealen maskenseitigen Grundfläche auf der Substratoberfläche vorgegeben sind, eine der Form der Grundfläche entspre¬ chende Form der Maskenöffnung gewählt, die an jeder Seite bei der halben Seitenlänge eine Kerbe aufweist, wobei die Maskenöffnung derart angeordnet wird, daß die Endpunkte jeder Kerbe im Bereich der halben Seitenlängen der idealen maskenseitigen Grundfläche liegen.According to claim 2, to produce a recess with a base area that can be assembled from rectangular areas, the dimensions of which are predetermined by defining an ideal mask-side base area on the substrate surface, a shape of the mask opening corresponding to the shape of the base area is selected, which on each side half the side length has a notch, the mask opening being arranged such that the end points of each notch are in the region of half the side lengths of the ideal mask-side base.
Die ideale maskenseitige Grundfläche ist vorzugsweise (vgl. Anspruch 3) unter einem vorgegebenen Winkel zu einer am Substrat angebrachten Markierung (z. B. das Fiat bei Siliziumsubstraten) festgelegt, wobei die Markierung nahezu parallel zur Schnittlinie einer weiteren Kristallebene (z. B. der (111)-Ebene bei Si¬ lizium) mit der Substratoberfläche verläuft. Dies entspricht der üblichen Techno¬ logie, bei der die ideale maskenseitige Grundfläche mit einer Seite parallel zum Fiat ausgerichtet ist.The ideal mask-side base area is preferably (cf. claim 3) defined at a predetermined angle to a marking made on the substrate (e.g. the Fiat for silicon substrates), the marking being almost parallel to the cutting line of a further crystal plane (e.g. the (111) plane with silicon) runs with the substrate surface. This corresponds to the usual technology, in which the ideal mask-side base area is aligned with one side parallel to the Fiat.
Die vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch 4 bezieht sich auf Substrate bei denen, wie z. B. bei Siliziumwafern, die maximal mögliche Ab¬ weichung der Markierungsrichtung (bei Siliziumwafern: Flatfehlorientierung) von der entsprechenden Kristallrichtung angegeben ist (Toleranzangabe).The advantageous embodiment of the method according to claim 4 relates to substrates in which such. In the case of silicon wafers, for example, the maximum possible deviation of the marking direction (in the case of silicon wafers: flat misorientation) from the corresponding crystal direction is specified (tolerance specification).
Die Tiefe der Kerben ist danach so zu gestalten, daß im Falle der maximal möglichen Fehlorientierung der Markierung, die aufgrund der Toleranzangabe bekannt ist, die sich herausbildenden Kristallebenen die Ecken der Grundform der Ätzmaske gerade berühren würden.The depth of the notches is then to be designed so that in the event of the maximum possible misorientation of the marking, which is known due to the tolerance specification, the crystal planes which are formed would just touch the corners of the basic shape of the etching mask.
Zur Einhaltung eines definierten Abstandes von einem Punkt am Rand der Aus¬ nehmung zu einem anderen Punkt des Substrates, wird gemäß Anspruch 5 eine Kerbe in der Maskenöffnung derart angeordnet, daß deren Endpunkt oder einer der Endpunkte auf dem entsprechenden Randpunkt liegt. Zur Begrenzung der Tiefe der Ausnehmung kann vor dem Ätzprozeß eine Ätz¬ stoppschicht, z. B. durch entsprechende Dotierung, in das Substrat eingebracht werden (Anspruch 7).In order to maintain a defined distance from a point on the edge of the recess to another point on the substrate, a notch is arranged in the mask opening in such a way that its end point or one of the end points lies on the corresponding edge point. To limit the depth of the recess, an etching stop layer, e.g. B. by appropriate doping, are introduced into the substrate (claim 7).
Diese und weitere in den Unteransprüchen angegebenen vorteilhafte Ausgestal¬ tungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen am Beispiel der Zeichnungen in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.These and other advantageous refinements of the method according to the invention specified in the subclaims are to be explained in more detail using the example of the drawings in the following exemplary embodiments.
Dabei zeigen:Show:
Figur 1 a) ein Beispiel für eine mit herkömmlichen Verfahren anisotrop ge¬ ätzte ideale Struktur einer Ausnehmung,FIG. 1 a) an example of an ideal structure of a recess etched anisotropically using conventional methods,
Figur 1 b) ein Beispiel für eine sich aufgrund einer Flatfehlorientierung er¬ gebenden anisotrop geätzten Struktur einer Ausnehmung,1 b) an example of an anisotropically etched structure of a recess resulting from a flat misorientation,
Figur 2 a) eine mit herkömmlichen Verfahren in einem Wafer mit Flatfehl¬ orientierung hergestellte Struktur in Draufsicht,FIG. 2 a) a top view of a structure produced using conventional methods in a wafer with flat misalignment,
Figur 2 b) eine bei gleicher Flatfehlorientierung mit dem erfindungsgemä¬ ßen Verfahren hergestellte Struktur in Draufsicht,FIG. 2 b) a top view of a structure produced with the same flat misorientation using the method according to the invention,
Figur 2 c) ein Vergleich der Strukturen aus 2 a) und 2 b) im Schnitt AA',FIG. 2 c) a comparison of the structures from 2 a) and 2 b) in section AA ',
Figur 3 a) ideale Struktur eines Drucksensors in Seitenansicht undFigure 3 a) ideal structure of a pressure sensor in side view and
Draufsicht,Top view,
Figur 3 b) die sich ergebende Struktur des Drucksensors bei konventionel¬ ler Ätztechnik,FIG. 3 b) the resulting structure of the pressure sensor in conventional etching technology,
Figur 3 c) die beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung desFigure 3 c) which in the inventive method for producing the
Drucksensors verwendete Maskentechnik in Draufsicht, Figur 3 d) die sich ergebende Struktur des Drucksensors bei Verwendung der erfindungsgemäßen Ätztechnik,Pressure sensor used mask technology in top view, FIG. 3 d) the resulting structure of the pressure sensor when using the etching technique according to the invention,
Figur 4 a) ein Beispiel für eine Maskenstruktur zur optischen Kontrolle derFigure 4 a) an example of a mask structure for optical control of the
Ätztiefe bei konventioneller Ätztechnik, undEtching depth with conventional etching technology, and
Figur 4 b) ein Beispiel für eine Maskenstruktur zur optischen Kontrolle derFigure 4 b) an example of a mask structure for optical control of the
Ätztiefe bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.Etching depth when using the method according to the invention.
Den Idealfall einer anisotrop geätzten Ausnehmung mit der Tiefe H zeigt Figur 1 a). Auf dem Siliziumwafer (10) befindet sich die strukturierte Passivierungs¬ schicht (7) mit einer Breite der Maskenöffnung, die der Breite b der maskenseiti¬ gen Öffnung der Ausnehmung entspricht. Diese Struktur ergibt sich bei Ausrichtung der Maske parallel zum Fiat ohne Flatfehlorientierung. Die Seiten¬ wände der Ausnehmung werden durch (111)-Ebenen gebildet, die nicht unterätzt sind. Im Realfall, d. h. mit einer Flatfehlorientierung, wird bei gleicher Maskenanordnung eine Struktur gemäß Figur 1 b) erzeugt. Hier sind laterale Unterätzungen der Struktur der Größe d1 und d2 vorhanden, so daß die Breite b der maskenseitigen Grundfläche der Ausnehmung größer als die gewünschte Breite ist.The ideal case of an anisotropically etched recess with the depth H is shown in FIG. 1 a). The structured passivation layer (7) with a width of the mask opening that corresponds to the width b of the opening on the mask side of the recess is located on the silicon wafer (10). This structure results when the mask is aligned parallel to the Fiat without flat misalignment. The side walls of the recess are formed by (111) planes, which are not undercut. In the real case, d. H. with a flat misorientation, a structure according to FIG. 1 b) is generated with the same mask arrangement. There are lateral undercuts in the structure of sizes d1 and d2, so that the width b of the base surface of the recess on the mask side is greater than the desired width.
Die Auswirkungen einer Flatfehlorientierung auf die Geometrie des zu ätzenden Bauteils bei Verwendung der konventionellen Maskentechnik sind am Beispiel der Ätztechnik einer Membran (3) in (IOO)-Silizium in Figur 2 a) in Draufsicht dar¬ gestellt. Dabei wird angenommen, daß die rechteckförmige Maskenöffnung ideal parallel zum Fiat ausgerichtet und die (110)-Ebene um den Winkel α gegenüber dem Fiat geneigt ist.The effects of a flat misorientation on the geometry of the component to be etched when using the conventional mask technique are shown in plan view using the example of the etching technique of a membrane (3) in (IOO) silicon in FIG. 2a). It is assumed that the rectangular mask opening is ideally aligned parallel to the Fiat and the (110) plane is inclined by the angle α relative to the Fiat.
Unter diesen Annahmen ist die rechteckförmige Öffnung (1) in der Passivie¬ rungsschicht (7) um den Winkel α gegenüber der (110)-Ebene geneigt. Wird nun diese Struktur in eine anisotrope Ätzlösung getaucht, richtet sich die geätzte Struktur im Laufe des Ätzprozesses an der realen Kristallrichtung aus, d. h. daß bei langen Ätzzeiten vier (111)-Ebenen, die durch die Ecken (4) der Maskenöff¬ nung definiert werden, die Bauteilgeometrie beschreiben. Die Abmessungen der geätzten rechteckförmigen Öffnung im Silizium unmittelbar an der Oberfläche unterhalb der Passivierung lassen sich durch das um den Winkel α gedrehte, die rechteckförmige Öffnung umschreibende Rechteck (2) ermitteln. Gegenüber der idealen Bauteilgeometrie (1) ist diese Struktur um den Winkel α verdreht und je¬ weils an den Kanten der Membran um die Abweichung des idealen zu dem um¬ schreibenden Quadrat (Abstand d entlang den Kanten in Figur 2 a)) zu groß.Under these assumptions, the rectangular opening (1) in the passivation layer (7) is inclined by the angle α with respect to the (110) plane. If this structure is then immersed in an anisotropic etching solution, the etched structure aligns itself with the real crystal direction during the etching process, ie with long etching times four (111) planes, which are defined by the corners (4) of the mask opening that describe component geometry. The dimensions of the etched rectangular opening in the silicon directly on the surface below the passivation can be determined by the rectangle (2) rotated by the angle α and circumscribing the rectangular opening. Compared to the ideal component geometry (1), this structure is rotated by the angle α and too large at the edges of the membrane by the deviation of the ideal from the circumscribing square (distance d along the edges in FIG. 2 a)).
Für viele Anwendungen spielt die Verdrehung der realen zu der idealen Struktur (maximal 1,5°) eine untergeordnete Rolle, da z. B. eine Verdrehung von elektronischen Komponenten der mikromechanischen Struktur keine wesentli¬ chen Einflüsse auf die Bauteilcharakteristik hat.For many applications, the rotation of the real to the ideal structure (maximum 1.5 °) plays a subordinate role. B. a twist of electronic components of the micromechanical structure has no significant influences on the component characteristics.
Die Abweichungen d an den Kanten der Membran sind jedoch bei vielen Anwendungen, z. B. piezoresistiven Sensoren von essentieller Bedeutung, da hierdurch die Bauteilfunktion deutlich beeinflußt wird (Vergrößerung der Membranfläche, Verschiebung des mechanischen Spannungszustandes). Die Bauteilabmessungen sind hier je nach Flatfehlorientierung der Substratwafer statistisch verteilt.However, the deviations d at the edges of the membrane are common in many applications, e.g. B. piezoresistive sensors of essential importance, as this significantly affects the component function (enlargement of the membrane area, shift in the mechanical stress state). The component dimensions are statistically distributed depending on the flat misorientation of the substrate wafers.
Die grundlegende Erkenntnis der Erfindung ist, daß die Definition der die Bauteilgeometrie bestimmenden Kristallebenen nicht von den Kanten der Rechtecköffnung (1) in der Passivierung (7) bestimmt wird, sondern an eindeutig definierten Punkten (5) des Designs. Hierzu wird die rechteckförmige Öffnung in der Maske verkleinert und um dreieckförmige Kerben (5) erweitert, wie in Figur 2 b dargestellt. Jeweils an den Symmetrieachsen der Membran wird eine solche Kerbe eingefügt, deren Endpunkte sich auf der idealen Maskenöffnung (1) befinden. Die eigentlichen Membranränder bleiben somit verdeckt.The basic finding of the invention is that the definition of the crystal planes determining the component geometry is not determined by the edges of the rectangular opening (1) in the passivation (7), but at clearly defined points (5) of the design. For this purpose, the rectangular opening in the mask is reduced and expanded by triangular notches (5), as shown in Figure 2 b. Such a notch, the end points of which are located on the ideal mask opening (1), is inserted in each case on the symmetry axes of the membrane. The actual membrane edges remain hidden.
Die inneren Kanten (6) der Kerben stellen konvexe Ecken dar, die im Laufe des Ätzprozesses unterätzt werden. Es bildet sich eine Membran (3), deren Kanten durch die (111)-Ebenen, die durch die Endpunkte der Kerben (5) freigegeben werden, definiert werden. Die Abmessungen der Membran sind für kleine Winkel α immer gleich groß, d. h. daß bei der Spezifikation der Flatfehlorientierung in¬ nerhalb der angegebenen Toleranzen (Flatfehlorientierung: ± 3°) Bauteile hergestellt werden können, die zwar gegenüber der idealen Lage bis zu einigen Grad verdreht sein können, jedoch unabhängig von der Fiatorientierung immer die selbe Größe b1 besitzen. Dies ist für die mit konventioneller Maskentechnik hergestellte Membran nicht der Fall, da deren Größe b2 von der jeweiligen Flat¬ fehlorientierung abhängt. Einen Vergleich der beiden sich ergebenden Membranabmessungen b1 und b2 bei gegebener Flatfehlorientierung zeigt Fi¬ gur 2 c), die einen Schnitt entlang der Achse AA' der beiden Figuren 2 a) und 2 b) darstellt.The inner edges (6) of the notches represent convex corners that are under-etched in the course of the etching process. A membrane (3) is formed, the edges of which are defined by the (111) planes, which are released by the end points of the notches (5). The dimensions of the membrane are always the same size for small angles α, ie that when specifying the flat misorientation within the specified tolerances (flat misorientation: ± 3 °), components can be produced, which may be rotated by a few degrees compared to the ideal position, but always have the same size b1 regardless of the Fi orientation. This is not the case for the membrane produced with conventional mask technology, since its size b2 depends on the respective flat misorientation. A comparison of the two resulting membrane dimensions b1 and b2 for a given flat misorientation is shown in FIG. 2 c), which represents a section along the axis AA 'of the two FIGS. 2 a) and 2 b).
Die Tiefe der Kerben (5) ist so zu gestalten, daß bei der maximal möglichen Flatfehlorientierung die entstehenden (111)-Ebenen die Ecken der Maskierung (4) gerade berühren.The depth of the notches (5) is to be designed so that, with the maximum possible flat misorientation, the resulting (111) planes just touch the corners of the masking (4).
Sind in einem Design an einer bestimmten Stelle definierte Abstände einzuhal¬ ten, so können auch mehrere Kerben entlang einer Achse (z. B. an einem Membranrand angeordnet werden.If defined distances have to be maintained in a design at a certain point, then several notches can also be arranged along an axis (for example on a membrane edge).
Die Form der Kerben (5) kann beliebig (z. B. dreieckig, halbkreisförmig oder auch rechteckförmig) gewählt werden. Es gilt dabei zu beachten, daß die Definition der Lage der (111)-Ebenen punktförmig erfolgen soll, so daß also möglichst kleine Strukturen als Kerben zu verwenden sind.The shape of the notches (5) can be chosen as desired (e.g. triangular, semicircular or also rectangular). It should be noted that the definition of the position of the (111) planes should be punctiform, so that the smallest possible structures should be used as notches.
Als weiteres Beispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines piezoresistiven Drucksensors verwendet werden. Das Kernstück eine piezore¬ sistiven Drucksensors ist eine dünngeätzte Membran (3), die sich unter Druckeinwirkung verformt. Figur 3 a) zeigt einen solchen Drucksensor im Querschnitt und in Draufsicht. Durch die druckabhängige Verformung stellt sich ein definierter Spannungszustand in der Membran ein. In den Bereichen, an de¬ nen die mechanische Spannung Maxima aufweist (an den Membranrändern), werden Widerstände (9) (z. B. durch Ionenimplantation hergestellt) angeordnet, welche das mechanische Spannungssignal in eine Widerstandsänderung transformieren. Über eine Verschaltung mehrerer Widerstände zu einer Wheatstone'schen Vollbrücke wird ein dem Druck proportionales Ausgangs¬ signal erzeugt. Der hier gezeigte Sensor weist in der Mitte der Membran (3) eine rechteckförmige Versteifung (8) auf. Die Beträge der Spannungsmaxima bei einem definierten Druck sind quadra¬ tisch von der Membranfläche abhängig. Diese sollte daher exakt hergestellt werden.As a further example, the method according to the invention for producing a piezoresistive pressure sensor is to be used. The core of a piezoresistive pressure sensor is a thinly etched membrane (3) which deforms under the action of pressure. Figure 3 a) shows such a pressure sensor in cross section and in plan view. The pressure-dependent deformation results in a defined stress state in the membrane. In the areas where the mechanical stress has maxima (at the membrane edges), resistors (9) (eg produced by ion implantation) are arranged, which transform the mechanical stress signal into a change in resistance. An output signal which is proportional to the pressure is generated by connecting a plurality of resistors to form a Wheatstone full bridge. The sensor shown here has a rectangular reinforcement (8) in the middle of the membrane (3). The amounts of the voltage maxima at a defined pressure are dependent on the diaphragm area. It should therefore be manufactured exactly.
Die Spannungsmaxima infolge einer Druckeinwirkung treten jeweils an den En¬ den der Versteifung (8) und den gegenüberliegenden Membranrändern auf. Ex¬ akt an diesen Stellen müssen die piezoresistiven Widerstände angeordnet werden, um die maximale Empfindlichkeit des Sensors zu erhalten. Die Breite der Spannungsmaxima beträgt nur wenige μm, so daß die piezoresistiven Widerstände sehr exakt zu positionieren sind, d. h. daß die Abstände d zwischen den Membranrändern (1) bzw. der Versteifung (8) und den Piezowiderständen (9) sehr genau einzuhalten sind.The stress maxima due to the action of pressure occur at the ends of the stiffening (8) and the opposite membrane edges. The piezoresistive resistors must be arranged exactly at these points in order to obtain the maximum sensitivity of the sensor. The width of the voltage maxima is only a few μm, so that the piezoresistive resistors can be positioned very precisely, i. H. that the distances d between the membrane edges (1) or the stiffening (8) and the piezoresistors (9) must be observed very precisely.
Bei der idealen Struktur wird ein Abstand d zwischen dem Membranrand und den Piezowiderständen vorgegeben. Mit der konventionellen Maskentechnik wird dieser Abstand d um den Betrag b x tan α vergrößert, wie in Figur 3 b) dar¬ gestellt (b: gewünschte Breite der Membran). Da die Kristallorientierung der Wafer um den Toleranzbereich streut, können hierfür keine Vorhalte in der Maske (7) vorgesehen werden.In the ideal structure, a distance d between the membrane edge and the piezoresistors is specified. With the conventional mask technique, this distance d is increased by the amount b x tan α, as shown in FIG. 3 b) (b: desired width of the membrane). Since the crystal orientation of the wafers scatters around the tolerance range, no provision can be made for this in the mask (7).
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Maskentechnik wird, wie in Figur 3 c) dargestellt, die Breite der rechteckförmigen Öffnung der Passivierung (1) um den Betrag 2 x b x tan α verkleinert und Kerben (5) der Tiefe b x tan α in der Symmetrieachse der Widerstände (9), jeweils an den Membranrändern und an den Enden der Versteifung, eingefügt, wobei die inneren Abmessungen der Maskenöffnung im Bereich der Versteifung und die Tiefe der Kerben in diesem Bereich in analoger Weise bestimmt werden. Hierdurch wird erreicht, daß sich die Mittelpunkte der Widerstände unabhängig von der Flatfehlorientierung immer um den idealen Abstand d von den Membranrändern entfernt befinden (vgl. Fi¬ gur 3 d)). Über die gesamte Widerstandsgeometrie ist die maximale Abweichung von d: I x tan α (I: Länge des Widerstandes). Dies ist wegen der kleinen Widerstandslänge von etwa 100 μm gegenüber der Membranbreite von ca. 2500 μm eine vernachlässigbar kleine Toleranz.When using the mask technique according to the invention, as shown in FIG. 3 c), the width of the rectangular opening of the passivation (1) is reduced by the amount 2 xbx tan α and notches (5) of the depth bx tan α in the symmetry axis of the resistors ( 9), inserted in each case at the membrane edges and at the ends of the stiffening, the internal dimensions of the mask opening in the area of the stiffening and the depth of the notches in this area being determined in an analogous manner. This ensures that the center points of the resistors are always at the ideal distance d from the membrane edges, regardless of the flat misorientation (cf. FIG. 3 d)). Over the entire resistance geometry is the maximum deviation of d: I x tan α (I: length of the resistance). Because of the small resistance length of around 100 μm, this is a negligible tolerance compared to the membrane width of around 2500 μm.
Zusätzlich kann, wie in Figur 3 c) gezeigt ist, das Unterätzen der Ecken der Ver¬ steifung (8) durch eine geeignete Kompensationsform der Ätzmaske verhindert werden. Figur 4 zeigt ein Beispiel für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von definierten Zwischenstrukturen während des Ätzprozesses, die der optischen Kontrolle bzw. Bestimmung der Ätztiefe H dienen. In Figur 4 a ist die konventionelle Maskentechnik zur Erzeugung einer Ausnehmung (3) mit quadratischer Grundfläche in (IOO)-Silizium dargestellt (bei KOH als Ätzlösung), die von vier (111)-Ebenen begrenzt ist. Bei der Festlegung der Maskenform wird ausgenutzt, daß die Ätzrate in alle (IOO)-Richtungen im Siliziumkristall gleich groß ist, so daß zur Kontrolle der Ätztiefe H das laterale Ätzen einer Zwischen¬ struktur in (IOO)-Richtung beobachtet werden kann. Das Öffnungsfenster der Maske (7) ist zu diesem Zweck in diagonaler Richtung, wie in Figur 4 a gezeigt, durch einen Steg unterteilt. Dieser Steg liegt im Idealfall parallel zur Schnittlinie einer (100)-Ebene mit der Kristalloberfläche und weist die Breite 2 x H auf. Da die Richtung senkrecht zur Oberfläche des Siliziumkristalls in diesem Fall ebenfalls eine (IOO)-Richtung ist, kann die momentane Ätztiefe während des Ätzprozesses am Betrag der lateralen Unterätzung des Maskensteges, d. h. an der Breite der Zwischenstruktur bestimmt werden. Bei vollständiger Unterätzung des Masken¬ steges ist die Ätztiefe H erreicht. Die Ätztiefe kann auf diese Weise bei Verwen¬ dung einer transparenten Passivierungsschicht optisch kontrolliert werden. Die Genauigkeit dieses Verfahrens hängt davon ab, wie genau die (IOO)-Ebenen durch den Maskensteg festgelegt werden können, die die erzeugte Zwischen¬ struktur begrenzen. Bei einer im Realfall auftretenden Flatfehlorientierung liegen die Begrenzungslinien des Maskensteges nicht exakt parallel zur Schnittlinie einer (100)-Ebene mit der Kristalloberfläche (Abweichung: Winkel α). Die Zwischenstruktur (hier als Zwischenwand), die nach einer bestimmten Ätzzeit durch laterales Unterätzen des Steges entsteht (Begrenzungsflächen gestrichelt gezeichnet), hat in diesem Fall nicht mehr die ideale Soll-Breite bs (Idealfall ohne Flatfehlorientierung; durchgezogene Linie), sondern die kleinere Breite bi (abhängig von Flatfehlorientierung), so daß bei vollständigem Unterätzen des Steges die gewünschte Ätztiefe H noch nicht erreicht ist.In addition, as shown in FIG. 3 c), undercutting of the corners of the reinforcement (8) can be prevented by a suitable compensation form of the etching mask. FIG. 4 shows an example of the use of the method according to the invention for producing defined intermediate structures during the etching process, which serve for the optical control or determination of the etching depth H. FIG. 4 a shows the conventional mask technique for producing a recess (3) with a square base in (IOO) silicon (in the case of KOH as an etching solution), which is delimited by four (111) planes. When determining the mask shape, use is made of the fact that the etching rate in all (IOO) directions in the silicon crystal is the same, so that the lateral etching of an intermediate structure in the (IOO) direction can be observed in order to control the etching depth H. For this purpose, the opening window of the mask (7) is divided in the diagonal direction, as shown in FIG. 4 a, by a web. Ideally, this web is parallel to the intersection of a (100) plane with the crystal surface and has a width of 2 x H. Since the direction perpendicular to the surface of the silicon crystal is also an (IOO) direction in this case, the instantaneous etching depth during the etching process can be determined from the amount of the lateral undercut of the mask web, ie from the width of the intermediate structure. The etching depth H is reached when the mask bar is completely undercut. The etching depth can be checked optically in this way when using a transparent passivation layer. The accuracy of this method depends on how exactly the (IOO) planes can be defined by the mask web that limit the intermediate structure generated. In the case of a flat misorientation that occurs in real cases, the boundary lines of the mask web are not exactly parallel to the intersection line of a (100) plane with the crystal surface (deviation: angle α). In this case, the intermediate structure (here as a partition) that arises after a certain etching time by undercutting the web laterally (boundary areas drawn in dashed lines) no longer has the ideal target width bs (ideally without flat misalignment; solid line), but the smaller width bi (depending on flat misalignment), so that the desired etching depth H has not yet been reached when the undercut is completely undercut.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden, wie in Figur 4 b dargestellt, die Be¬ grenzungsflächen der Zwischenstruktur durch die Endpunkte zweier Kerben bestimmt, die im Bereich der halben Seitenlängen des Steges im Abstand 2 x H zueinander angeordnet sind. Die Tiefe der Kerben wurde dabei so gewählt, daß unter Berücksichtigung der aus den Toleranzangaben des Siliziumwafers bekannten maximal möglichen Flatfehlorientierung die die Zwischenwand begrenzenden (IOO)-Ebenen, die während des Ätzprozesses entstehen, allein durch die Endpunkte der Kerben, nicht aber durch sonstige Eckpunkte der Maske bestimmt werden (unter Berücksichtigung der Ätzrate der (IOO)-Ebenen und der Ätzzeit). Damit entspricht wie in Figur 4 b gezeigt, die Breite bi einer Zwi¬ schenstruktur (Begrenzungsflächen gestrichelt gezeichnet; unterätzter Bereich der Maske 11), die sich nach einer bestimmten Ätzzeit gebildet hat, exakt der Soll-Breite bs, d. h. daß bei vollständigem Unterätzen des Steges trotz Flatfehl¬ orientierung genau die Ätztiefe H erreicht ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich auf diese Weise unabhängig von der genauen Kenntnis der Flatfehlorientierung des Wafers die Ätztiefe sehr genau kontrollieren. In the method according to the invention, as shown in FIG. 4 b, the boundary surfaces of the intermediate structure are determined by the end points of two notches, which are 2 × H in the area of half the side lengths of the web are arranged to each other. The depth of the notches was chosen so that taking into account the maximum possible flat misorientation known from the tolerance specifications of the silicon wafer, the (IOO) planes that delimit the intermediate wall, which arise during the etching process, solely through the end points of the notches, but not through other corner points the mask can be determined (taking into account the etching rate of the (IOO) planes and the etching time). Thus, as shown in FIG. 4b, the width bi corresponds to an intermediate structure (delimited areas shown in dashed lines; under-etched area of the mask 11), which has formed after a certain etching time, exactly the desired width bs, that is, when the undercut is completely undercut In spite of flat misalignment, the etching depth H is exactly reached. With the method according to the invention, the etching depth can be controlled very precisely in this way, regardless of the precise knowledge of the flat misorientation of the wafer.

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Verfahren zum anisotropen Ätzen monokristalliner Materialien für die Herstellung mikromechanischer Bauelemente, bei dem auf eine Oberfläche eines Substrates, das aus dem monokristalli¬ nen Material besteht, eine Ätzmaske (7) mit zumindest einer Maskenöff¬ nung aufgebracht wird, und anschließend das Substrat im Bereich der Maskenöffnung zur Erzeugung einer dreidimensionalen Ausnehmung ani¬ sotrop geätzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Maskenöffnung folgendermaßen ausgebildet wird:1. Method for anisotropic etching of monocrystalline materials for the production of micromechanical components, in which an etching mask (7) with at least one mask opening is applied to a surface of a substrate, which consists of the monocrystalline material, and then the substrate in The area of the mask opening is anisotropically etched to produce a three-dimensional recess, characterized in that the mask opening is formed as follows:
- die Fläche der Maskenöffnung wird kleiner gewählt als die maskenseitige Grundfläche der zu erzeugenden Ausnehmung;- The area of the mask opening is chosen to be smaller than the base area of the recess to be produced on the mask side;
- die Maskenöffnung ist an den Rändern mit Kerben (5) versehen, die von der Maskenöffnung weg nach außen gerichtet sind;- The mask opening is provided at the edges with notches (5) which are directed away from the mask opening to the outside;
- die Kerben weisen derartige Tiefen auf, daß die Geometrie der zu erzeugenden Ausnehmung und/oder Begren¬ zungsflächen von Zwischenstrukturen, die während des Ätzprozesses entstehen, durch Kristallebenen gebildet werden, die von den Positionen der Endpunkte der Kerben unter Einberechnung der Ätzzeit und der Ätzrate der jeweiligen Kristallebenen bestimmt werden, wobei die Endpunkte der Kerben die Randpunkte im Bereich der tiefsten Stellen der Kerben sind.- The notches have depths such that the geometry of the recess to be produced and / or boundary surfaces of intermediate structures which arise during the etching process are formed by crystal planes which are calculated from the positions of the end points of the notches, taking into account the etching time and the etching rate of the respective crystal planes are determined, the end points of the notches being the edge points in the region of the deepest points of the notches.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Ausnehmung mit einer aus rechteckförmigen Flä¬ chen zusammensetzbaren Grundfläche, deren Abmessungen durch Fest¬ legung einer idealen maskenseitigen Grundfläche (1) auf der Substratober¬ fläche vorgegeben sind, eine aus rechteckförmigen Flächen zusammen¬ setzbare Grundform der Maskenöffnung gewählt wird, daß die Maskenöffnung an jeder Seite bei der halben Seitenlänge eine Kerbe (5) aufweist, und daß die Maskenöffnung derart angeordnet wird, daß die Positionen der Endpunkte der Kerben in den Bereichen der halben Seitenlängen der idealen maskenseitigen Grundfläche (1) liegen.2. The method according to claim 1, characterized in that for producing a recess with a base surface which can be assembled from rectangular surfaces, the dimensions of which are predetermined by defining an ideal mask-side base surface (1) on the substrate surface, one of rectangular surfaces Composable basic shape of the mask opening is selected such that the mask opening has a notch (5) on each side at half the side length, and that the mask opening is arranged in such a way that the positions of the end points of the notches lie in the regions of half the side lengths of the ideal mask-side base area (1).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seite der idealen maskenseitigen Grundfläche unter einem vorgegebenen Winkel zu einer am Substrat angebrachten Markierung fest¬ gelegt ist, die nahezu parallel zur Schnittlinie einer weiteren Kristallebene mit der Substratoberfläche verläuft.3. The method according to claim 2, characterized in that one side of the ideal mask-side base is fixed at a predetermined angle to a mark made on the substrate, which runs almost parallel to the line of intersection of a further crystal plane with the substrate surface.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Substrats mit einem vorgegebenen Maximal¬ wert einer möglichen Abweichung von der Parallelität der Markierung zu der Schnittlinie der weiteren Kristallebene mit der Substratoberfläche, die Tiefe der Kerben so gewählt wird, daß im Falle der maximal möglichen Abweichung die durch die Positionen der Endpunkte der Kerben festgeleg¬ ten Kristallebenen die Ecken der Grundform der Maskenöffnung gerade berühren.4. The method according to claim 3, characterized in that when using a substrate with a predetermined maximal value of a possible deviation from the parallelism of the marking to the line of intersection of the further crystal plane with the substrate surface, the depth of the notches is chosen so that in the case the maximum possible deviation, the crystal planes determined by the positions of the end points of the notches just touch the corners of the basic shape of the mask opening.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Einhaltung eines definierten Abstandes eines Punktes am Rand der Ausnehmung zu einem anderen Punkt des Substrates eine Kerbe in der Maskenöffnung derart angeordnet wird, daß deren Endpunkt oder End¬ punkte auf dem entsprechenden Randpunkt liegt.5. The method according to claim 1, characterized in that in order to maintain a defined distance of a point at the edge of the recess to another point of the substrate, a notch is arranged in the mask opening in such a way that its end point or end points lies on the corresponding edge point.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat ein Silizium-Wafer mit einer (100) - oder einer (110) - Oberfläche verwendet wird, dessen durch die Positionen der Endpunkte der Kerben festgelegten Kristallebenen die (111)-Ebenen darstellen. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a silicon wafer with a (100) - or a (110) - surface is used as the substrate, the crystal planes determined by the positions of the end points of the notches the (111 ) Planes.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung der Tiefe der Ausnehmung vor dem Ätzprozeß eine Ätzstoppschicht in das Substrat eingebracht wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that an etching stop layer is introduced into the substrate to limit the depth of the recess before the etching process.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Kerben (5) dreieckig oder halbrund oder rechteckig ge¬ wählt wird. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the shape of the notches (5) triangular or semicircular or rectangular ge is selected.
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