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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem ein mikromechanisches Bauelement mit einer porosifizierten Membran in einem Trägerelement hergestellt werden kann, nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
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Aus der Schrift
DE 100 32 579 A1 ist bereits ein Halbleiterbauelement bekannt, bei dem eine poröse Schicht in einem Halbleitersubstrat erzeugt wird, welche durch die Bildung einer darunter liegenden Kaverne zu einer Membran ausgebildet wird. Eine derartige poröse Schicht lässt sich beispielsweise dadurch erzeugen, dass Silizium in Flusssäure anodisiert wird.
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Diese Porosifizierung kann ausgenutzt werden, um feinporige Membranen und Filter zu erzeugen, mit denen Flüssigkeiten und Gase gereinigt werden können. In bekannten Anlagen zur Porosifizierung, wie sie beispielsweise aus der
DE 199 14 905 A1 bekannt sind, wird der zu porosifizierende Wafer in ein Becken mit Flussäure, Wasser und einem Netzmittel, z. B. EtOH, IPA getaucht. Dabei kann der Wafer sowohl zwischen der Kathode und der Anode platziert werden als auch selber die Anode einer elektrochemischen Zelle bilden. Die Leitfähigkeit (Bereitstellung der Ladungsträger) im Si wird durch eine hohe Dotierung (vorzugsweise p++, Bor) oder/und Beleuchtung sichergestellt. Sobald jedoch der Wafer an einer Stelle gänzlich porosifiziert ist, die poröse Schicht also von einer bis zur anderen Seite reicht, kommt es zu einem Kurzschluss im Elektrolyten und der Prozess der Porosifizierung kommt zum Stillstand. Dieser Durchbruchseffekt führt zu einem sehr inhomogen porosifizierten Bereich an der Membranoberfläche. Man erhält zudem in dieser Region extrem niedrige Porositäten von unter 10%, die die Aufgabe der porösen Membran im späteren Einsatz stark beeinträchtigt.
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Aus der Schrift
US 20014/0124092 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Membran bekannt, bei dem eine Schicht aus selbstorganisierendem Material verwendet wird. Dieses selbstorganisierende Material wird auf eine Substrat aufgebracht, um eine poröse Maske für das darunter liegende Substrat zu bilden. Anschließend wird durch das poröse selbstorganisierende Material das Substratmaterial derart herausgelöst, dass in diesem Substratmaterial ebenfalls ein poröser Bereich entsteht.
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Aus der Schrift
DE 2004 036 032 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem in einem Substrat ein Bereich mit einer erhöhten Dotierung erzeugt wird. Durch eine zusätzlich aufgebrachte strukturierte Maskenschicht wird ein Anodisierungsprozess durchgeführt, der in dem Bereich lokal erzeugte Mesoporen entstehen lässt, wobei in dem darunter liegenden Substrat eine Schicht mit Nanoporen entsteht. Mittels einer anschließenden Temperung wird in dem Substrat durch Umlagerung des Substratmaterials eine Kaverne und in dem Bereich eine geschlossene Schicht erzeugt.
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Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren, das sicherstellt, dass die Silizium-Membran vollständig und gleichmäßig porosifiziert wird.
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Vorteile der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein mikromechanisches Bauelement, ein dafür geeignetes Herstellungsverfahren sowie die Verwendung des mikromechanischen Bauelements als Filter eines Fluids beschrieben. Dabei besitzt das mikromechanische Bauelement ein Trägerelement aus einem Halbleiterelement, welches eine freitragende Membran mit porösen Strukturen aufweist. Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, dass die porösen Strukturen, die sich von einer Seite der Membran auf die andere Seite der Membran erstrecken und somit jeweils eine Durchgangsöffnung darstellen, gleichmäßig auf der Oberfläche der Membran verteilt sind.
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Durch eine gleichmäßig auf der Oberfläche der Membran verteilte Anordnung von Poren gleicher Größe kann ein effektiver Filter erzeugt werden, mit dem der Durchlass mikroskopisch kleiner Substanzen, z. B. biologische Zellen, gegenüber dem diese Substanzen enthaltenen Fluids verhindert werden kann. Besonders vorteilhaft dabei ist, dass dieser Filter in Form einer porösen Membran einstückig mit einem Rahmen in Form eines Trägerelements verbunden ist. Zur mechanischen Stabilisierung können auch Stützstege in die Membran eingebracht sein.
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Eine derartig gleichmäßige Verteilung der Poren auf bzw. in der Membran wird durch die Verwendung einer elektrisch leitfähigen Schicht erreicht, die vor der Erzeugung der Poren in der Membran durch einen elektrochemischen Ätzvorgang erzeugt werden. Dabei wird vorteilhafterweise die elektrisch leitfähige Schicht auf einer Seite der Membran aufgebracht, wohingegen der Ätzvorgang, d. h. der Materialabtrag, von der anderen Seite der Membran gestartet wird. Im Laufe des Ätzvorgangs wird dabei zunächst die Membran porös geätzt. Erst wenn die Poren sich bis zur elektrisch leitfähigen Schicht gebildet haben, wird auch Material von dieser Schicht abgetragen. Sobald die Poren eine durchgehende Öffnung von einer Seite zur anderen Seite der Membran bilden, stoppt der Ätzprozess infolge eines Kurzschlusses, so dass der Ätzprozess automatisch zum Stillstand kommt. Anschließend wird die elektrisch leitfähige Schicht mittels eines geeigneten Ätzvorgangs selektiv gegenüber dem Material der Membran und/oder des Trägerelements in dem die Membran sich befindet entfernt.
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Der Vorteil bei dieser Vorgehensweise besteht darin, dass sich die Verarmungszone, d. h. die Bildung von nur sehr wenigen durchgehenden Poren durch die Membran bevor ein Kurzschluss den elektrochemischen Ätzvorgang beendet in der elektrisch leitfähigen Schicht befindet. Durch die Entfernung dieser Schicht kann die durchgehende Porenbildung in der Membran genauer gesteuert werden.
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So lassen sich beispielsweise die Durchmesser der Öffnungen der Poren aber auch die Größe der Poren durch eine geeignete Wahl der Ätzparameter (z. B. Säurestärke, Stromstärke, Ätzdauer) in Verbindung mit der Wahl der Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Schicht vorgeben. Vorgesehen sind dabei Porendurchmesser von 2 nm bis 20 μm wobei insbesondere für Filter, die in Flüssigkeiten verwendet werden soll, z. B. im Rahmen eines Glukose Sensors Porendurchmesser von 2 bis 20 nm vorgesehen sind.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die Membran direkt aus dem Trägerelement herauszustrukturieren. Dies wird vorteilhafterweise mittels eines Trenchätzprozesses erreicht, bei dem eine Kaverne in das aus einem Halbleitersubstrat bestehende Trägerelement getrencht wird.
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Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, die Membran mittels eines Depositionsprozesses, z. B. eines epitaktischen Wachstums auf dem Trägerelement zu erzeugen, beispielsweise indem eine oder mehrere Membranschichten auf das Trägerelement aufgebracht werden. Dabei kann auch die Verwendung eines SOI Substrates vorgesehen sein.
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Um ein selektives Ätzen der elektrisch leitfähigen Schicht gegenüber dem Material der Membran bzw. des Trägerelements zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, die elektrisch leitfähige Schicht aus dotiertem SiGe bzw. Si herzustellen während die Membran bzw. das Trägerelement aus Si oder SiC besteht.
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Zur Stabilisierung der porösifizierten Membran bzw. des damit erzeugten Filters können Stege dienen, die direkt an der Membran anliegen.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Zeichnungen
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Die 1a bis 1d sowie 2a bis 2c zeigen alternative Herstellungsverfahren, bei dem eine poröse Membran aus einem Trägerelement herausstrukturiert wird. Dagegen zeigen die 3a bis 3d eine Erzeugung einer porösen Membran durch das epitaktische Aufwachsen von Membranschichten. In der 4c wird eine Ausgestaltung der Erfindung mit Stegen gezeigt.
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Ausführungsbeispiel
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Zur Erzeugung einer gleichmäßigen Porosifizierung in einer Membran wird, wie in 1a dargestellt, zunächst in einem ersten Ausführungsbeispiel eine Maskierungsschicht 110 auf die Rückseite eines Silizium-Halbleitersubstrat 100 aufgebracht. Diese Schicht dient für den nachfolgenden Ätzprozess als Maske für die Bildung einer Kaverne 120, die eine Membran 140 in dem Si-Halbleitersubstrat 100 erzeugt. Die Kaverne kann dabei mittels eines KOH-Ätzvorgangs aber auch mittels eines Trenchätzprozesses erzeugt werden. Um einen frühzeitigen Kurzschluss und somit Beendigung des elektrochemischen Ätzvorgangs vor Vollendung einer gleichmäßigen Durchdringung der Membran mit Poren zu verhindern, wird auf die der Kaverne 120 abgewandten Seite der Membran 140 eine elektrisch leitfähige Schicht 130 aufgebracht (siehe 1b). Diese elektrisch leitfähige Schicht weist beispielsweise dotiertes SiGe, Si oder SiC auf, je nach Membranmaterial, da diese Schicht in einem späteren Verfahrensschritt selektiv gegenüber dem Material der Membran 140 geätzt werden muss. Anschließend wird die Porosifizierung der Membran 140 mittels bekannter elektrochemischer Verfahren von der Rückseite des Si-Halbleitersubstrats 100 durch die Kaverne 120 durchgeführt. Dabei wird zunächst die gesamte Si-Schicht der Membran 140 sowie ein Teil des Kavernenrands porös geätzt, bevor auch das SiGe der elektrisch leitfähigen Schicht 130 porös geätzt wird. Mit Erreichen einer ausreichenden Zahl von Öffnungen zwischen den beiden Membranseiten bzw. einer vorgegebenen Größe der Öffnungen in der Membran kommt es zum Kurzschluss und zur Einstellung des elektrochemischen Ätzvorgangs. Nach einem selektivem Entfernen der elektrisch leitfähigen Schicht 130 gegenüber dem Material des Halbleitersubstrats 100 erhält man, wie in 1c dargestellt, eine poröse Membran 150, die in einem Rahmen bestehend aus dem übrigen Halbleitersubstrat 100 einstückig bzw. freitragend eingebettet ist.
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In der 1d, die einen Ausschnitt der porösen Membran 150 der 1c darstellt, ist beispielhaft dargestellt, wie die porösen Strukturen in der Membran ausgebildet sind. Durch den erfindungsgemäßen Ätzprozess werden eine Vielzahl von Öffnungen bzw. Kanäle gebildet, die von einer Seite der Membran zur anderen Seite reichen. Dabei kann der verwendete Ätzprozess dazu führen, dass die Öffnungen an der Seite, an der der Ätzvorgang beginnt, einen größeren Durchmesser als auf der andere Seite haben. Maßgeblich für die Verwendung der porösen Membran als Filter ist jedoch der jeweilige kleinste Durchmesser der Öffnung.
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Zur Erreichung eines vorgesehenen Querschnitts der Öffnungen sind die Ätzparameter derart auszuwählen, dass ausreichend viele Öffnungen mit dem gewünschten Durchmesser auf der Seite der Membran ausgebildet werden, auf der auch die elektrisch leitfähige Schicht 130 aufgebracht und wieder entfernt wurde. Die Verwendung der nötigen Ätzparameter für eine bevorzugte Durchmessergröße der Öffnungen kann dabei aus einer Vielzahl von Vergleichsmessungen ermittelt werden. Neben den Ätzparametern wie Stromstärke, Säurestärke, Ätzdauer und verwendeter Ätzmaterialien wirkt sich auch die Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Schicht auf die erreichbaren Durchmesser der Öffnungen aus. Je länger der Ätzvorgang benötigt, um einen Kanal bzw. eine Öffnungen durch die leitfähige Schicht zu ätzen, desto größer wird der Durchmesser am Übergang Membran-leitfähige Schicht. Zusätzlich bestimmt die Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Schicht auch die Anzahl an Öffnungen durch die Membran. Dies bedeutet, dass bei einer dickeren leitfähigen Schicht mehr Öffnungen durch die endgültige Membran erzeugt werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den 2a bis 2c dargestellt. Hierbei wird die Membran 250 zwar ebenfalls aus Halbleitersubstrat 100 heraus strukturiert, jedoch erfolgt der Ätzvorgang nicht wie im ersten Ausführungsbeispiel durch die Kaverne 120, sondern von der Oberseite der Halbleitersubstrats 100. Der Vorteil bei einem derartigen Verfahren ist, dass die Seitenwände der Kaverne 120 nicht porös geätzt werden.
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Ausgangspunkt dieses Ausführungsbeispiels ist, wie in 2a dargestellt, wieder ein Si-Halbleitersubstrat 100, auf dem eine erste Maskierungsschicht 110 zur Bildung der Kaverne 120 aufgebracht wird. Nach der Erzeugung der Kaverne 120 wird wie in 2b gezeigt, von der Rückseite eine elektrisch leitfähige Schicht 230 vorzugsweise auf den Boden und die Wände der Kaverne 120 aufgebracht. Um unnötige Maskierungsschritte zu vermeiden, kann die gesamte Rückseite des Halbleitersubstrats 100 mit dieser Schicht 230 bedeckt werden, da diese Schicht 230 im Folgenden ohnehin wieder selektiv entfernt wird. Zum Schutz des Si-Halbleitermaterials auf der Vorderseite des Substrats 100 bzw. zur Definition der lokale Lage der Membran 240 können eine oder mehrere Schichten 200 bzw. 210 zur Maskierung aufgebracht werden (siehe 2b). Mit Hilfe der so erzeugten zweiten Maskierung auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats 100 wird nachfolgend durch den bereits erwähnten Ätzprozess die Membran 250 lokal porös geätzt, bevor die elektrisch leitfähige Schicht 230 selektiv gegenüber dem Silizium des Halbleitersubstrats 100 entfernt wird. In der 2c sind hierzu die Schichten 200 und 210 ebenfalls entfernt dargestellt, wobei auch vorgesehen sein kann, dass diese Schichten auch bei dem fertigen Halbleiterelement zumindest teilweise noch vorhanden sind. Dabei können einzelne oder mehrere dieser Schichten 200 bzw. 210 bereits funktionelle Eigenschaften für die spätere Verwendung des noch zu erzeugenden Halbleiterelements aufweisen. Denkbar sind hierbei beispielsweise Schaltungs- oder Auswerteelemente für Sensorelemente auf der Membran 240 bzw. 250.
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In einem dritten Ausführungsbeispiel wird die porös zu ätzende Membran 350 nicht aus dem Halbleitersubstrat 100 selbst erzeugt sondern durch zusätzlich aufgebrachte Schichten definiert. Zu diesem Zweck werden auf dem Halbleitersubstrat 100 eine oder mehrere Schichten 300 bzw. 310 aufgebracht, z. B. mittels eines epitaktischen Wachstums (siehe 3a). Anschließend kann, wie bereits in den vorherigen Ausführungsbeispielen dargelegt, mittels einer ersten Maskierung von der Rückseite des Halbleitersubstrats 100 eine Kaverne 120 erzeugt werden. Diese Kaverne kann dabei durch das gesamte Halbleitersubstrat 100 hindurch geätzt werden, wie in 3b zu erkennen ist. Alternativ kann diese Kaverne jedoch auch nur auf einen Teil des Substrats beschränkt sein. Zur Definition der lateralen Ausdehnung der Membran 340 der Oberseite des Halbleitersubstrats 100 ist wie bereits in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel eine zweite Maskierung 320 notwendig, die auf die bereits abgeschiedenen Schichten 300 und 310 aufgebracht wird. Zusätzlich wird wieder auf die Rückseite des Halbleitersubstrats 100 eine elektrisch leitfähige Schicht 330 aufgebracht, die auch die Wände und den Boden der Kaverne 120 bedeckt. Im nachfolgenden Ätzschritt wird das Material der Schichten 300 und 310 an der Stelle der Membran 340 derart geätzt, dass wie bereits beschrieben eine poröse Membran 350 entsteht. Anschließend wird in einem weiteren Schritt die zweite Maskierung 320 und die elektrisch leitfähige Schicht 330 entfernt.
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Mit dem dritten Ausführungsbeispiel lässt sich in vorteilhafterweise die Membrandicke eindeutig festlegen, wenn die Kaverne bis zur ersten aufgebrachten Schicht 300 reicht. Dabei kann statt einem Si-Halbleitersubstrat 100 auch ein anders geartetes Substrat verwendet werden, beispielsweise ein nicht leitendes Substrat. Die Schicht 300 besteht vorteilhafter Weise aus einem Oxid, welches als selektiver Trenchstopp für die Membrandefinition genutzt wird (genaue Einstellung der Membrandicke über ganzen Wafer). Nach Trench wird diese Schicht 300 beispielsweise in Flusssäure entfernt und im Anschluss die elektrisch leitfähige Schicht 330 aufgebracht. Die Membran 350 wird aus der Schicht 310 gebildet.
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Als elektrisch leitfähige Schicht kann eine dotierte Schicht aus SiGe verwendet werden, die in ähnlicher Weise wir Si porosifiziert werden kann, aber durch CIF3 selektiv zum Si geätzt werden kann. Als Maskierungsschichten werden üblicherweise SiC-Schichten, SiN, Si3N4 oder auch PT-Schichten verwendet. Darüber hinaus ist auch eine n-Dotierung des Si-Materials möglich.
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Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Membran aus SiC herzustellen und die leitfähige Schicht aus dotiertem SiGe oder Si herzustellen, da SiC von CIF3 nicht angegriffen wird.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß der 4 kann vorgesehen sein, die Membran 400 mit Stützstegen 410 zu versehen. Diese Stützstege 410 können wie abgebildet auf der gleichen Höhe wie das Substrat 100 enden. Es kann jedoch auch eine andere Höhe der Stützstege 410 vorgesehen sein, z. B. wenn das Substrat 100 in ein anderes Bauelement eingesetzt wird.
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In der 4 sind die Stützstege 410 ebenfalls wie die Membran 400 porös geätzt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Stützstege 410, die beim Einbringen der Kaverne 120 stehen gelassen werden, nicht porös geätzt werden. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Membran 400 nur in den Verlängerungen der Kavernen 120 porös geätzt wird. In letzterem Fall bleiben auf der Membran 410 Stellen in der Verlängerung der Stützstellen 410 übrig, die die ursprüngliche Materialdichte des Substrats 100 bzw. der aufgebrachten Schicht(en) 300 bzw. 310 aufweisen. Dies hat jedoch für die Filterwirkung keine Auswirkung, da lediglich das effektive Verhältnis von Kavernenbreite zu Porengröße für den Fluss durch die Membran 400 relevant ist.
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Eine gemäß den vorstehenden Ausführungen hergestellte poröse Membran mit einer homogenen Verteilung der Durchgangsöffnungen kann in vielfältiger Weise verwendet werden. So kann mit einer derartigen Membran ein implantierbarer Glukose-Sensor realisiert werden, bei dem die Membran die biochemische Messzelle des Sensors vor der körpereigenen Abwehr schützt. Darüber hinaus kann eine solche als Filter einsetzbare Membran aber ganz allgemein in Zellchips bzw. in Chips für den Laborbedarf eingesetzt werden, um kleine Bestandteilen eines Fluids den Durchtritt zu ermöglichen, während größere Bestandteile zurückgehalten werden.
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Ganz allgemein kann ein Filter, wie er gemäß der Beschreibung in einem festen Rahmen einstückig ausgebildet wird, zur Filterung von Flüssigkeiten wie auch von Gasen verwendet werden.