Strukturierte Schichtabscheidung auf prozessierten Wafern der Mikrosystemtechnik

Die Erfindung befasst sich mit der strukturierten Schichtabscheidung auf prozessierten Wafern der Mikrosystemtechnik. Verfahren und Vorrichtung werden dazu vorgeschlagen.

In der Scheibenbearbeitung zur Herstellung von Mikrostruktursystemen auf geeigneten Substratscheiben - beispielsweise Halbleiterscheiben in Form von z.B. Siliziumscheiben, was hierein auch kurz als Waferprozess bezeichnet wird - durch Mikrosystemtechnik ist es (sehr) häufig notwendig, dass im Verlauf oder am Ende der Fertigung komplexer mikroelektromechanischer Strukturen die Halbleiterscheiben (Wafer) oder Chipstrukturen teilweise, d.h. strukturiert, mit Schichten versehen werden. Dabei ist die übliche Mehrschichttechnologie, die auf dem ganzflächigen Abscheiden der Schicht und ihrer anschließenden fotochemischen Strukturierung beruht, in der Regel nicht effizient einsetzbar. Entweder dürfen bestimmte Teilbereiche der Wafer/Chips gar nicht erst beschichtet werden, da z.B. dieses Beschichten mikromechanische Strukturen unbrauchbar machen würde, und/oder eine fotochemische Strukturierung ist aufgrund eines ausgeprägten Oberflächenprofils und/oder dem Vorhandensein von nicht ätzbaren Schichten nicht möglich, oder der Aufwand ist zu groß.

Lange bekannt sind Beschichtungsmasken, welche öffnungen für das abzuscheidende Material besitzen. Solche Masken, z.B. aus Metall sind insofern problematisch, als es bei sehr profilierten Oberflächen zu Fehllagen kommt und die abzuscheidenden Strukturen dadurch nicht scharf begrenzt sind. Nachteile bezüglich der Qualität, der Ausbeute und der Packungsdichte entstehen auf diese Weise. In gleicher Weise nachteilig wirkt sich die schlechte Justierbarkeit solcher Hartmasken bei Mikrostrukturen aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur strukturierten Schichtabscheidung auf prozessierten Mikrosystemtechnik-Wafern anzugeben, welche die geschilderten Nachteile des Standes der Technik beseitigen und die Qualität dieses Prozesses verbessern.

Die Aufgabe wird gemäß einem Aspekt gelöst durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten: Vorsehen von zwei oder mehr mechanischen Justagestrukturen am Mikrosystemtechnikwafer, Bereitstellen einer Durchdampfmaske mit zwei oder mehr

mechanischen Maskenjustagestrukturen, die in ihrer Form und Lage auf ein mechanisches Eingreifen mit den zwei oder mehr mechanischen Justagestrukturen am Mikrosystemwafer ausgelegt sind. Des weiteren werden die zwei oder mehr mechanischen Justagestrukturen des Mikrosystemwafers mit den zwei oder mehr mechanischen Maskenjustagestrukturen der Durchdampfmaske in Kontakt gebracht, und es wird selektiv Material auf den Mikrosystemwafer durch öffnungen aufgebracht, die in der Durchdampfmaske vorgesehen sind. Schließlich wird die Durchdampfmaske nach dem selektiven Aufbringen des Materials abgehoben.

Damit gibt die Erfindung eine Verfahrensweise an, die auf der Anwendung einer besonderen Beschichtungsmaske als Durchdampfmaske, und insbesondere eines Justiersystems für die Beschichtungsmaske und Mikrosystemtechnikwafer beruht, welche die Justiergenauigkeit und die exakte Begrenzung der aufzubringenden strukturierten Schichten erhöht. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also eine Struktur vorgesehen, die als mechanisch bezeichnet wird in dem Sinne, dass die Verbindung der Justagestrukturen auf der Maske und dem Wafer durch mechanisches Eingreifen ineinander erreicht wird, so dass eine mechanische Fixierung (oder Sperre) in Bezug auf Verdrehung oder laterale Relativbewegung stattfindet. Die Justagestrukturen auf dem Wafer und der Maske sind dabei als komplementäre Strukturen ausgebildet, beispielsweise mittels Erhebung und dazu komplementärer Einsenkung (in der entsprechenden Zahl).

Nach erfolgter Abscheidung des gewünschten Materials durch die öffnungen der Durchdampfmaske kann diese wieder abgehoben werden und bei Bedarf für die selektive Beschichtung einer weiteren Scheibe (Ansprüche 7, 18) verwendet werden (Anspruch 3).

In vorteilhaften Ausführungsformen wird durch die Justagestrukturen eine selbstjustierende Wirkung erreicht, indem geneigte Fixier-, Sperr- oder Kontaktflächen der Maskenjustagestrukturen und dazu komplementäre Flächen auf/in dem Wafer vorgesehen werden, die ein Abgleiten ermöglichen, bis die gewünschte laterale Relativposition erreicht wird. Dies kann durch eine konische Ausbildung von entsprechender Einsenkung und der komplementär-konischen Erhebung erreicht werden (Ansprüche 2 und 4 oder Ansprüche 8 bis 12).

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Verbindung mit vielen Arten der Materialabscheidung und der Beschichtung angewendet werden, beispielsweise CVD, PVD, etc. (Anspruch 6).

Des weiteren lässt sich das Verfahren auch effizient in den Gesamt-Herstellungsablauf zur Erzeugung von Mikrosystemstrukturen auf Wafern integrieren, da die Justagestrukturen an den Wafern zusammen mit den Bauteilstrukturen hergestellt werden können.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Durchdampfmaske bereit gestellt, die mehrfach zur selektiven Materialaufbringung in Mikrosystemwafern verwendet werden kann (Anspruch 7).

Eine mehrfache Verwendung ist vorteilhaft (Anspruch 17). Mehrere Wafer haben passende Justagestrukturen zu denjenigen Justagestrukturen, welche an der Maske angeordnet sind (Anspruch 18).

Die Dicke der Maske ist bevorzugt unter 1 mm (Anspruch 16). Sie kann als Scheibe aus einem Verbund mehrerer Werkstoffe bestehen (Anspruch 15).

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Maske sowie des zuvor genannten Verfahrens sind den weiteren Ansprüchen und auch der folgenden Beschreibung zu entnehmen.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der schematischen Zeichnung näher erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer Anordnung aus einem

Mikrosystemtechnikwafer 2 und einer Beschichtungsmaske 1 als Durchdampfmaske in vorjustierter Stellung, wobei die Beschichtungsmaske noch nicht aufgesetzt ist. Es sind verschiedene Arten von Justagestrukturen 4a, 4b oder 5a, 5b gezeigt.

Figur 2 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des Wafers 2 der

Mikrosystemtechnik mit aufgesetzter Beschichtungsmaske 1 während des Aufdampfprozesses.

Figur 3 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des

Mikrosystemtechnikwafers mit Elementen 8, 8' der beschichteten Struktur. Die Maske 1 ist abgenommen.

Figur 4a, 4b sind Herausvergrößerungen von zwei Arten komplementärer

Justagestrukturen 4a, 4b oder 5a, 5b aus Figur 1 , wobei sie hier nicht gemeinsam in einem Bild, sondern in zwei getrennten Bildern als zwei eigene Ausführungsformen abgebildet sind. Entsprechendes gilt für die Strukturen 5' und 4' am linken Rand der Figur 1 , die ebenso gestaltet sein können.

Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Anordnung mit einer Beschichtungsmaske 1 , die auch als Durchdampfmaske 1 bezeichnet wird, für das selektive Beschichten eines, und in vorteilhaften Ausführungsformen, von mehreren Mikrosystemtechnikwafern 2, der bzw. die empfindliche Strukturen 3a in einem nicht zu beschichtenden Bereich 3 aufweisen. Diese sollen nicht beschichtet werden.

In der gezeigten Ausführungsform weist die Beschichtungsmaske 1 mindestens zwei mechanisch wirkende Justagestrukturen 4, 4' auf, die auch als Masken- Justagestrukturen bezeichnet werden, die sehr genau passend zu Justagestrukturen 5, 5' auf dem Mikrosytemtechnikwafer 2 ausgebildet sind. Die Justagestrukturen 4 und 5 oder 4' und 5' sind zueinander komplementär in dem Sinne, dass sie mechanisch ineinander eingreifen können und damit eine Fixierung der Relativposition zumindest in Bezug auf eine Verdrehung - des Wafers 2, relativ zur Maske 1 - ermöglichen.

Dazu sind in der gezeigten Ausführungsform die Justagestrukturen 4 und 5 in gleicher Geometrie, also mit komplementärer oder inverser Struktur, und Lage jeweils vertieft im Wafer 2, in Form einer Einsenkung 5a, und erhaben an der Durchdampfmaske 1 , in Form einer Erhebung 4a angebracht, so dass sie sich gut ineinander setzen können und somit Wafer 2 und Maske 1 in eine sehr genau definierte Lage zueinander bringen und gegen ein Verschieben oder Verdrehen sichern.

In anderen Ausführungsformen weist die Maske 1 die Justagestrukturen 4 in Form einer Einsenkung 4b auf, und die Justagestrukturen 5 besitzen eine Erhebung 5b (gestrichelt gezeichnet in Figur 1 ).

In weiteren Ausführungsformen können beide Justagestrukturen 4 und 5 jeweils Erhebungen und Einsenkungen aufweisen, allerdings in zueinander komplementärer Weise. Eine der Strukturen 4 kann eine Erhebung und eine andere Struktur 4 eine Einsenkung aufweisen, so dass auch die entsprechenden Justagestrukturen 5 auf dem Wafer eine Einsenkung bzw. eine Erhebung aufweisen. Auch können innerhalb einer einzelnen Justagestruktur Erhebungen und Einsenkungen in Form einer „Feinstruktur" vorgesehen werden.

Gleiches gilt für die Strukturen 5' und 4' auf der anderen Seite der empfindlichen Mikrostruktur 3a.

In einer Ausführungsform besteht die Beschichtungsmaske 1 wie auch der Mikrosystemtechnikwafer 2 aus Silizium, so dass gleiche Strukturierungstechniken, beispielsweise ätzen oder dergleichen eingesetzt werden, um die Justagestrukturen 4 und 5 sowie 4' und 5' zu bilden.

In anderen Ausführungsformen können die Maske 1 und der Wafer 2 aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut sein, so dass insbesondere im Hinblick auf die Materialien der Maske 1 ein gewünschtes Verhalten berücksichtigt werden kann. Dieses bezüglich der Wiederverwendung, bezüglich der Verträglichkeit mit den Prozessbedingungen bei Materialabscheidung, bezüglich einer Reinigung der Maske 1 , oder bezüglich dergleichen. Beispielsweise kann die Maske 1 aus einem oder mehreren Basisschichten oder Materialien aufgebaut sein und eine abschließende Schicht wird mit geeigneter Dicke so vorgesehen, dass zum einen die Sollabmessungen eingehalten werden und zum anderen die gewünschten Oberflächeneigenschaften erreicht werden. Z.B. kann eine Schicht im Bereich von mehreren 10 nm aus SiN, SiC, SiO etc. aufgebracht werden, um die Oberflächeneigenschaften einzustellen.

In einer Ausführungsform wird eine selbstjustierende Wirkung der Justagestrukturen 4 und 5 erreicht, indem die Justagestruktur 4 schräge Flanken 4c und die Justagestrukturen 5 (komplementäre) schräge Flanken 5c aufweisen, die ein exaktes Einpassen der Beschichtungsmaske 1 und des Wafers 2 ermöglichen, so dass sich Positioniergenauigkeiten im Mikrometerbereich ergeben. Durch die schräge Flanke ergibt sich ein Kegel oder Kegelstumpf, im Sinne einer Konizität bei einer Justagestruktur 4 und einer Gegenkonizität bei der anderen Justagestruktur 5. Die Konizität kann einen Abschnitt belegen, bevorzugt haben die Justagelemente Kegelstumpfform mit endseitiger Abflachung.

Doch auch jede andere mechanisch exakt passende Kombination aus Justageelementen ist geeignet.

Figur 2 zeigt die Beschichtungsmaske 1 und den Mikrosystemtechnikwafer 2, wenn diese gefügt sind, wobei das Fügen manuell oder mit Hilfe von Anlagen, beispielsweise durch einen Waferbond-Aligner erfolgen kann. Daraufhin folgt eine Schichtabscheidung 6 durch öffnungen 7, 7' in der Beschichtungsmaske 1 , welche die zu beschichtenden Bereiche definieren, so dass sich nach dem Abheben der Beschichtungsmaske die beschichteten Bereiche ergeben.

Figur 3 zeigt den Wafer 2 nach dem Aufbringen des Materials durch den Prozess 6, der CVD, PVD, Schablonendrucken oder dergleichen beinhalten kann. Bei der Bearbeitung während des Prozesses 6 und der damit verknüpften Scheibenhandhabung ist in der Regel die mechanische Passung der Justagemarken 4 und 5 ausreichend für ein automatisches Handling in den Beschichtungsanlagen; ggf. können jedoch der Wafer 2 und die Maske 1 durch Klemmen zusätzlich zueinander gesichert werden.

Figuren 4a und 4b sind Herausvergrößerungen von zwei Arten komplementärer Justagestrukturen 4a, 4b oder 5a, 5b aus Figur 1 , wobei sie hier in zwei getrennten Bildern als zwei eigene Ausführungsformen abgebildet sind. Entsprechendes gilt für die Strukturen 5' und 4' am linken Rand der Figur 1 , die ebenso gestaltet sein können.

Justageelement 4a ist eine mit geneigten Flanken ausgebildete Erhebung an der Maske, geeignet zum justierenden Einsetzen in die Einsenkung 5a, mit entsprechend geneigten Flanken 5c. Justageelement 5b ist eine mit geneigten Flanken 5c' ausgebildete Erhebung an dem Wafer 2 der Mikrosystemtechnik, geeignet zum justierenden Einsetzen in die Einsenkung 4b, mit entsprechend geneigten Flanken 4c'.

Das Verfahren eignet sich für unterschiedliche Beschichtungsprozesse wie Metallisierung durch Sputtern und Verdampfen, aber auch für die Abscheidung von dielektrischen Schichten in CVD-Prozessen und sogar für den Schablonendruck, wobei die Beschichtungsmaske 1 in diesem Fall als Schablone dient. Aus praktischen Aspekten, etwa im Hinblick auf das Wafer-Handling, die Strukturierung, die Stabilität, etc. wird die Dicke der Beschichtungsmaske 1 (Durchdampfmaske) in geeigneter weise ausgewählt. Eine Dicke von einigen 100 Mikrometern ist für viele Situationen bei der Herstellung von Mikrostrukturen geeignet. So kann eine Dicke im Bereich von 100μm bis 900μm verwendet werden, oder es kann im Wesentlichen die gleiche Dicke wie für den Wafer 2 verwendet werden.

Bei der Erzeugung der eigentlichen Bauteilstrukturen, so der Struktur 3, werden eine Vielzahl an Prozesstechniken eingesetzt, beispielsweise Schichtabscheidung, Lithographie, ätzen und dergleichen, wobei zumindest einige dieser Prozesse auch eingesetzt werden können, um die Justagestrukturen 5, 5' in dem Wafer 2 zu erzeugen. Beispielsweise können die Strukturen 5, 5' in Form von Einsenkungen 5a während eines ätzprozesses gebildet werden, in dem auch andere Einsenkungen für die eigentlichen Bauteile (Strukturen 3) gebildet werden, wobei eine geeignete Lithographiemaske für die gewünschten lateralen Abmessungen sorgen kann. In anderen Fällen werden im Herstellungsablauf geeignete Prozessschritte eingefügt, um die Strukturen 5 in der gewünschten Geometrie herzustellen, ohne dass dadurch nachteilig in den Gesamtablauf eingegriffen wird.

In einer speziellen Ausführungsform erfolgt eine selektive Beschichtung 8 des strukturierten Mikrosystemtechnikwafers 2, wobei die Beschichtung durch die öffnungen 7 in einer auf den Wafer 2 aufgesetzten mehrfach verwendbaren Beschichtungsmaske 1 erfolgt. Die Maske 1 deckt nicht zu beschichtenden Bereiche 3 des Mikrosystemtechnikwafers 2 ab, wobei auf dem Mikrosystemtechnikwafer 2 und auf der Beschichtungsmaske 1 in exakt gleicher Lage und mit gleichen Abständen zueinander mechanische Justagestrukturen 4 und 5 angebracht werden. Die Justagestrukturen auf der Beschichtungsmaske 1 sind erhaben und auf dem Wafer 2 der Mikrosystemtechnik eingesenkt, oder umgekehrt.

Beim Aufsetzen der Beschichtungsmaske 1 erfolgt eine Selbstjustierung der Beschichtungsmaske 1 gegenüber dem Mikrosystemtechnikwafer 2.

Nach dem Beschichtungsprozess der Schicht oder des Schichtstücks 8 wird die Beschichtungsmaske 1 abgehoben. Beim nächsten Beschichtungsprozess kann die Maske 1 wieder verwendet werden, bei gleichem Ablauf.

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Bezugszeichenliste (Auszug)

1 Beschichtungsmaske

2 Mikrosystemtechnikwafer

3 nicht zu beschichtender Bereich; mit empfindlichen Mikrostrukturen 3a (z.B. MEMS)

4, 4' mechanisch wirkende Justagestruktur der Beschichtungsmaske

4a Erhebung in der Justagestruktur 4 4b Einsenkung in der Justagestruktur 4 4c schräge Flanke in der Justagestruktur 4

5, 5' mechanisch wirkende Justagestruktur des Mikrosystemtechnikwafer

5a Einsenkung in der Justagestruktur 5

5b Erhebung in der Justagestruktur 5

5c schräge Flanke in der Justagestruktur 5

6 Beschichtungsprozess, beispielsweise Strahl des Besen ichtungsstoffes

7, T Maskenöffnungen in der Beschichtungsmaske

8, 8' unter Verwendung der selbst-justierenden Beschichtungsmaske 1 aufgebrachte

Schichtstruktur