DE19701843C1

DE19701843C1 - Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Strukturen

Info

Publication number: DE19701843C1
Application number: DE1997101843
Authority: DE
Inventors: Franz Dr Laermer; Andrea Schilp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-01-21
Filing date: 1997-01-21
Publication date: 1998-04-30
Anticipated expiration: 2017-01-22

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Strukturen nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Aus der DE 43 15 012 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Strukturen bekannt, bei der auf einer unteren Siliziumschicht eine dielektrische Schicht und darauf eine obere Siliziumschicht angeordnet ist. Aus der oberen Siliziumschicht werden Strukturen für einen Beschleunigungssensor herausstrukturiert. In die untere Siliziumschicht wird unterhalb der beweglichen Strukturen dieses Beschleunigungssensors eine Ausnehmung eingeätzt. Im Bereich der beweglichen Strukturen wird dann die dielektrische Schicht entfernt. Die dielektrische Schicht besteht dabei aus Siliziumoxid.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine besonders zuverlässige und sichere Herstellung von mikromechanischen Strukturen gewährleistet wird. Dies wird dadurch erreicht, daß in der dielektrischen Schicht definiert Zugspannungen eingestellt werden können, die es dann erlauben besonders feine mikromechanische Strukturen in der ersten Siliziumschicht auszubilden, ohne einen Bruch der dielektrischen Schicht zu riskieren. Die Strukturierung der zweiten Siliziumschicht kann daher problemlos als letzter Ätzschritt des Herstellungsverfahrens der mikromechanischen Strukturen erfolgen, da die unter Zug stehende, dichte dielektrische Membran eine zuverlässige Abdichtung zur Vorderseite gewährleistet und diese vor dem Naßätzmedium abschirmt.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafter Weiterbildungen und Verbesserungen des Verfahrens nach dem unabhängigen Patentanspruch möglich. Die erste Siliziumschicht kann bedeutend dünner, insbesondere mindestens fünfmal dünner als die zweite Siliziumschicht ausgebildet werden. Es können so besonders feine Strukturen gebildet werden, die zunächst mit einer massiven Substratplatte verbunden und daher sehr stabil sind. Wenn die zweite, dickere Siliziumschicht zuletzt geätzt wird, wird das Handling während der Herstellung vereinfacht und es besteht keine Gefahr, daß die empfindlichen mikromechanischen Strukturen bzw. der ganze Wafer durch einen Bruch zerstört werden. Naßchemisch geätzte Wafer brechen sehr leicht, da die ätzstoppenden Kristallebenen gerade den leicht spaltbaren Richtungen des Siliziumkristalls entsprechen. Besonders einfach wird die dielektrische Schicht dadurch gebildet, daß zwei Siliziumplatten durch einen Bondprozeß miteinander verbunden werden, wobei auf einer dieser Siliziumplatten eine Siliziumnitridschicht angeordnet ist, deren Oberfläche durch einen Oxidationsprozeß in eine Siliziumoxidschicht umgewandelt wurde. Derartige Siliziumplatten lassen sich problemlos durch einen Direkt-Bondprozeß (SFB = Silicon- fusion-bonding) miteinander verbinden. Nach dem verbinden kann dann eine der Siliziumplatten in ihre Dicke verringert werden um die erste, dünne Siliziumschicht zu bilden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die

Fig. 1 und 2 das Herstellungsverfahren anhand von Querschnitten durch die Siliziumschichten und

Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf die erste Siliziumschicht.

Beschreibung

In der Fig. 1 wird ein Querschnitt durch eine Schichtplatte 100 gezeigt, die eine erste Siliziumschicht 1 und eine zweite Siliziumschicht 2 aufweist. Zwischen der ersten Siliziumschicht 1 und der zweiten Siliziumschicht 2 ist eine dielektrische Schicht 3 angeordnet. Die dielektrische Schicht 3 weist mehrere dielektrische Einzelschichten auf. Zur ersten Siliziumschicht 1 ist eine Siliziumoxidschicht 6 und zur zweiten Siliziumschicht 2 ist eine Siliziumoxidschicht 4 vorgesehen. Zwischen den beiden Siliziumoxidschichten 4, 6 ist eine Siliziumnitridschicht 5 angeordnet.

Die einzelnen Schichtdicken und lateralen Abmessungen sind hier nicht maßstabsgerecht dargestellt. Die erste Siliziumschicht 1 weist typischerweise eine Schichtdicke zwischen 20 bis 70 µm, vorzugsweise 50 µm, die zweite Siliziumschicht eine Dicke zwischen 300 und 700 µm vorzugsweise 450 µm, die Oxidschicht 6 eine Dicke von typischerweise zwischen 300 bis 700 Nanometer, vorzugsweise 500 Nanometer, die Siliziumnitridschicht 5 eine Dicke von ca. 100 bis 500 Nanometer, vorzugsweise 300 Nanometer und die Siliziumoxidschicht 4 eine Dicke von ca. 10 bis 20 Nanometern auf. Da die Schichtplatte 100 wie später noch beschrieben wird aus der Verbindung von üblichen Siliziumwafern hervorgeht, betragen die lateralen Abmessungen der Schichtplatte 100 zwischen 10 cm (Vier-Zoll-Wafer) bis hin zu 20 cm (Acht-Zoll-Wafer).

Zur Herstellung der Schichtplatte 100 wird ein erster Siliziumwafer und ein zweiter Siliziumwafer miteinander verbunden. Die Dicke des zweiten Siliziumwafers beträgt dabei im wesentlichen die Dicke der zweiten Siliziumschicht 2. Die Dicke des ersten Siliziumwafers ist wesentlich größer als die Dicke der ersten Siliziumschicht 1. Auf einem dieser beiden Siliziumwafer werden dann die einzelnen Schichten der dielektrischen Schicht 3 erzeugt. Für die nachfolgende Beschreibung wird davon ausgegangen, daß dies auf dem ersten Siliziumwafer geschieht. Durch thermische Oxidation wird zunächst die gewünschte Schichtdicke für die Siliziumoxidschicht 6 erzeugt. Durch thermische Oxidation werden Siliziumoxidschichten mit extrem hoher Oberflächengüte geschaffen, die hervorragend für die weitere Bearbeitung insbesondere für einen Bondprozeß geeignet sind. Auf dieser thermischen Siliziumoxidschicht wird dann eine Siliziumnitridschicht erzeugt, deren Dicke ein wenig größer ist als die gewünschte Dicke der Siliziumnitridschicht 5. Wenn die Erzeugung dieser Siliziumnitridschicht durch einen LPCVD-Prozeß (low pressure chemical vapor deposition process) erfolgt, läßt sich dabei ebenfalls die für den Bondprozeß notwendige hohe Oberflächengüte gewährleisten. Da die Oberfläche einer derartigen Nitridschicht in der Regel hydrophob und für die Verbindung mit Siliziumplatten nicht geeignet ist, wird durch eine abermalige thermische Oxidation eine oberflächliche Schicht dieser Siliziumnitridschicht unter Beibehaltung der Oberflächenqualität reoxidiert, d. h. wieder in Siliziumoxid zurückverwandelt. Da dieser Prozeß nur sehr langsam vor sich geht, lassen sich so nur geringe Schichtdicken in der Größenordnung von 10 bis 20 Nanometern erzeugen. Diese dünne oberflächliche Oxidschicht 4 kann dann jedoch genutzt werden um den ersten Siliziumwafer mit dem zweiten Siliziumwafer zu verbinden. Dies erfolgt nach einer entsprechenden Oberflächenvorbehandlung durch Hydrophilisierung der Silizium- bzw. Siliziumoxidoberfläche. Durch Auflegen des ersten Siliziumwafers mit der Oxidschicht 4 auf den zweiten Siliziumwafer wird die Verbindung hergestellt. Wenn dieser Stapel dann erwärmt wird, kommt es zu einer festen nicht mehr lösbaren Verbindung zwischen den beiden Siliziumwafern. In einem nachfolgenden Schritt wird dann die Dicke des ersten Siliziumwafers verringert, um die gewünschte Dicke der Siliziumschicht 1 einzustellen. Dies kann durch mechanische Bearbeitung wie Schleifen und Polieren oder durch chemische Bearbeitung, wie chemisches Ätzen erfolgen. Die verschiedenen Methoden können auch miteinander kombiniert werden.

Durch den Aufbau der dielektrischen Schicht 3 aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid kann die mechanische Spannung in der dielektrischen Schicht 3 eingestellt werden. Dies wird dadurch ermöglicht, daß Siliziumoxidschichten unter Druckspannungen relativ zum Silizium stehen und Siliziumnitridschichten unter starken Zugspannungen relativ zum Silizium stehen. Durch geeignete Wahl der Parameter bei der Herstellung der Schichten und durch eine geeignete Dickenkombination der Schichten 4, 5 und 6 können somit die mechanischen Spannungen in der dielektrischen Schicht 3 beeinflußt werden. Im vorliegenden Falle sind die Schichtdicken so gewählt, daß leichte Zugspannungen in der dielektrischen Schicht 3 relativ zum Silizium der ersten Siliziumschicht 1 und zweiten Siliziumschicht 2 vorliegen.

Die Bedeutung dieser weiteren Zugspannungen werden im weiteren Verlauf des Herstellungsprozesses, wie er in der Fig. 2 gezeigt wird, beschrieben.

In der Fig. 2 wird ein Querschnitt durch die Schichtplatte 100 nach weiteren Bearbeitungsschritten gezeigt. Mit dem Bezugszeichen 1, 2, 3, 4, 5 und 6 sind wieder die gleichen Gegenstände beschrieben wie zur Fig. 1. In die erste Siliziumschicht 1 sind jedoch Gräben 12 eingeätzt durch die eine Biegezunge 11 aus der oberen Siliziumschicht 1 herausstrukturiert ist. In die zweite Siliziumschicht 2 ist eine Ausnehmung 10 eingeätzt, die unterhalb der Biegezunge 11 angeordnet ist. In der Fig. 3 wird eine Aufsicht auf die erste Siliziumschicht 1 der Schichtplatte 100 gezeigt. Die Fig. 2 entspricht einem Querschnitt entlang der Linie II-II der Fig. 3. Wie in der Fig. 3 zu erkennen ist, ist die Biegezunge 11 an einem Lagerblock 15 aufgehängt. Die Biegezunge 11 und der Lagerblock 15 sind vollständig von dem Graben 12 umgeben. Weiterhin wird in der Fig. 3 die obere Abmessung der Ausnehmung 10 gezeigt, so daß zu erkennen ist, daß die Ausnehmung 10 unterhalb der Biegezunge 11 angeordnet ist. Unterhalb des Lagerblocks 15 ist keine Ausnehmung 10 angeordnet. Durch Beaufschlagung der Schichtplatte 100 mit einem Ätzmedium für die dielektrische Schicht, insbesondere einer Flußsäurelösung oder eines Flußsäuredampfes erfolgt in einem weiteren Ätzschritt eine Ätzung der dielektrischen Schicht 3. Durch Entfernen der dielektrischen Schicht 3 im Bereich der Biegezunge 11 wird diese Biegezunge zu einem beweglichen Element, welches in Abhängigkeit von einer einwirkenden Kraft, beispielsweise bei einer Beschleunigung bewegt werden kann. Die Ätzung der dielektrischen Schicht 3 wird dabei so ausgeführt, daß der Lagerblock 15 auf Grund seiner großen lateralen Abmessungen nicht unterätzt wird. Die Biegezunge 11 ist somit über die unter dem Lagerblock 15 verbleibende dielektrische Schicht 3 fest mit der Siliziumschicht 2 verbunden. Die so gebildete Struktur stellt die Grundstuktur eines mikromechanischen Kraftsensors, insbesondere eines Beschleunigungssensors dar, ohne daß hier ein vollständig funktionierendes Beispiel angegeben wird. Mit einer beweglichen Struktur die fest verankert ist, wird jedoch die Grundstruktur zahlreicher mikromechanischen Kraftsensoren dargestellt.

Von besonderer Bedeutung ist die Funktion der mehrschichtig aufgebauten dielektrischen Schicht 3 mit kontrollierter Spannung relativ zum Silizium im Verfahrens schritt der in der Fig. 2 dargestellt ist. Wie in der Fig. 2 gezeigt wird, ist in die obere Siliziumschicht 1 eine Grabenstruktur 12 eingeätzt, die von der Oberseite der ersten Siliziumschicht 1 bis zur dielektrischen Schicht 3 reicht. Die Einätzung dieser Grabenstruktur 12 erfolgt durch ein Plasmaätzprozeß mit dem die erste Siliziumschicht 1 mit nahezu senkrechten Wänden geätzt werden kann. Ein derartiger Plasmaätzprozeß läßt sich mit akzeptablen Prozeßzeiten für Siliziumschichten bis zu einer Schichtdicke von einigen 10 µm verwenden. Die Einätzung der Ausnehmung 10 in der zweiten Siliziumschicht 2 erfolgt vorzugsweise durch die Verwendung einer basischen anisotropen Ätzlösung beispielsweise KOH, TMAH oder NaOH. Da die Schichtdicke der zweiten Siliziumschicht 2 in der Regel einige hundert µm beträgt, um eine handhabbare mikromechanische Struktur zu erhalten, lassen sich Plasmaätzprozesse für die Ätzung der zweiten Siliziumschicht 2 nur unter Inkaufnahme langer Prozeßzeiten anwenden. Aufgrund der unterschiedlichen Ätzmethoden müssen die Ätzprozesse für die erste Siliziumschicht 1 und die zweite Siliziumschicht 2 nacheinander ausgeführt werden. Wenn zunächst die zweite Siliziumschicht 2 geätzt wird und in einem darauffolgenden Schritt die erste Siliziumschicht 1 geätzt wird, ist die Handhabung der Schichtplatte nach dem ersten Ätzschritt höchst problematisch. Dies liegt darin begründet, daß die erste Siliziumschicht 1 wesentlich dünner ist als die zweite Siliziumschicht 2, die aber bereits durch den ersten Ätzschritt mechanisch destabilisiert wurde und daher sehr leicht zerbrechen kann. Die Ätzbegrenzungen beim anisotropen Naßätzen legen gerade die leicht spaltbaren <110<-Richtungen auf dem Wafer fest. Das Einbringen eines Siliziumwafers in eine Plasmaätzanlage erfolgt in der Regel durch eine automatische Handlingvorrichtung erfolgt, so daß das Bruchrisiko auch an anderen Stellen des Plasmaätzprozesses vergleichsweise groß ist. Kommt es innerhalb einer Plasmaanlage zu einem Bruch eines Siliziumwafers, so muß die gesamte Anlage aufwendig gereinigt werden, was zu erheblichen Störungen und Verzögerungen im Produktionsablauf führt. Es ist somit im höchsten Grade wünschenswert zuerst die erste Siliziumschicht 1 und erst in einem möglichst späten Prozeßschritt die zweite Siliziumschicht 2 zu ätzen. Dabei muß jedoch eine ausreichende Stabilität der dielektrischen Schicht 3 gewährleistet werden, damit die alkalische Ätzlösung die dünnen Strukturen der Biegezungen 11 oder eventuell weitere in der ersten Siliziumschicht 1 erzeugte Strukturen (insbesondere Schaltkreise) nicht erreichen und zerstören kann. Die Beaufschlagung der ersten Siliziumschicht 1 mit der basischen Ätzlösung für die zweite Siliziumschicht 2 hätte die sofortige Zerstörung der in der ersten Siliziumschicht 1 ausgebildeten mikromechanischen Strukturen zur Folge. Die aus der DE 43 15 012 bekannte dielektrische Schicht aus Siliziumoxid hat dabei das Problem, daß Siliziumoxid unter Druckspannungen steht, die so groß sind, daß bei der Ätzung der Ausnehmung 10 die dielektrische Schicht Risse bekommt, sobald die dielektrische Schicht freiliegt. Versuche haben nun ergeben, daß die mehrlagige dielektrischen Schicht 3 aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid bei Einstellung leichter Zugspannungen eine hochstabile Membran darstellt, bei der große Membranbereiche freigelegt werden können, ohne daß es zu Rissen in der dielektrischen Schicht 3 und damit zu einem Verlust der Isolationseigenschaften zur Vorderseite kommt. Eine derartige dielektrische Schicht 3 mit leichten Zugspannungen kann daher verwendet werden, um Ausnehmungen 10 in die zweite Siliziumschicht 2 mittels basischen Ätzlösungen einzuätzen, auch wenn die obere Siliziumschicht 1 im Bereich der Ausnehmung 10 bereits strukturiert ist. Durch die Verwendung einer derartigen dielektrischen Schicht 3 können somit die Ausnehmungen 10 zuverlässig, kostengünstig und ohne Probleme durch basische Ätzlösungen eingeätzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Strukturen bei dem zunächst eine Schichtplatte (100) mit einer ersten Siliziumschicht (1) und einer zweiten Siliziumschicht (2) und einer dazwischen angeordneten dielektrischen Schicht (3) geschaffen wird, wobei in nachfolgenden Schritten in die erste Siliziumschicht (1) und die zweite Siliziumschicht (2) Strukturen eingeätzt werden und danach die dielektrische Schicht (3) im Bereich der eingeätzten Strukturen durch einen weiteren Ätzschritt entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (1) eine erste Siliziumoxidschicht (6) und eine zweite Siliziumoxidschicht (4) mit einer dazwischen angeordneten Siliziumnitridschicht (5) aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Siliziumschicht (1) dünner ausgebildet wird als die zweite Siliziumschicht (2).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Siliziumschicht (1) mindestens fünfmal dünner ausgebildet wird als die zweite Siliziumschicht (2).

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Ätzschritt die erste Siliziumschicht (1) und in einem zweiten nachfolgenden Ätzschritt die zweite Siliziumschicht (2) geätzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Siliziumschicht (2) mit einer basischen Ätzlösung geätzt wird, und daß dieser Ätzschritt als letzter Schritt des Verfahrens durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtplatte (100) geschaffen wird, indem eine erste Siliziumplatte und eine zweite Siliziumplatte miteinander verbunden werden, wobei auf mindestens einer der Siliziumplatten eine Siliziumnitridschicht abgeschieden wird, daß die Oberfläche der Siliziumnitridschicht durch einen Oxidationsprozeß in eine Siliziumoxidschicht umgewandelt wird, und daß die so gewonnene Siliziumoxidschicht (4) mit der anderen Siliziumplatte verbunden wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Abscheiden der Siliziumnitridschicht (5) eine Siliziumoxidschicht (6) erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Verbinden eine der Siliziumplatten in ihrer Dicke verringert wird.