Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oberflä- chen- ikromechanischer Strukturen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus der Druckschrift WO 92/03740 ist ein Verfahren zur Her¬ stellung oberflächen-mikromechanischer Strukturen bekannt, wobei auf ein Siliziumsubstrat als Siliziumwafer eine Opfer¬ schicht aus Siliziumoxid deponiert und so strukturiert wird, daß u.a. Fenster zum Siliziumsubstrat als spätere Veranke¬ rungsstellen für freie Strukturen geschaffen werden. Auf der Opferschicht wird eine zweite Schicht aus Polysilizium abge¬ schieden und ebenfalls strukturiert entsprechend der late¬ ralen Begrenzungen der späteren freien Strukturen.

Anschließend wird mit wässriger Flußsäurelösung als Ätzlö¬ sung, die eine hohe Selektivität gegenüber polykristallinem Silizium und damit gegenüber der zweiten Schicht aufweist, die Opferschicht entfernt. Dadurch entstehen Strukturen, die im Abstand der Dicke der entfernten Opferschicht frei über dem Siliziumsubstrat stehen und an den vorher strukturierten Fensterstellen der Opferschicht auf dem Siliziumsubstrat ver¬ ankert sind.

Nach dem Ätzen wird der Siliziumwafer gespült, wobei die Spül¬ flüssigkeit anschließend vom Wafer und den mikromechanischen Strukturen wieder entfernt werden muß. Ein an sich übliches Trocknen durch Schleudern oder Heizen ist jedoch hier nicht möglich, da die sich zurückziehenden Flüssigkeiten durch ihre Oberflächenspannung Kräfte auf die freigeätzten Mikrostruktu- ren ausüben würden. Dadurch' würden die flexiblen, freigeleg¬ ten MikroStrukturen deformiert werden, sich an das Silizium¬ substrat anlegen und damit irreversibel auf der Substratober¬

10 fläche haften bleiben. Es ist daher bekannt, die Spülflüssig¬ keit durch eine Flüssigkeit auszutauschen, die entweder durch Einfrieren (z.B. Cyclohexan) oder durch Lösemittelentzug (Fotolack/Azetongemisch) in die feste Phase überführt werden kann. Anschließend erfolgt durch Sublimation oder durch chemi- ■, ■- sehe Reaktion, z.B. durch den bekannten Fotolack/Azeton-Ver- aschungsprozeß der Übergang vom festen in den gasförmigen Zu¬ stand, bei dem nur minimale Kräfte durch Oberflächenspannun¬ gen auftreten und dadurch die mikromechanischen Strukturen frei bleiben.

20

Vorteile der Erfindung

Bei dem gattungsgemäßen Herstellungsverfahren mit den kenn¬ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs wird zum Ätzen und

25 zur Freilegung der mikromechanischen Strukturen der Silizium- wafer in keine Ätzflüssigkeit getaucht und braucht daher auch nicht aufwendig getrocknet zu werden. Der Siliziumwafer wird dagegen der Dampfphase eines Gemisches aus anhydrider Flußsäu¬ re und Wasser in einer Dampfphasenätzung ausgesetzt, wobei

30 durch geeignete Maßnahmen, z.B. durch Heizen des Wafers, si¬ cherzustellen ist, daß sich kein Kondensat auf der Waferober- flache bildet, welches die frei werdenden mikromechanischen Strukturen anhaften läßt. Obwohl Wasser in der Ätzreaktion ein Produkt ist, ist es auch als Initiator notwendig, da bei gc der Entfernung von Siliziumoxid die Reaktion über Zwischen¬ schritte nach der Reaktionsgleichung erfolgt:

Siθ2 + 4 HF —^SiF + 4 H2O

Vorteilhaft läßt sich daher durch Einstellen des Wasserge¬ halts an der Waferoberflache die Reaktionsgeschwindigkeit steuern und der Ätzvorgang kontrollieren. Neben dem aus der Dampfphase stammenden Wasser beeinflußt die Menge des vor der Ätzung absorbierten bzw. adsorbierten Wassers die Ätzrate. Es sind kurze Ätzzeiten von nur wenigen Stunden möglich und nach einer Dampfphasenätzung sind die mikromechanischen Strukturen frei und trocken. Zeitaufwendige Sublimationen und Spülen mit bis zu mehreren Tagen Dauer, wie sie beim herkömmlichen Ver¬ fahren anfallen, sind nicht erforderlich. Durch die geringen Krafteinwirkungen bei der Dampfphasenätzung auf die Struktu¬ ren sind auch sehr empfindliche Strukturen realisierbar. Die Dampfphasenätzung läßt sich an verschiedenen Stellen der IC- Herstellung durchführen und erleichtert damit die Verwendung von Standardtechniken und die Integrierbarkeit von Auswerte¬ elektronik. Zudem kann das Verfahren mit einfachen Mitteln durchgeführt und auf bestehende Prozesse übertragen werden.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen des Her¬ stellungsverfahrens nach dem Hauptanspruch zum Inhalt. Insbe¬ sondere kann vorteilhaft eine Opferschicht aus undotiertem Siliziumoxid direkt mit der Dampfphasenätzung entfernt wer¬ den. Es sind zudem mechanische Verstärkungen zwischen dem Siliziumsubstrat und den freizuätzenden Strukturen möglich, die erst zum Ende des Prozesses entfernt werden. Es können auch Opferschichten aus dotieretem Siliziumoxid in einem ersten herkömmlichen Ätzvorgang mit flüssiger Ätzlösung ent¬ fernt und eine Spülflüssigkeit durch Schleudern entfernt wer¬ den, wobei anschließend durch einen zweiten Ätzvorgang in der trockenen Dampfphasenätzung Verstärkungen entfernt werden. Zum Schutz der mikromechanischen Strukturen, insbesondere bei der Vereinzelung, sind in einfacher Weise auch verkapselte An¬ ordnungen ausführbar. Die Opferschichtentfernung mit einer Dampfphasenätzung erfordert keine Prozeßschritte auf Wafer- ebene und kann auch nach der Vereinzelung auf Chipebene durch¬ geführt werden. Bei einer azeotropen Konzentration der Flu߬ säure von 38,26 % entspricht das Verhältnis Flußsäure/Wasser in der flüssigen Phase dem in der Gasphase, so daß konstante

Ätzbedingungen über der Zeit erhalten werden.

Besonders vorteilhaft kann mit Hilfe einer Teststruktur und einer Kapazitätsmessung eine In-Situ-Ätzratenkontrolle durch- geführt werden, da hier das Ätzmedium elektrisch nicht lei¬ tet.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar¬ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu¬ tert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein Gefäß, das teilweise mit anhydrider Flußsäure und Wasser gefüllt ist und auf das ein Siliziumwafer aufgelegt ist,

Fig. 2 eine perspektivische Draufsicht auf eine relativ gro¬ ße, mikromechanische Struktur eines Beschleunigungssen¬ sors mit aufgebrachten, mechanischen Verstärkungen,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Ausführung, ähnlich Fig. 2, mit einer Kapselung,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Teststruktur zu einer In- Situ-Ätzratenkontrolle und

Fig. 5 ein Diagramm zur Veränderung der Kapazität in der An¬ ordnung nach Fig. 4.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

In Fig. 1 ist eine Anordnung 1 zu einer Dampfphasenätzung dar¬ gestellt, mit einem Behälter 2, die eine Flußsäurelösung HF mit einer azeotropischen Konzentration von 38,26 % enthält. Auf den Behälter ist ein Siliziumwafer 3 dicht aufgesetzt, so daß die Oberfläche 4, auf der mikromechanische Strukturen her¬ gestellt werden, der Behälterinnenseite zugewandt und damit

der Dampfphase aus anhydrider Flußsäure und Wasser ausgesetzt ist. Der Siliziumwafer 3 kann eine Vielzahl von Siliziumsub¬ straten 9 aufweisen.

Über dem Wafer 3 ist eine flächige Heizung 5 zu dessen Behei¬ zung angeordnet. Neben einer Heizung kann eine Kondensation eines Wasserfilms auch durch ein Pumpen verhindert werden.

Der Siliziumwafer 3 ist vor der Dampfphasenätzung in der An¬ ordnung gemäß Fig. 1 so aufgebaut, daß auf einem Siliziumsub¬ strat eine Opferschicht aus Siliziumoxid mit Fenstern für spä¬ tere Verankerungen der Strukturelemente deponiert ist. Auf der Opferschicht ist eine zweite Schicht aus Polysilizium ab¬ geschieden und entsprechend der lateralen Begrenzungen der Strukturelemente strukturiert.

In der Anordnung gemäß Fig. 1 wird durch die Dampfphasen- ätzung die Opferschicht trocken entfernt, so daß freistehende Strukturelemente im Abstand der Dicke der Opferschicht frei über dem Substrat stehen.

Durch kontrollierte Beheizung des Siliziumwafers 3 mit dem Heizelement 5 wird der Wassergehalt an der Waferoberflache 4 eingestellt, wodurch die Ätzrate steuerbar ist. Bei einer un¬ dotierten Opferschicht aus Siliziumoxid kann mit dieser Anord¬ nung und mit diesem Verfahren die Opferschicht direkt ent- ^■ fernt werden, wobei nur minimale Kräfte auf die freigelegten Strukturen auftreten.

Da bei der Realisierung von oberflächen-mikromechanischen Strukturen und Sensoren oft auch elektronische Schaltungen, insbesondere in der Art von Auswerteschaltungen, integriert werden, müssen diese durch einen geeigneten IC-kompatiblen Schutzfilm vor dem Ätzmedium geschützt werden. Bei herkömm¬ lichen Ätzungen in flüssigen Ätzmedien zeigen Fotolacke die Tendenz, aufzuquellen und sich bereits nach kurzer Zeit abzu¬ lösen, lange bevor der Ätzvorgang abgeschlossen ist, so daß die Schutzwirkung entfällt. Bei der vorliegenden Dampfphasen-

ätzung zeigt dagegen gewöhnlicher Positivlack eine sehr gute Resistenz gegen das Ätzmedium und stellt damit während des ge¬ samten Ätzvorgangs einen wirksamen Schutz für integrierte Schaltungen dar. Nach der Dampfphasenätzung wird der Fotolack mit Sauerstoffplas a entfernt.

In Fig. 2 ist eine relativ große freizulegende Struktur 6 als Meßelement eines Beschleunigungssensors dargestellt. Die Struktur 6 besteht im wesentlichen aus einer Masse als Platte 7, die an den Ecken über vier Schenkel 8 mit dem Siliziumsub¬ strat 9 als Träger verbunden und dadurch mechanisch sehr weich aufgehängt sind. Im gezeigten Zustand ist die Platte 7 mit ihren Schenkeln 8 über Ätzgräben 10 in ihrer lateralen Be¬ grenzung freigeätzt. Mit der nun folgenden Dampfphasenätzung c entsprechend Fig. 1 soll die (nicht explizit dargestellte)

Opferschicht aus Siliziumoxid unter der Platte 7 entfernt wer¬ den .

Wegen der mechanisch sehr weichen Aufhängung können bereits 0 geringste Kräfte beim Freiätzen eine Auslenkung der Masse bzw. Platte 7 bewirken und zu einem irreversiblen Anhaften führen. Um dem entgegenzuwirken, sind vor der Dampfphasen¬ ätzung Versteifungen aus Fotolack zwischen der freizulegenden Struktur bzw. Platte 7 und dem Träger aus Siliziumsubstrat 9 5 angebracht. Diese Versteifungen 11 können am Rand oder auch in der Mitte der jeweiligen Masse in beliebiger Zahl ange¬ bracht werden und verhindern eine Auslenkung und damit ein An¬ haften während des Ätzvorgangs. Dabei wird die Ätzresistenz von Fotolacken bezüglich des verwendeten Ätzmediums ausge- Q nutzt, so daß die jeweilige Masse bzw. Platte 7 mit temporä¬ ren Versteifungen versehen ist .

Diese Versteifungen aus Fotolack werden zweckmäßig zugleich mit einem Fotolack-Schutzfilm für elektronische Schaltungen 5 aufgebracht. Nach dem Freiätzen wird der Fotolack, d.h. gege¬ benenfalls ein Schutzfilm und die Versteifungen, mit Sauer¬ stoffplasma entfernt, wodurch die Strukturen freigegeben, wer¬ den.

Mit dem beschriebenen Verfahren kann eine Opferschicht aus undotiertem Siliziumoxid vollständig entfernt werden. Bei einem Druck im mtorr-Bereich ist dieses Verfahren auch zur Ätzung von PSG (Phosphor-Silikat-Gläsern) geeignet. Es werden jedoch auch dotierte Oxide (Bor- oder Phosphorsilicatglas) oder Silizium-Nitride für Opferschichten eingesetzt. Bei der Ätzung in flüssigen Medien lassen sich solche dotierte Opfer¬ schichten rückstandsfrei ätzen. Bei der erfindungsgemäßen Dampfphasenätzung reichern sich jedoch Bestandteile der Opfer¬

10 schichten, z.B. Dotierstoffe, auf der Siliziumsubstratoberflä¬ che an und hinterlassen Filme bzw. Partikel, die zwar wasser¬ löslich sind, aber im vorliegenden, trockenen Verfahren nicht entfernt werden können, ohne dessen Vorteile aufzugeben. Damit ist eine Ätzung dieser dotierten Opferschichten in der , j- Dampfphase praktisch nicht durchführbar. Es sind aber dennoch die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auch hier nutz¬ bar. Dazu werden ebenfalls Versteifungen 11 an der Struktur 6 angebracht, wie sie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt sind. Diese Versteifungen sind hier aus einem, gegenüber der

20 zu entfernenden Opferschicht, langsam ätzenden Material herge¬ stellt. Zum Freiätzen der Strukturen wird eine Zweistufen¬ ätzung durchgeführt: Zunächst wird nach den bekannten Verfah¬ ren in einer Ätzflüssigkeit die Opferschicht rückstandsfrei entfernt. Dabei bleiben die langsamer ätzenden Versteifungen

25 11 noch weitgehend erhalten, wodurch die freizulegende Struk¬ tur bzw. Platte 7 an einer Auslenkung gehindert ist und nicht anhaften kann. Durch die Festlegung und Fixierung über die Versteifungen 11 kann auf die Strukturen ohne negative Auswir¬ kung eine relativ große Kraft einwirken, so daß eine Trock¬

30 nung des Siliziumwafers durch einfaches Schleudern möglich ist. Aufwendige Sublimationsverfahren oder chemische Verfah¬ ren zur Trocknung können entfallen. Im Anschluß daran werden die Versteifungen 11 in einer erfindungsgemäßen, trockenen Dampfphasenätzung entfernt und die Strukturen liegen damit

35 frei .

In Fig. 3 ist ein ähnlicher Aufbau einer Struktur 6 darge¬ stellt wie in Fig. 2, so daß für gleiche Teile gleiche Bezugs-

zeichen verwendet sind. Auch hier ist eine Masse als Platte 7 eines Beschleunigungssensors über Schenkel 8 relativ weich an einem umgebenden Siliziumsubstrat 9 aufgehängt, wobei vor der Dampfphasenätzung der Opferschicht unter der Platte 7 Verstei¬ fungen 11 als Brücken angebracht sind. Zudem ist die Struktur 6 durch eine Abdeckung 12 aus Polysilizium gekapselt. An den seitlichen Aufstandsflächen der Abdeckung 12 sind Ätzöffnun¬ gen 13 als Durchgänge zur Struktur 6 angebracht.

10 Für die Versteifungen 11 kann bei dieser verkapselten Ausfüh¬ rungsform kein Fotolack verwendet werden, da über diesem aus Temperaturgründen keine zweite Polysiliziumschicht als Ab¬ deckung 2 deponiert werden kann. Es wird daher anstelle von Fotolack ein in der Dampfphasenätzung langsam und rückstands- -, ■- frei ätzendes Material verwendet, das zu LPCVD-Depositionen

(Low Pressure Chemical Vapor Disposed) kompatibel ist. Auch dieses Material dient zur temporären Versteifung und ätzt langsamer als das Material der Opferschlicht . Als geeignetes Material für diese temporären Versteigungen 11 kommt hier

20 eine dünne Polysiliziumschicht in Frage, deren Ätzselektivi¬ tät gegenüber dem Siliziumoxid der Opferschicht durch Sauer¬ stoffimplantation gezielt eingestellt werden kann.

Zum Freiätzen dringt das Ätzmedium durch die Ätzöffnungen 13

25 zur Struktur 6 in den geschaffenen Innenraum ein. In einem ersten Ätzabschnitt wird zunächst die Opferschicht vollstän¬ dig entfernt, wobei die Versteifungen 11 nur zum Teil ange¬ griffen werden und ihre Abstützfunktion weiter behalten, so daß die freizulegende Masse bzw. Platte 7 in ihrer Stellung

30 fixiert ist und ein Anhaften auf den Träger verhindert wird. In einem zweiten Ätzabschnitt werden dann die Versteifungen 11 durch Weiterätzen entfernt, wodurch die Struktur bzw. Plat¬ te 7 freigegeben wird. Danach läßt sich die Kammeranordnung durch Deposition einer weiteren Schicht verschließen und der

35 Wafer weiterbearbeiten bzw. vereinzeln. Eine gekapselte Anord¬ nung ist bei der Vereinzelung des Wafers auf einer Standard¬ säge vorteilhaft, da dann kein Sägeschlamm und Kühlflüssig¬ keit unter die freigelegten Strukturen gelangen kann.

Eine andere Möglichkeit, diese Probleme beim Sägen und verein¬ zeln mikromechanischer Elemente zu umgehen, liegt in der Ver¬ tauschung der sonst üblichen Abfolge von Opferschichtätzen und Sägen. Da das erfindungsgemäße Verfahren mit Dampfphasen- ätzung im Gegensatz zu den bekannten Verfahren mit Flüssig¬ keitsätzung keine Prozeßschritte auf Waferebene erfordert, kann die Opferschichtätzung auch nach der Vereinzelung auf Chipebene durchgeführt werden. Die Vereinzelung wird zweck¬ mäßig auf einer Sägefolie mit adhäsiver Beschichtung vorge¬ nommen. Zum Schutz der strukturierten, aber noch nicht frei¬ gelegten, mikromechanischen Strukturen, kann die Oberfläche durch eine Spezialfolie vor dem Sägeschlamm geschützt werden. Nach dem Entfernen der oberen Folie werden die vereinzelten Chips auf der Sägefolie dem Ätzmedium in der Dampfphasen- ätzung ausgesetzt und die Opferschicht entfernt. Gegebenen¬ falls vorhandene, integrierte Schaltungen werden auch hierbei durch Fotolack geschützt.

In Fig. 4 ist eine Teststruktur dargestellt, die zusätzlich für eine In-Situ-Ätzratenkontrolle, zur Steuerung und Ätzend¬ punkterkennung auf dem Siliziumwafer angebracht ist. Hierzu ist auf dem Siliziumsubstrat 9 ein Bereich der Opferschicht 14 abgegrenzt und mit der zweiten Schicht 15 aus abgeschiede¬ nem Polysilizium abgedeckt. Die Schicht 15 enthält Lochreihen 16, wobei die Löcher bis zur Opferschicht 14 durchgehen. Die Darstellung nach Fig. 4 zeigt einen Zustand in einem bereits fortgeschrittenen Ätzstadium, bei dem Ätzmedium in der Dampf- phasenätzung durch die Lochreihen 16 zur Opferschicht 14 ein¬ gedrungen ist und jeweils unter einem Loch bereits eine wan- nenförmige Vertiefung 17 weggeätzt hat.

Auf das Siliziumsubstrat 9 und auf die zweite Schicht 15 sind Kontaktspitzen 18, 19 für eine Kapazitätsmessung aufgesetzt.

Nachfolgend wird die Funktion der In-Situ-Ätzratenkontrolle durch die Teststruktur in Verbindung mit Fig. 5 erläutert: Da die Ätzrate der Opferschicht durch externe Faktoren, wie Adsorption von Wasser an der Oberfläche beeinflußt werden,

ist eine genaue Steuerung am günstigsten durch eine In-Situ- Kontrolle durchführbar. Da bei der erfindungsgemäßen Dampf- phasenätzung das Ätzmedium elektrisch nicht leitet, kann im Gegensatz zum herkömmlichen Verfahren mit flüssigen Ätzmedien der Wafer elektrisch mit den Kontaktspitzen 18, 19 kontak¬ tiert werden. Das Siliziumsubstrat 9 und die zweite Schicht 15 aus Polysilizium bilden die Kondensatorplatten eines Kon¬ densators. Beim Start des Ätzvorgangs ist der Zwischenraum zwischen den Kondensatorplatten vollständig mit der Opfer¬

10 schicht als Dielektrikum ausgefüllt. Das Siliziumoxid der Opferschicht wird im Laufe des Ätzvorgangs zunehmend geätzt und durch Luft ersetzt, entsprechend der Darstellung in Fig. 5. Dadurch sinkt die effektive, relative Dielektrizitätskon¬ stante von 3,85 (CQX für Siliziumoxid) auf 1 (Cn _j ft für _j e Luft). Der Ätzfortschritt kann somit an der Änderung des kapa¬ zitiven Signals, wie es über die Kontaktspitzen 18, 19 abge¬ griffen wird, verfolgt werden.

Bei konstanter Ätzrate nimmt bei üblichen Anordnungen die

20 gemessene Kapazität zunächst mit einer quadratischen Zeit¬ abhängigkeit ab und geht dann bei Überlappung von Ätzfronten in eine Sättigung über, so daß sich insgesamt der in Fig. 5 dargestellte, S-förmige Verlauf über die Zeitachse ergibt. Anreicherung und Verarmung von Wasser an der Oberfläche

25 machen sich durch ein Abweichen von einer solchen S-förmigen Sollkurve bemerkbar und lassen sich in einem Regelkreis durch Änderung der Heizleistung der Heizung 5 kompensieren. Damit läßt sich der Ätzvorgang in einem sicheren Arbeitsbereich fah¬ ren, bei dem kritische Zustände, beispielsweise durch Bildung

20 eines Wasserfil s auf der Oberfläche, verhindert werden.

Nach vollständiger Entfernung der Opferschicht 14 wird die Schicht 15 unter dem Druck der aufgesetzten Kontaktspitze 18 komprimiert und kommt dadurch zur Anlage am Siliziumsubstrat 3 9. Dies zeigt sich durch eine abrupte Erhöhung des Kapazitäts- signals bzw. durch einen Kurzschluß, wie dies .in Fig. 5 darge¬ stellt ist. Dadurch wird der Endpunkt des Ätzvorgangs angege¬ ben, entsprechend dem Pfeil 20. Eine solche In-Situ-Messung

der Ätzrate ermöglicht die Vermeidung von Unter- und Über¬ ätzungen und von kritischen Arbeitsbereichen sowie die Rege¬ lung der Ätzrate in weiten Bereichen.