DE4133885C2 - Dreidimensionale Silizium-Struktur - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einer dreidimensionalen Silizium-Struktur
nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind schon dreidimensionale
Silizium-Strukturen bekannt, (Csepregi L. in Heuberger A., Mikro
mechanik, Springer-Verlag, 1989, Seite 230-234), die durch Zusam
menfügen von aufeinander gelegten Siliziumwafern mit Bondtechniken
hergestellt werden. Diese Strukturen bleiben jedoch im wesentlichen
auf flächige Bauteile beschränkt. Aus einem Artikel von Bassous, IBM
Tech. Dis. Bul., Vol.19, No.6, Nov. 1976, 2243-2246 ist bereits
ein Verfahren bekannt, bei dem Gräben in Siliziumwafern eingeätzt
und die Wafer dann durch Bonden miteinander verbunden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler
Siliziumstruktur mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die so hergestellten
Siliziumstrukturen als Düsen mit zuleitenden Kanälen verwendet
werden können.
Es werden somit besonders einfach und mit großer Freiheit der
Stukturierung die Grundelemente der Fluidik, Kanäle und Düsen,
hergestellt. Die so hergestellten Elemente sind durch eine große
Präzision in den Abmessungen und großer Beständigkeit gegenüber
chemisch aggressiven Umgebungen gekennzeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 2 das zweite Siliziumteil während der Herstellung.
In der Fig. 1 ist ein erstes Siliziumteil mit 1 und ein zweites
Siliziumteil mit 2 bezeichnet. Das erste Siliziumteil 1 weist eine
Öffnung 6 auf. Das zweite Siliziumteil 2 besteht aus zwei Teil
stücken 11, 12 und weist einen Kanal 14 auf. Der Kanal 14 erstreckt
sich durch das gesamte zweite Siliziumteil 2. Das Siliziumteil 1 und
das Siliziumteil 2 werden wie durch die Pfeile angedeutet, mitein
ander verbunden. Diese Verbindung erfolgt durch einen Bondprozeß der
Oberfläche 4 des ersten Siliziumbauteils 1 mit der hier verdeckten
stirnseitigen Oberfläche 5 des zweiten Siliziumbauteils 2. Die
beiden Oberflächen 4, 5 sind in geeigneter Weise für den Bondprozeß
vorbereitet. Beide Oberflächen 4, 5 müssen hinreichend eben sein.
Die Oberfläche 4, die die Oberfläche eines Siliziumwafers darstellt,
ist vom Hersteller der Wafer durch Polieren und Ätzprozesse mit einer
ausreichend guten Oberflächenqualität versehen. Die Herstellung
einer ausreichend ebenen Oberfläche 5 erfolgt durch mechanische
Bearbeitung. Die weitere Vorbereitung der Oberflächen 4, 5 für den
Bodenprozeß kann das Aufsputtern von dünnen Schichten natriumhal
tiger Gläser, die thermische Oxidation von Siliziumdioxidschichten
oder die Hydrophylisierung der Siliziumoberfläche umfassen. Der
eigentliche Bondprozeß besteht dann aus dem Anlegen einer elektri
schen Spannung an die beiden Bauteile und/oder einer Temperaturbe
handlung. Die entsprechenden Bondprozesse werden in der eingangs
genannten Literaturstelle beschrieben. Die Geometrie der Öffnungen 6
ist nicht zwingend vorgegeben. Durch die Verwendung von anisotropen
naßchemischen Ätzprozessen können in 110-Silizium lange, parallel
verlaufende Schlitze mit senkrecht zur Oberfläche orientierten Wän
den hergestellt werden, in 100-Silizium weisen die Seitenwände einen
Winkel von ca. 55° zur Oberfläche auf. Durch zweiseitige anisotrope
Ätzung des Siliziumteils 1 können bei 100-Silizium auch Öffnungen
hergestellt werden, deren geringster Querschnitt innerhalb des
Siliziumteils 1 liegt. Bei den naßchemischen anisotropen Ätzprozes
sen ist jedoch die Geometrie der Öffnungen 6 an die Kristallstruktur
des Siliziums gebunden. Durch die Verwendung von anisotropen Plas
ma-Ätzprozessen, wie beispielsweise dem reaktiven Ionenätzen, lassen
sich in der Aufsicht beliebigen Formen der Öffnung 6 mit nahezu
senkrechten Wänden erzeugen. Durch die Verwendung von isotropen Ätz
prozessen lassen sich ebenfalls beliebige Formen der Öffnung 6 er
zeugen, der Winkel der Seitenwände relativ zur Oberfläche 4 hängt in
diesem Fall jedoch von der Form der Öffnung 6 ab.
In äquivalenter Weise sind Mehrfach-Anordnungen der Öffnungen 6 bzw.
der Kanäle 14 mit Öffnungen 6 vorstellbar. Dabei können sowohl meh
rere Öffnungen 6 einem Kanal 14 zugeordnet sein, wie auch mehrere
Kanäle 14 nebeneinander mit jeweils einer oder mehreren Öffnungen 6
angeordnet sein. Im letzten Fall können durch das Zerteilen dieser
Struktur eine Vielzahl von einzelnen Kanälen 14 mit Öffnungen 6
parallel gefertigt werden.
Die hier gezeigte dreidimensionale Siliziumstruktur kann als Sili
ziumdüse mit einem Zuleitungskanal eingesetzt werden. Durch die Ver
wendung anisotroper Ätzprozesse können diese Düsen mit großer Präzi
sion gefertigt werden. Wegen der chemischen Passivität und hohen
Temperaturbeständigkeit von Silizium können diese Düsen auch in
aggressiver Umgebung beispielsweise als Benzineinspritzdüsen einge
setzt werden.
In Fig. 2 wird die Herstellung des zweiten Siliziumteils 2 aus 2
aufeinanderliegenden Wafern 21, 22 gezeigt. Mit 13 sind in die Wafer
21, 22 eingebrachte Gräben bezeichnet. Durch Verschließen eines
Grabens 13 mit dem anderen Wafer oder durch Aufeinanderlegen von
zwei Gräben 13 werden die Kanäle 14 beim Bonden gebildet. Durch Zer
teilen der Wafer entlang der Linien 15 entstehen die zweiten Sili
ziumteile 2, wobei die Schnitte 16 die Anzahl der Kanäle 14 im zwei
ten Siliziumteil 2 definieren. Mindestens eine der durch die Schnit
te 15 entstandenen stirnseitigen Oberflächen senkrecht zur Oberfläche der Wafer
21, 22 wird durch geeignete Prozesse zu einer ebenen, für den Bond
prozeß geeigneten Oberfläche 5 nachgearbeitet.
Der Querschnitt der Kanäle 14 ergibt sich durch die Geometrie der
Gräben 13. Durch anisotrope Ätzprozesse können in 100-Silizium
V-formige Gräben mit einem Öffnungswinkel von ca. 70°, in 110-Sili
zium Gräben mit senkrechten Wänden hergestellt werden. Die Tiefe der
Gräben in 110-Silizium wird durch vergrabene Ätzstoppschichten mit
großer Präzision erzeugt. Durch isotrope Ätztechniken werden nähe
rungsweise halbkreisförmige Querschnitte der Gräben 13 erzielt. Das
Abtrennen der Kanäle 14 entlang der Schnitte 15 erfolgt durch die
Verwendung einer Diamantsäge oder eines Laserstrahls. Die dabei
erzielte Oberflächenqualität ist in der Regel für einen Bondprozeß
ungeeignet. Eine ausreichend gute Oberflächenqualität wird nur durch
eine mechanisch Nachbearbeitung z. B. durch Läppen oder Polieren
erreicht. Das Zerteilen der Wafer 21, 22 entlang der Schnitte 16 hat
die Aufgabe die Siliziumbauteile 2 mit einer vorbestimmten Anzahl
von Kanälen 14 zu versehen. Die Schnitte 16 können durch Sägen, aber
auch durch anisotrope naßchemische Ätzprozesse erfolgen. So wird z. B.
bei Siliziumbauteilen mit zwei Kanälen 14 nur jeder zweite
Schnitt 16 ausgeführt.
Claims (1)
- Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Silizium-Strukturen, welche aus mindestens zwei Siliziumteilen besteht, die durch Bonden miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumteile (1, 2) aus Siliziumwafern hergestellt werden, daß ein erstes Siliziumteil (1) eine aus der Oberfläche eines Siliziumwafers gebildete Oberfläche (4) hoher Güte aufweist, in die mindestens eine Öffnung (6) eingeätzt wird, daß ein zweites Siliziumteil (2), durch Bonden zweier Siliziumwafer (21, 22) hergestellt wird, wobei einer dieser Siliziumwafer (22) einen Graben (13) aufweist, der beim Bonden durch den anderen Siliziumwafer (21) so verschlossen wird, daß ein Kanal (14) entsteht, oder wobei die zwei Siliziumwafer (21, 22) jeweils mindestens einen Graben (13) aufweisen, die beim Bonden spiegelbildlich so aufeinander gelegt werden, daß mindestens ein Kanal (14) entsteht, wobei ferner der mindestens eine Kanal (14) durch Schnitte (15) senkrecht zu den Oberflächen der beiden aufeinander gebondeten Wafer (21, 22) von diesen abgetrennt und die durch den Schnitt entstandene stirnseitige Schnittfläche durch Polieren und/oder Läppen zu einer Oberfläche (5) mit hoher Oberflächengüte nachgearbeitet wird, daß die beiden Siliziumteile (1, 2) auf den genannten Oberflächen (4, 5) hoher Oberflächengüte durch den Bondprozeß verbunden werden, und daß die Öffnung (6) und die stirnseitige Oberfläche (5) des Kanals (14) beim Bonden aufeinander gelegt werden.
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