Verfahren zum Herstellen einer Diamant-Elektrode und Diamant-Elektrode Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Diamant-Elektrode sowie eine nach diesem Verfahren herstellbare Diamant-Elektrode.

Diamant-Elektroden werden heute in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen insbesondere verwendet. Bei der Prozessorherstellung wird heute eine Vielzahl unterschiedlicher Schichten mit filigranen Strukturen aufgebracht. Um eine ordnungsgemäße Funktionsweise zu gewährleisten, müssen die zu beschichtenden Oberflächen regelmäßig gereinigt und konditioniert werden. Im Schnitt werden zwei bis drei Reinigungs- und Oberflächenkonditionierungspro- zesse pro aufzubringender Schicht durchgeführt. Unterschiedliche Arten von Verunreinigungen müssen dabei durch unterschiedliche Arten von Reinigungs- fiüssigkeiten entfernet werden. Für organische Verunreinigungen wird beispielsweise ozonisiertes Wasser verwendet, während zum Entfernen von auf der Oberfläche angeordneten Partikeln kathodisches Wasser verwendet wird. Anodisches Wasser wird beispielsweise verwendet, um metallische Verunreinigungen zu entfernen. Um Oberflächen und letzte Verunreinigungen zu entfernen, kann auch ein spezielles anodisches Wasser verwendet werden, das eine Mischung aus verdünnter Flusssäure und Ozon enthält.

Zur Herstellung aller dieser Reinigungslösungen können heute Diamant-Elektroden in entsprechenden Elektrodenanordnungen verwendet werden.

Diamant-Elektroden können aus massiven Diamant-Einkristallen bestehen, sind in dieser Ausgestaltung jedoch sehr teuer. Es ist daher aus dem Stand der Technik bekannt, Diamant-Elektroden aus einem Grundmaterial herzustellen, - - das mit einer dünnen Diamantschicht beschichtet wird. Dabei wird als Grundmaterial oft ein Metall verwendet, damit die zur Herstellung der unterschiedlichen Reinigungslösungen nötigen Ströme gut zur Elektrodenoberfläche geleitet werden können.

Nachteilig ist jedoch, dass Metallelektroden, die lediglich mit einer Diamantschicht beschichtet sind, die Gefahr bergen, dass es in der Reinigungslösung zu metallischen Verunreinigungen kommt. Zudem lassen sich metallische Werkstoffe in der benötigten Exaktheit nur mit sehr aufwendigen Verfahren bearbeiten, die entsprechend kostenintensiv sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Diamant-Elektrode vorzuschlagen, das kostengünstig und exakt durchführbar ist und auch für die Hersteilung von Diamant-Elektroden in großen Stückzahlen geeignet ist.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen einer Diamant-Elektrode, das die folgenden Schritte aufweist: a) Bereitsteilen eines Grundkörpers aus Silizium, dessen Abmessungen größer sind als die der herzustellenden Diamant-Elektrode, b) Ätzen wenigstens einer Vertiefung in einer Oberfläche des Grundkörpers,

c) Einbringen von Sollbruchsteilen in den Grundkörper,

d) Diamantbeschichten des Grundkörpers,

e) Herausbrechen der Diamant-Elektrode aus dem Grundkörper entlang der Sollbruchstellen.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass Silizium als Matena! für den Grundkörper einer Diamanteiektrode geeignet ist, obwohl es als Halbleiter eine Bandlücke aufweist. Diese verhindert normalerweise insbesondere bei kleinen Spannungen einen Stromfiuss, so dass Silizium zunächst als Grundmaterial nicht als geeignet erscheint. Es ist bekannt, die Leitfähigkeit des Siliziums durch Dotierungen zu erhöhen. Derartig hochdotiertes Silizium lässt sich jedoch nur - - sehr schlecht einem kontrollierten Ätzprozess unterziehen, sodass die Verbesserung der Leitfähigkeit eine Verschlechterung der Verarbeitbarkeit zur Folge hat. Überraschenderweise wird eine derartige Dotierung jedoch nicht benötigt. Es hat sich herausgestellt, dass die auf der Außenseite des Grundkörpers aufgebrachte Diamant-Beschichtung ausreichend ist, um die benötigten elektrischen Ströme zu transportieren. Mit dieser überraschenden Erkenntnis kann nun auf die aus der Halbleitertechnologie bekannten Verarbeitungs- und Herstellungsprozesse zurückgegriffen werden, die bereits hochgradig optimiert und für die Massenfertigung geeignet sind.

Vorteiihafterweise wird zunächst auf den Grundkörper aus Silizium eine Silizi- umdioxäd (Si02)-Adhäsionsschicht aufgebracht, die ca. 50 nm dick ist. Sie dient als Haftvermittier für eine darauf aufzubringende Isoiationsschicht, die beispielsweise 150 nm dick sein kann und vorzugsweise aus Siliziumnitrid (S13N4) besteht. Darauf wird in einem bekannten Verfahren eine photoaktive Schicht aufgebracht, die anschließend belichtet wird. Dies kann über herkömmliche Verfahren geschehen, wie sie dem Fachmann beispielsweise als Maskenbelichtungsverfahren bekannt sind.

Durch ein ebenfalls bekanntes ionen-Ätz-Verfahren werden die isoiationsschicht und die Adhäsionsschicht entfernt, sodass an den belichteten Stellen das Material des Grundkörpers frei zugänglich ist. All dies dient der Vorrichtung des eigentlichen Ätz-Verfahrens im Verfahrensschritt b). Das Ätzen selber erfolgt vorteilhafterweise mit einer eine Kaliumlauge (KOH). Anschließend werden die Reste der aufgebrachten Adhäsäons- und der Isolationsschicht entfernt. Dies kann beispielsweise durch Ätzen mit verdünnter Flusssäure (HF) geschehen. Nachdem der Ätz-Prozess abgeschlossen ist, werden Sollbruchsteilen in den Grundkörper eingebracht, bevor dieser Diamant beschichtet wird. Nach dem Beschichten des Grundkörpers mit der Diamantschicht wird der Grundkörper entlang dieser Sollbruchstellen gebrochen. Dabei können eine oder mehrere Diamant-Elektroden gieichzeitig aus dem gleichen Grundkörper hergestellt werden, wodurch die Massenproduktion vereinfacht und das entsprechende Herstellungsverfahren kostengünstiger durchführbar wird. - -

Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Grundkörper um einen Silizium-Einkristall. Derartige Einkristalle werden heute beispielsweise in der Halbleiter-Industrie in großen Mengen verwendet und sind entsprechend kostengünstig auf dem Markt erhältlich.

In einer bevorzugten Ausgestaltung verfügt die wenigstens eine Vertiefung über wenigstens eine Flanke, die entlang einer vorbestimmten Kristaliebene des Grundkörpers verläuft. Es hat sich herausgestellt, dass unterschiedliche Kristallgitterebenen im Silizium-Einkristall unterschiedliche Ätzgeschwindigkeiten aufweisen. So hat man beispielsweise für monokristallines Silizium festgestellt, dass die (1 11)-Ebene etwa 400-mal langsamer als die (100)-Ebene geätzt werden kann. Auf diese Weise lassen sich Flanken ätzen, die einen durch die Kristallstruktur des verwendeten Materials fest vorgegebenen Neigungswinkel aufweisen und daher auf besonders einfache Weise sehr exakt herstellbar sind.

Vorzugsweise verfügt die wenigstens eine Vertiefung über mehrere, bevorzugt vier, Flanken, von denen mehrere, vorteilhafterweise alle, entlang einer vorbestimmten Kristallebene verlaufen. Auf diese Weise lässt sich nicht nur der Neigungswinkel einer Flanke, sondern der Neigungswinkel einfach und exakt herstellen.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die vorbestimmten Kristallebenen <111 >-Ebenen sind. Durch diese Notation wird vorliegend die Menge der raumdiagonalen Ebenen der Kristaiistruktur beschrieben. Jede der so benannten Kristallebenen ist folglich eine der acht möglichen raumdiagonalen Ebenen. Ein Silizium-Einkristall liegt in der Diamantstruktur, also einem kubisch-flächen- zentrierten Gitter vor. Die acht raumdiagonalen Ebenen sind folglich kristallo- grafisch gleichwertig. Daher ist es möglich, auch die in unterschiedliche Richtungen verlaufenden Flanken der Vertiefung durch Ätzprozesse so herzustellen, dass sie entlang dieser Ebenen verlaufen.

Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die wenigstens eine Vertiefung einen Durchbruch durch den Grundkörper bildet. Auf diese Weise ist er später durch die Flüssigkeit, die durch die Elektrode elektrochemisch behandelt werden soll, gut umspülbar. Zudem entstehen insbesondere an der Unterseite, an der der Durchbruch durch das Ätzen von der Oberseite ausgehend vollendet wird, scharfe Kanten, die einen sehr kleinen Krümmungsradius aufweisen. An dieser Stelle findet folglich zumindest ein Großteil der elektrochemischen Behandlung und der dabei auftretenden Reaktionen statt. Wird die wenigstens eine Vertiefung als Durchbruch ausgebildet, kann die Flüssigkeit, die es elektrochemisch zu behandeln gilt, auch an dieser Stelle einfach entlangströmen.

Vorzugsweise werden mehrere Vertiefungen gleichzeitig in die Oberfläche des Grundkörpers geätzt, die besonders vorteilhafterweise identisch ausgebildet sind.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Sollbruchsteilen in den Grundkörper gesägt. Sie bestehen folglich insbesondere aus einer gegebenenfalls starken Dickenreduzierung. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Dicke des Grundkörpers an der Soilbruchstelle auf höchstens 30%, vorteil hafterweise höchstens 20%, besonders vorteilhafterweise höchstens 10% der Dicke des Grundkörpers vor dem Einbringen der Sollbruchsteilen reduziert wird. Je geringer die Restdicke ist, desto einfacher lässt sich die Diamant-Elektrode später aus dem Grundkörper herausbrechen. Allerdings steigt die Anfälligkeit gegenüber Erschütterungen und Stößen während des Herstellungsprozesses.

Vorzugsweise wird eine Dicke des Grundkörpers auf einen vorbestimmten Wert reduziert, bevor der Grundkörper Diamant beschichtet. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, den Grundkörper bis zu diesem Zeitpunkt in einer Dicke zu behandeln, die der üblicherweise in der Halbieitertechnik verwendeten Dicke entspricht. Auf diese Weise können die für die Halbleitertechnik optimierten Verfahren und die zum Durchführen der Verfahren benötigten Vorrichtungen und Maschinen verwendet werden, ohne dass teure Neuentwicklungen, Sonderanfertigungen oder sonstige Änderungen nötig sind. Gegebenenfalls wird jedoch eine Diamant-Elektrode benötigt, deren Dicke geringer ist als die Dicke, . - in der der Grundköper ursprünglich vorliegt. In diesem Fall kann die Dicke voll- flächig auf den vorbestimmten Wert reduziert werden. Dies kann beispielsweise durch Schieifverfahren geschehen.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch eine Diamant-Elektrode, die nach einem der hier beschriebenen Verfahren herstellbar ist.

Mit Hilfe der beiliegenden Figuren wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Figur 1 - verschiedene Stadien beim Durchführen eines Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 - mehrere noch nicht vereinzelte Diamant-Elektroden und

Figur 3 - einen vergrößerten Ausschnitt einer Diamant-Elektrode.

Figur 1 zeigt verschiedene Schritte beim Durchführen eines Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiei der vorliegenden Erfindung. Auf einen Grundkörper 2 wurde im gezeigten Ausführungsbeispiel zunächst eine fotoaktive Schicht 4 aufgebracht. Zuvor kann es nötig sein, auf den Grundkörper 2, der aus Silicium besteht, weitere Schichten, beispielsweise eine Adhäsionsschicht aus Siliciumdioxid (S1O2) und/oder eine Isolationsschicht aufzubringen, die vorteilhafterweise aus Siliciumnitrit (S13N4) besteht. Diese Schichten sind je nach verwendeten fotoaktiven Schichten notwendig oder vorteilhaft, jedoch aus Übersichtlichkeitsgründen in Figur 1 nicht dargestellt. Der Grundkörper 2 mit der darauf aufgebrachten fotoaktiven Schicht 4 ist in der oberen linken Abbildung der Figur 1 dargestellt.

In der darunter gezeigten Abbildung ist die fotoaktive Schicht 4 beispielsweise durch Belichten bearbeitet worden. Sie weist daher eine Lücke 6 auf, in der eine Oberfläche 8 des Grundkörpers 2 frei zugänglich ist.

In der unteren linken Darstellung aus Figur 1 ist die Situation nach dem Ätzen wenigstens einer Vertiefung 10 in den Grundkörper 2 gezeigt. Dies kann beispielsweise mittels Kaliumlauge (KOH) geschehen. Aufgrund der besonderen Eigenschaften des Grundkörpers 2 aus Silicium verfügt die Vertiefung 10 über Flanken 12, die entlang vorbestimmter Kristallebenen verlaufen. Bei Silicium sind unterschiedliche Kristailebenen unterschiedlich leicht durch Ätzen entfernbar. Da sich die Flanken 12 entlang vorbestimmter Kristallebenen erstrecken, ist der Neigungswinkel, den die Flanke 12 relativ zur Oberseite 8 oder der gegenüberliegenden Unterseite des Grundkörpers 2 einschließt, sehr exakt herstellbar und reproduzierbar. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Vertiefung 10 durchgehend und erzeugt somit einen Durchbruch 14 durch den Grundkörper 2. im nächsten Verfahrensschritt, dessen Ergebnis in Figur 1 oben rechts dargestellt ist, werden auf dem Grundkörper 2 aufgebrachte Schichten entfernt. Dies kann beispielsweise durch einen Ätzprozess mit verdünnter Flusssäure (HF) erfolgen. Zusätzlich dazu kann eine Höhe oder Dicke des Grundkörpers 2, die durch den Abstand zwischen der Oberfläche 8 und der gegenüberliegenden Unterseite 16 definiert wird, auf das gewünschte Maß reduziert werden. Dies kann beispielsweise über Schieifvorrichtungen geschehen.

Anschließend werden in dem Grundkörper 2 Sollbruchstellen 18 eingebracht, so dass sich das in Figur 1 in der rechten mittleren Darstellung gezeigte Bild ergibt. Die Sollbruchstellen 18 können beispielsweise als Vertiefungen in die Oberfläche 8 des Grundkörpers 2 gesägt werden, so dass nur ein geringer Steg 20 aus dem Silicium des Grundkörpers 2 übrig bleibt. Erst nach diesem Schritt wird vorteilhafterweise der Grundkörper 2 diamantbeschichtet. Dies erfolgt über aus dem Stand der Technik herkömmliche und bekannte Verfahren. Anschließend kann die Diamantelektrode 22 vereinzelt werden, indem die Stege 20 an den Sollbruchstellen 18 zerbrochen werden. Dadurch wird die Diamantelektrode 22 herausgebrochen und vereinzelt.

Figur 2 zeigt die Darstellung von acht Diamantelektroden 22, die noch nicht vereinzelt wurden. Die bereits beschriebenen Verfahrensschritte können beispielsweise bei einem Siiiciumwafer durchgeführt werden, der beispielsweise einen Durchmesser von 200 mm aufweisen kann. Aus so einem Wafer können eine Vielzahl von Elektroden hergestellt werden, die erst im letzten Verfahrensschritt vereinzelt werden, indem die Soiibruchstelien 18 durchbrochen werden. In Figur 2 erkannt man, dass jede der gezeigten Diamantelektroden eine Vielzahl von Vertiefungen 10 aufweist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind alle Diamantelektroden 22 mit der gleichen Anzahl und Anordnung von Vertiefungen 10 ausgebildet. Dies ist gegebenenfalls von Vorteil, jedoch nicht notwendig. Es ist durchaus möglich, für unterschiedliche Diamantelektroden 22 unterschiedliche Positionierungen und Anzahlen von Vertiefungen 10 vorzusehen, was beispielsweise auf besonders einfache Weise erreicht werden kann, indem unterschiedliche Masken zur Belichtung der fotoaktiven Schicht 4 verwendet werden. Zwischen den in Figur 2 dargestellten Diamantelektroden 22 befinden sich bereits Soiibruchstelien 18, die in die Oberfläche des Wafer eingesägt oder auf sonstige Weise eingebracht wurden. Entlang dieser Sollbruchstellen 18 kann der Grundkörper 2 zerbrochen und die einzelnen Diamantelektroden 22 vereinzelt werden.

Figur 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt auf einer Draufsicht auf die Oberfläche 8 einer Diamantelektrode 22. Gezeigt sind drei Vertiefungen 10, die jeweils über vier Flanken 2 verfügen, die durch Ätzen der Vertiefungen 10 entstanden sind. Auch in dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Vertiefungen 10 so tief, dass sie Durchbrüche 14 bilden, die zentral zwischen den Flanken 12 dargestellt sind. Die Flanken 12 erstrecken sich entlang vorbestimmter Kristallebenen des Silicium-Einkristailes, der vorteilhafterweise als Grundkörper 2 für die Diamantelektrode 22 verwendet wird. Die Neigungswinkel sind somit sehr exakt und reproduzierbar herstellbar, so dass auch die Fertigung und Hersteilung großer Stückzahlen der Elektroden auf sehr einfache und dennoch genaue Weise möglich ist. Bezugszeichenliste

2 Grundkörper

4 fotoaktive Schicht 6 Lücke

8 Oberfläche

10 Vertiefung

12 Flanke

14 Durchbruch 16 Unterseite

18 So!lbruchstelle

20 Steg

22 Diamanteiektrode