CH687571A5

CH687571A5 - Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauteile.

Info

Publication number: CH687571A5
Application number: CH02972/92A
Authority: CH
Inventors: Franz Riedinger; Hans-Peter Dr Trah; Steffen Schmidt
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 1991-10-17
Filing date: 1992-09-23
Publication date: 1996-12-31
Also published as: JPH05263272A; DE4134291A1; DE4134291C2; US5254209A; GB2260732B; GB9221701D0; JP3553096B2; GB2260732A

Description

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CH 687 571 A5

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Beschreibung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauteile nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1. Es sind bereits Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauteile bekannt, bei denen ein Silizi-um-Wafer anisotrop geätzt wird, wobei dabei die mikromechanischen Bauteile zur Kristallorientierung des Silizium-Wafers ausgerichtet werden müssen. Die Ausrichtung zur Kristallstruktur erfolgt anhand einer abgeflachten Seite des ansonsten runden Wafers, dem sogenannten Fiat, wobei dieser Fiat standardmässig vom Hersteller mit einer Winkelgenauigkeit von einem Grad ausgestattet ist. Diese Winkelgenauigkeit von einem Grad ist für die Herstellung der meisten elektronischen Bauteile aus Silizium ausreichend. Zu einem höheren Preis können auch Wafer mit einer höheren Winkelgenauigkeit des Fiats bezogen werden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemässe Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 löst demgegenüber das Problem, dass es eine kostengünstige Ausrichtung mikromechanischer Strukturen zur Kristallstruktur mit einer sehr hohen Winkelgenauigkeit erlaubt.

Durch die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.

Zeichnung

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

Fig. 1 ein Ätzloch in 100 Silizium,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Struktur der Fig. 1,

Fig. 3 die Anordnung der Justierstrukturen auf der Maske und

Fig. 4 die Justierstrukturen.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 und Figur 2 wird ein in 100 orientiertem Silizium geätztes Loch gezeigt. Fig. 1 zeigt eine Aufsicht, Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch Fig. 1 entlang der Linie l-l. Mit 11 ist eine quaratische Öffnung in einer Siliziumnitridschicht 13, mit 12 ist das entstandene Ätzloch bezeichnet, welches die Ätzmaskierung 13 teilweise unterätzt hat. Mit 14 ist der in 100 Richtung orientierte Silizium-Wafer bezeichnet.

Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich ebenso für die Atzung von 110-Wafem. Dem Fachmann ist die entsprechende Ätzgeometrie in 110-Wafern bekannt.

In 100 orientiertem Silizium lassen sich durch basische Ätzlösungen Öffnungen ätzen, die in der Aufsicht einen rechteckigen oder wie in Fig. 1 gezeigt, einen quadratischen Grundriss haben. Die Wände dieser Strukturen weisen einen Winkel von 54,7 Grad zur Oberfläche auf, die Wände weisen somit zueinander einen Winkel von ca. 70,5 Grad auf. Für die Ätzung einer solchen Öffnung in einem Wafer wird die Oberfläche zunächst mit einer Siliziumnitridschicht als Ätzmaske beschichtet. Zur Verbesserung der Haftung der Ätzmaske auf der Siliziumoberfläche kann vor dem Abscheiden der Siliziumnitridschicht noch eine dünne Siliziumoxidschicht abgeschieden werden. Diese Siliziumnitridschicht wird dann strukturiert, um Teile der Waferoberfläche freizulegen, an denen dann die basische Ätzlösung, in der Regel KOH, angreifen kann. Die Kanten dieser rechteckigen oder quadratischen Ätzöffnungen müssen dabei jedoch exakt zur Kristallstruktur ausgerichtet werden. Eine fehlerhafte Justierung dieser Kanten relativ zu den ätzbegrenzenden 111 -Flächen führt zu einer Unterätzung der Ätzmaske. Diese wird in Fig. 1 in der Aufsicht gezeigt. Das quadratische Ätzfenster II wurde unterätzt, so dass das Ätzloch 12 mit einem grösseren quadratischen Grundriss entstand. Die Seiten des Ätzlochs 12 werden durch die ätzbegrenzenden 111 -Flächen des Silizium-Wafers gebildet. Dabei wurde die Ätzmaskierung 13 unterätzt, wie in Fig. 2 zu sehen ist. Durch eine fehlerhafte Ausrichtung des Ätzfensters der Siliziumnitridschicht 13 weicht somit die Geometrie des tatsächlich entstandenen Loches von der gewünschten Geometrie ab. Die Winkelgenauigkeit von bekannten Fiats von 0,3 Grad ist daher für die Herstellung mikromechanischer Strukturen unbefriedigend, eine höhere Winkelgenauigkeit von z.B. 0,05 Grad ist anzustreben.

Das erfindungsgemässe Verfahren nutzt dabei die Tatsache, dass Siliziumwafer in grossen Chargen aus einem einzigen Siliziumkristall hergestellt werden. Zur Herstellung von Siliziumwafern wird zunächst ein grosser, stabförmiger Siliziumeinkristall hergestellt. Dieser Kristall wird bearbeitet, so dass er einen runden Querschnitt aufweist, danach wird eine Seite des gesamten Kristalls abgeschliffen, um den Fiat zu erzeugen. Erst danach wird der stabför-mige Kristall in einzelne Waferscheiben zerteilt. Dies hat zur Folge, dass, obwohl die Ausrichtung des Fiats zwar nur auf ca. 0,3 Grad genau ist, die Reproduzierbarkeit des Winkelfehlers von Wafern einer Charge, das heisst von Wafern die aus einem Siliziumeinkristall herausgeschnitten wurden, bedeutend besser ist. Unterschiede in der Fiatorientierung werden nur durch die Verrundung der Kanten des Wafers erzeugt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass diese Verrundung sehr reproduzierbar ist, und somit die Winkelorientierung des Fiats aller Wafer einer Charge, das heisst aus einem Einkristall, gleich ist. Diese Erkenntnis wird vom erfindungsge-mässen Verfahren genutzt, in dem der Winkelfehler bei einem Testwafer einer Wafercharge gemessen wird und diese Information dann für die Ausrichtung der Strukturen auf den anderen Wafern der Charge genutzt wird. Die Winkelorientierung des Fiats lässt sich beispielsweise durch Ausmessen einer Struk-

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tur, wie sie in Fig. 1 gezeigt wird, bestimmen. Die wird anhand der Kante des Ätzfensters 34 und der Kante des Ätzlochs 35 verdeutlicht. Die Kante des Ätzfensters ist so auf dem Wafer erzeugt worden, dass sie parallel zum Fiat liegt. Der Winkel zwischen den beiden Kanten 34 und 35 entspricht dann dem Winkel zwischen Fiat und der 111 -Richtung. Vorteilhaft ist dabei, dass in der Aufsicht unter einem Mikroskop die unterätzte Siliziumnitridmaskierung 13 eine andere Farbe aufweist als die Oberfläche, die nicht unterätzt ist. Die Winkelorientierung ergibt sich durch Ausmessen unter dem Mikroskop und einfachen trigonometrischen Berechnungen.

In Fig. 3 wird eine Maske 15 gezeigt, die das erfindungsgemässe Verfahren verwendet. Auf der Maske 15 befinden sich Justierkreuze 18 und Winkeljustierstrukturen 17. Die eigentlichen Strukturen für die mikromechanischen Bauteile sind durch die Fläche 31 nur schematisch dargestellt. Die Maske 15 wird verwendet, um die Siliziumnitridschicht 13 zu strukturieren. Der Aufbau einer solchen Maske 15 aus Glas und Chrom und die entsprechenden Fotolithografie- und Ätzprozesse für die Strukturierung der Maskierung 13 sind dem Fachmann geläufig. Schematisch wird der Umriss eines unterhalb der Maske 15 gelegenen Silizium-Wafer 16 mit einem Fiat 19 gezeigt.

Die Justierkreuze 18 werden durch Fotolithografie und Ätzprozesse auf den Wafer 16 übertragen und dienen zur Justierung aller weiteren Masken, die zur Bearbeitung des Wafers 16 notwendig sind. Durch die Winkeljustierstrukturen 17 wird die Maske 15 relativ zum Fiat 19 des Wafers 16 justiert. Dabei wird die zuvor an einem anderen Wafer derselben Charge gewonnene Information über die Winkelgenauigkeit des Fiats genutzt, um die Maske 15 exakt zur Kristallstruktur des Wafers 16 auszurichten. Wie die Winkeljustierstrukturen 17 im Detail aufgebaut sind, wird in Fig. 4 beschrieben, an dieser Stelle ist zunächst nur wichtig, dass sie eine Ausrichtung zum Fiat erlaubt. Zur Justierung der Maske 15 gegenüber dem Fiat 19 wird ein Mikroskop mit zwei Objektiven verwendet, die jeweils über einer der Winkeljustierstrukturen 17 angeordnet sind. Das Bild der beiden Winkeljustierstrukturen 17 wird auf eine Ebene projiziert und erlaubt so dem Betrachter, beide Strukturen gleichzeitig zu justieren. Die Anordnung der Winkeljustierstrukturen 17 relativ zu den Strukturen für die mikromechanischen Bauteile 31 ist dabei so gewählt, dass die Strukturen 31 mittig auf den Wafer gelegt werden. Wenn man eine gedachte Verbindungslinie von einer Winkeljustierstruktur 17 zur anderen zieht, und eine dazu senkrechte Linie in der Mitte zwischen den beiden Winkeljustierstrukturen 17 aufträgt, so weist diese Linie gerade eine Länge von in etwa 47,3 mm zur Mitte der Strukturen 31 auf. Diese Masse gelten, wenn für die Herstellung der mikromechanischen Strukturen Wafer mit einem Durchmesser von 100 mm verwendet werden.

In Fig. 4 wird eine Winkeljustierstruktur 17 gezeigt. Diese besteht aus einem Mittelblock 22 und Balken 20 und 21 auf der Maske 15. Der Mittelblock und die Balken 20, 21 sind dabei als undurchsichtige Bereiche auf der Maske 15 ausgeführt. Der Abstand der beiden Mittelblöcke 22 der beiden Winkeljustierstrukturen 17 auf der Maske beträgt exakt 32,5 mm. Dies entspricht dem Mittelwert der Flatlänge bei 100 mm. Die Sollfiatlänge kann um 2,5 mm in beide Richtungen abweichen. Rechts und links vom Mittelblock 22 jeder Winkeljustierstruktur 17 sind die Balken in jeweils sieben Gruppen à sieben Balken angeordnet. Der untere Balken 20, der sogenannte Nullbalken, weist eine Abmessung von 10 Mikrometer mal 200 Mikrometer, die sechs weiteren Balken 21 eine Abmessung von 6 Mikrometer mal 200 Mikrometer auf. Zwischen den einzelnen Balkengruppen ist jeweils ein Freiraum von 100 Mikrometern gelegen. Der Abstand der Balken in einer Gruppe beträgt jeweils von der Mittellinie des Balkens aus gerechnet 28,36 Mikrometer. Bei einer mittleren Flatlänge von 32,5 mm entspricht dieser Abstand einem Winkel von 0,05 Grad. Wenn also bei der Justierung eine der Winkeljustierstrukturen konstant zum Fiat gehalten wird, und die andere um einen Balken verschoben wird, so wird der Winkel der Maske relativ zum Wafer um 0,05 Grad verändert. Bei sechs weiteren Balken 21 addieren sich diese 0,05 Grad pro Balken gerade zur maximalen Winkeltoleranz des Fiats von 0,3 Grad. Da auf jeder Seite des Mittelblocks 22 sieben Balkengruppen vorhanden sind, kann damit jede zulässige Toleranz der Flatlänge kompensiert werden. Bei der Justierung wird die Maske zunächst so verschoben, dass die Übergangsstelle vom Fiat 19 zum runden Teil des Wafers 16 jeweils symmetrisch unter beiden Winkeljustierstrukturen, das heisst jeweils unter den spiegelbildlichen Balkengruppen, liegt. Die eine Winkeljustierstruktur wird dann so ausgerichtet, dass sich die Nullinie 20 gerade mit dem Fiat 19 deckt, bei der anderen Winkeljustierstruktur 17 wird dann der zur Winkelkorrektur notwendige Balken 21 mit dem Fiat zur Deckung gebracht. Die Information, welcher Balken dabei ausgewählt werden muss, wurde zuvor an einem Testwafer ermittelt.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauteile aus Silizium, durch anisotropes Ätzen von Siliziumwafem, wobei das Bauteil zur Kristallstruktur des Siliziums ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass von mehreren Wafern, die aus einem einzelnen Siliziumeinkristall herausgeschnitten sind, an einem Wafer die Kristallstruktur relativ zum Fiat (19) ermittelt wird, und dass bei der Strukturierung der anderen Wafer diese Information zur Ausrichtung der Strukturen genutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung der Kristallstruktur relativ zum Fiat (19) eine Öffnung (12) mit rechtek-kigem Grundriss in den Wafer geätzt wird, und die Unterätzung unter die Ätzmaske (13) ausgemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen durch Belichten durch Masken (15) erzeugt werden, dass mit einer ersten Maske (15) Justierkreuze (18) für die

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Belichtung aller weiteren Masken erzeugt werden, und dass die erste Maske (15) eine Justierung relativ zum Fiat (19) erlaubt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Maske (15) zwei Justierstrukturen (17) im Abstand der mittleren Länge des Fiat (19) aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Justierstrukturen (17) Balken (20, 21) aufweisen, deren Abstand zueinander sich durch die gewünschte Winkelgenauigkeit und den Abstand der Justierstrukturen (17) ergibt.

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