DE4338423C2

DE4338423C2 - Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen

Info

Publication number: DE4338423C2
Application number: DE4338423A
Authority: DE
Inventors: Carlos H Mastrangelo
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1992-11-12
Filing date: 1993-11-10
Publication date: 1996-07-18
Anticipated expiration: 2013-11-11
Also published as: GB2272571B; JPH06267929A; DE4338423A1; US5258097A; GB2272571A; GB9322363D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zum Entfernen von Opferschichten bei der Herstellung von Mikrostrukturen durch Oberflächenbearbeitung.

Die Verwendung von Mikrostrukturen in integrierten Schalt kreisen und anderen mikromechanischen Konstruktionen nimmt zu. Mikrostrukturen werden gegenwärtig als Leiter inte grierter Schaltkreise, als Bestandteile mikroelektronischer Bauteile und als mikromechanische Konstruktionselemente, wie bewegliche Gelenke, Hebel, Zahnräder, Schieber und Fe dern verwendet.

Um eine Mikrostruktur aufzubauen, muß zuerst eine Opfer schicht auf ein Substrat und anschließend ein Bauelement oder eine Strukturkomponente oder -schicht auf die Opfer schicht aufgebracht werden. Dann wird die Opferschicht ent fernt, und zurück bleibt ein Substrat mit einem mit Abstand daran befestigten strukturellen Bauelement. Allgemein be stehen zur Zeit zwei gebräuchliche Verfahren, die Opfer schicht zu entfernen. Der eine Typ ist ein Naß-Ablösever fahren und der andere Typ ein Trocken-Ablöseverfahren. Je doch gibt es bei beiden Verfahren Probleme.

Bei dem Naß-Ablöseverfahren entstehen während des Ent fernens der Opferschicht Kapillarkräfte zwischen Struktur schicht und Substrat, die die Strukturschicht in Richtung des Substrates durchbiegen und dazu führen, daß sie uner wünscht an dem Substrat haftet. Bei einem typischen Naß-Ab löseverfahren, wie es teilweise in den Fig. 1(a)-1(c) dar gestellt ist, wird eine Ätzflüssigkeit oder ein Ätzmittel zwischen das Substrat 2 und die Strukturschicht 4 gebracht, um die Opferschicht abzulösen. Die Opferschicht wird an schließend, wie in Fig. 1(a) dargestellt, mit einer Wasch flüssigkeit 6 abgewaschen. Wenn die Ätz- und die Waschflüs sigkeit 6 aus dem kleinen Raum zwischen der Strukturschicht 4 und dem Substrat 2 verdunsten, entstehen starke Kapillar kräfte zwischen beiden. Mit Abnahme des Volumens der unter der Strukturschicht 4 eingeschlossenen Flüssigkeit durch Verdunstung steigen die Kapillarkräfte. Aufgrund dieser Kräfte beginnt die Strukturschicht 4, wie in Fig. 1(b) dar gestellt, sich in Richtung der Oberfläche des Substrates 2 durchzubiegen. Wenn die Kapillarkräfte stark genug und die Strukturschicht 4 schwach genug ist, berührt die Struktur schicht 4 das Substrat 2. In diesem Augenblick sind die Kräfte zwischen den Schichten am stärksten und die Struk turschicht 4 kann permanent am Substrat 2 anhaften. Daher besteht ein Bedarf an Verfahren, die die zerstörerischen Auswirkungen der Kapillarkräfte bei Naß-Ätztechniken verhü ten.

Um die zerstörerischen Wirkungen der Kapillarkräfte zu überwinden, sind Trocken-Ablöseverfahren entwickelt worden. Während die Trocken-Ablöseverfahren zur Entfernung von Op ferschichten nicht durch die Kapillarkräfte gestört werden, haben sie eigene ausgeprägte Nachteile.

Beispielsweise benötigt das Trocken-Ablöseverfahren von Saiki et al., US-PS 3 846 166, eine Harz-Opferschicht, auf die die Strukturschicht aufgebracht wird. Weil die Harz schicht jedoch bei niedrigen Temperaturen von bspw. 300°C bis 400°C schmilzt oder sich zersetzt, können viele er wünschte Materialien für Strukturschichten, die höhere Ab scheidungstemperaturen erfordern, nicht auf diesen empfind lichen Harz-Opferschichten aufgebracht werden. Ein bevor zugtes Material für Mikrostrukturen, wie bspw. Polysili zium, benötigt eine Abscheidungstemperatur von unge fähr 600°C.

Ähnliches gilt für Bly et. al. US-PS 4 849 070, die ein Trocken-Ablöseverfahren zum Entfernen einer Opferschicht beschreibt, bei dem die Strukturschicht auf einer festen Schicht aufgebaut wird, die später sublimiert werden kann, um die Strukturschicht freizusetzen. Jedoch ist auch hier die Materialauswahl für Strukturschichten auf Niedertempe raturbereiche beschränkt, da Materialen für höhere Tempera turen dazu führen, daß sich die sublimierbare Schicht vor dem Abscheiden derselben auflöst. Außerdem beschreiben Bly et. al. die Herstellung bleibender Stützen, die die Struk turschicht auf dem Substrat abstützen und Teil der fertigen Mikrostruktur werden. Jedoch besteht bei vielen Anwendungen von Mikrostrukturen das Erfordernis, ohne bleibende Stützen auszukommen.

Ein nach dem Stand der Technik bekanntes Trocken-Ablösever fahren ist das Verfahren zum Flüssigkeitseinfrieren und Sublimieren, das durch Guckel et. al. in Sensors and Actua tors 20 (1989) 117-122 beschrieben wird.

Die WO 90/09677 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen unter Verwendung von Naß-Ätzverfahren, wobei das Trocknen ebenfalls durch Einfrieren von Flüssig keit und anschließendes Sublimieren erfolgt.

Nachteilig an diesen Verfahren ist, daß sie unzuverlässig und teilweise unkontrollierbar sind. Das Einfrieren einer Flüssigkeit zwischen der Strukturschicht und dem Substrat kann eine Volumenerhöhung der Flüssigkeit zur Folge haben, die zu einem Sprengen der Mikrostrukturen führt.

Ferner wird von Kovacs und Stoffel in J. Micromech. Microengineering 2 (1992) 190-192 ein Verfahren beschrieben, bei dem der naß geätzte Hohlraum vor dem Trocknen mit Pho torresist-Aceton-Gemischen aufgefüllt wird, die dann durch Plasma-Veraschung entfernt werden. Das Verfahren des Auf füllens mit Photoresisten und Plasma-Veraschung hat als Nachteil, daß es schwer durchzuführen ist, da es Sorgfalt, Zeit und teueres Mischen von Lösungsmitteln erfordert, da eine Optimierung des Gemisches in Abhängigkeit von der ge wünschten Hohlraumschichtdicke stattfinden muß.

In der GB 2 194 344 A der Nissan Motor Company Limited wird ein Verfahren beschrieben, mit dem es möglich ist, in einem Drucksensor einen internen Druckstandard einzubauen. Hierzu wird in eine Hilfsschicht auf einer leitenden Schicht ein Hohlraum eingeätzt, der dann hermetisch mit einer zweiten leitenden Schicht verschlossen wird. Dadurch erhält man die Möglichkeit, kapazitiv Druckänderungen zu erfassen. Bei diesem Verfahren kann jedoch nicht direkt vom Entfernen einer Opferschicht gesprochen werden, da gemeinhin Opfer schichten vollständig entfernt werden, in diesem Fall die Hilfsschicht nur teilweise zur Erzeugung eines Hohlraums entfernt wird.

Ein Verfahren, das theoretisch beschrieben und an speziel len Mikrostrukturen getestet worden ist (Proceedings IEEE Micro Electro Mechanical Systems and Investigation of Micro Structures, Sensors, Actuators, Machines and Robots, 30. 1.- 2. 2. 1991, Nara, Japan, S. 63-68 und Technical Digest. IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop. Conf. Hilton Head Island, SC, USA, 22.-25. 6. 1992, USA, S. 63-68) versucht die Problemlösung auf einem anderen Weg zu errei chen. Dabei wird die Verformung der hergestellten Mikro struktur nach dem Ätzen in Kauf genommen, und die Auf gabe der Erzeugung einer frei stehenden Mikrostruktur da durch gelöst, daß eine Nachbearbeitung der Struktur erfolgt. Hierbei werden Teile der leitfähigen Mikrostruktur, die als temporäre Halterungen dienen, nach Anlegen einer Spannung durch den dann fließenden Strom bis zum Schmelzpunkt aufgeheizt. Durch eine sehr genaue Kontrolle der elektrischen Bedingungen ist es möglich, die Mikrostruktur durch Schmelzen der temporären Halterungen in die gewünschte Form zu bringen. Nachteilig ist die Beschränkung auf relativ einfache Strukturen sowie die noch sehr praxisferne Ausführung.

Folglich besteht in der Fachwelt ein Bedarf an einem neuen Ablöseverfahren für Opferschichten bei der Herstellung von Mikrostrukturen, das:
die nachteiligen Auswirkungen der Kapillarkräfte vermeidet, die durch Naß-Ätzen einer Opferschicht entstehen;
eine Opferschicht verwendet, auf die mehrere verschiedener Strukturschichten bei hohen Temperaturen aufgebracht werden können;
eine Mikrostruktur ohne bleibende Stützen erzeugt
einfacher und verläßlicher als derzeit bestehende Verfahren arbeitet.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

Die Erfindung befriedigt diesen Bedarf, indem sie ein Ablöseverfahren für Opferschichten bei der Herstellung von Mikrostrukturen zur Verfügung stellt, das die zerstörerischen Auswirkungen der Kapillarkräfte vermeidet, die durch Naß-Ätztechnik entstehen und eine Opferschicht verwendet, auf die viele unterschiedliche Strukturschichtmate rialien aufgebracht werden können. Die fertigen Mikrostruk turen, die gemäß des vorliegenden Verfahrens hergestellt wurden, beinhalten keine bleibenden Stützen, sondern erge ben vielmehr eine Strukturschicht, die frei steht und keine zusätzliche Stützen, nach dem Naß-Ätzen der Opferschicht, benötigt. Außerdem ist das Ablöseverfahren der Er findung einfacher und verläßlicher als die Ablöse verfahren nach dem Stand der Technik.

Das Ablöseverfahren der Erfindung erzeugt temporäre Stützen, die die Strukturschicht während des Naß-Ätzens der Opferschicht abstützen. Die Stützen, die bevorzugt aus Po lymeren bestehen, bewahren die Strukturschicht davor, durch die Kapillarkräfte in Richtung Substrat gezogen zu werden, wenn die Ätz- und Waschflüssigkeiten verdunsten. Folglich wird eine Verformung der Strukturschicht und ein uner wünschtes permanentes Anhaften der Strukturschicht am Sub strat vermieden. Die temporären Stützen erstrecken sich während des Naß-Ätzens vom Substrat zur Strukturschicht und werden nach Entfernung der Opferschicht durch Trocken-Ätzen mit Plasma entfernt, um eine Mikrostruktur zu erzeugen, die keine Stützen aufweist. Für das Trocken-Plasma-Ätzen werden keine Flüssigkeiten benötigt. Somit sind keine Kapillar kräfte vorhanden und zusätzliche Stützen während dieses Schrittes nicht erforderlich.

Das Verfahren überwindet folglich die Probleme der Verfah ren des Standes der Technik, indem es Opferschichten, auf deren Oberfläche mehrere Strukturschichten aufgebracht wer den können, und temporäre Stützen, die die Strukturschicht während des Naß-Ätzens abstützen, vorsieht. Außerdem ist das Verfahren der Erfindung ein verläßlicheres und einfa cheres Verfahren, als die Trocken-Ablösetechniken mit Ein frieren und Auffüllen mit Photolacken, und es erzeugt Mi krostrukturen, die keine bleibenden Stützen aufweisen.

Diese und weitere Vorteile des Verfahrens werden anhand der Beschreibung und der nachfolgenden Zeichnung erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1(a)-1(c) eine schematische Schnittansicht der Schrit te, die bei Naß-Ablöseverfahren des Standes der Technik durchgeführt werden;

Fig. 2(a)-2(m) eine Serie schematischer Schnittansichten der Struktur, die sich aus verschiedenen Schritten nach dem erfindungsgemäßen Ver fahren ergibt; und

Fig. 3 eine schematische Ansicht der Mikrostruktur mit temporären polymeren Stützen der Fig. 2(1).

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun bezugnehmend auf die Fig. 2(a)-2(m) genauer beschrieben. In Fig. 2(a) wird der erste Schritt, die Bereitstellung und das Vorbereiten des Substrates 10 für die Herstellung der Mikrostruktur, ge zeigt. Das Substrat 10 kann bspw. Silizium oder andere her kömmliche Substratmaterialien aufweisen. Das Vorbereiten des Substrates 10 kann auch nur aus Reinigen und Trocknen seiner Oberfläche bestehen. Als nächstes wird, wie in Fig. 2 (b) dargestellt, eine Opferschicht 12 auf die Oberfläche des Substrates 10 aufgebracht. Die Opferschicht 12 wird aus einer Gruppe von Opferschichtmaterialien ausgewählt, die durch Naß-Ätztechniken entfernt werden können. Weitere An forderungen an die Opferschicht 12 sind, daß sie sich mit der auf ihr aufgebrachten Strukturschicht 14 verträgt und den Temperaturen, die für das Abscheiden der Struktur schicht 14 erforderlich sind, widersteht. Außerdem darf die Opferschicht nicht bei einer entsprechenden oder niedrige ren, für das Abscheiden der Strukturschicht 14 erforderli chen Temperatur sublimieren. Ein typisches Beispiel für Opferschichtmaterialien ist das bevorzugte Siliziumdioxid. Als Vorbereitung für den nächsten Schritt werden mindestens zwei Öffnungen in die Opferschicht 12 eingebracht, um das Substrat 10 freizulegen. Diese Öffnungen können durch li thographische oder andere der Fachwelt bekannte Techniken hergestellt werden.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nach dem Abscheiden der Opferschicht 12, wie in Fig. 2(c) gezeigt, eine Strukturschicht 14 auf der Opferschicht 12 aufgebracht und mit dem Substrat 10 verankert. Die Strukturschicht 14 wird so auf der Opferschicht 12 aufgebracht, daß mindestens eine Verankerung 30, wie etwa die Ecke einer Kante, durch eine Öffnung der Opferschicht 12 am Substrat 10 verankert ist. Zwei solcher Verankerungen 30, die die Strukturschicht abzustützen, werden stellvertretend auch in Fig. 3 gezeigt.

Als nächstes verlangt das Verfahren das Ausbilden temporä rer Stützen 24, die sich, wie in den Fig. 2(d)-2(m) ge zeigt, vom Substrat 10 zur Strukturschicht 14 erstrecken. Um solche temporären Stützen 24 zu gestalten, wird min destens eine Öffnung 16, vorzugsweise mehrere Öffnungen 16 in regelmäßiger Anordnung, durch die Strukturschicht 14 ge ätzt, um die Opferschicht 12 freizulegen. Vorzugsweise wird die Anordnung der Öffnungen 16 nach bekanntem Stand der Technik lithographisch definiert und in die Strukturschicht 14 geätzt, obwohl auch andere bekannte Verfahren, um Öff nungen herzustellen, verwendet werden können. Als nächstes, wie in Fig. 2(e) gezeigt, wird eine gegenüber der Opfer schichtätzflüssigkeit beständige Schutzschicht 18, eine Polymerschutzschicht aus bspw. einem Photolack-Polymer, auf die Oberfläche der Strukturschicht 14 aufgebracht, um mindestens eine Öffnung 16 abzudecken und gleichzeitig mindestens eine Öffnung 16 offen zu lassen. Die Schutz schicht 18 kann durch bekannte Abscheidetechniken aufge bracht werden und mindestens eine der Öffnungen 16 durch lithographische oder andere bekannte Verfahren freigelegt werden.

Die Strukturschicht 14 wird dann bevorzugt in einer die Op ferschicht 12 auflösende Ätzflüssigkeit versenkt, um durch die unbedeckten Öffnungen 16 der Strukturschicht 14 freige legte Bereiche der Opferschicht 12 zu entfernen. Dieses teilweise, bevorzugt sich bis zum Substrat 10 erstreckende Ätzen der Opferschicht durch die Öffnungen 16 erzeugt Hohl räume 19, die später gefüllt werden können, um temporäre Stützen 24 auszubilden. Vorzugsweise weisen, wie in Fig. 2(f) dargestellt, die Hohlräume 19 Hinterschneidungen 20 in der Opferschicht 14 auf. Die Schutzschicht 18 wird an schließend, wie in Fig. 2(g) gezeigt, durch bekannte spe ziell für das Schutzschichtmaterial 18 gewählte Verfahren, wie durch Anwenden eines Ätzmittels, entfernt.

Bei einer einfachen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bei dieser Durchführung eine einzige Öff nung 16 in die Strukturschicht 14 geätzt werden. Dabei kön nen die in Fig. 2(e)-2(g) gezeigten Schritte, die sich auf das Auftragen und Entfernen der einige Öffnungen 16 abdec kenden Schutzschicht 18 beziehen, weggelassen werden und der in Fig. 2(f) dargestellte Schritt, bei dem die Hohl räume 19 (und die Hinterschneidungen 20) durch Ätzen er zeugt werden, sofort nach dem Ätzen der Öffnungen 16 in die Strukturschicht 14 (Fig. 2(d)) erfolgen.

Ungeachtet dessen wird, sobald die Hohlräume 19 in der Op ferschicht 12 erzeugt wurden, eine gegenüber der Opfer schichtätzflüssigkeit beständige stützenbildende Schicht 22 durch mindestens eine Öffnung 16 abgeschieden, um die Hohl räume 19 und Hinterschneidungen 20 im wesentlichen zu fül len. Außerdem wird mindestens auf einen Teilbereich der Strukturschicht 14 die stützenbildende Schicht 22 aufge bracht. Vorzugsweise besteht die stützenbildende Schicht 22 aus einem konform abgeschiedenen Polymer, das, wie in Fig. 2(h) gezeigt, gleichmäßig auf der gesamten Oberfläche der Strukturschicht 14 aufgetragen und durch Gas-Abscheidetechniken in den Hohlräumen 19 und Hinterschneidungen 20 abgeschieden wird. Die stützenbildende Schicht 22 besteht aus einem Ma terial, das durch Trocken-Ablöseverfahren entfernt werden kann. Vorzugsweise besteht die stützenbildende Schicht 22 aus dem konform abscheidbarem Polymer Xylylen, das aus der Gas phase in den Hinterschneidungen 20 abgeschieden werden kann und die Hinterschneidungen 20 im wesentlichen ausfüllt. Das Abscheiden der stützenbildenden Schicht in die Hohlräume 19 und Hinterschneidungen 20 erzeugt Stützen 24 aus Polymeren, die in die Opferschicht 12 eingebettet sind und später, während des Naß-Ätzens der verbleibenden Opferschicht 12, der Strukturschicht 14 Halt geben.

Selbstverständlich können, wie bei Fig. 2(f), die Hohlräume 19 mit oder ohne die erwünschten Hinterschneidungen 20 aus gebildet werden. Wenn die Hohlräume 19 mit Hinterschneidun gen 20 ausgebildet werden, werden Stützen 24 mit Vorsprün gen, wie in Fig. 2(1) gezeigt, erzeugt, die entsprechend den Hinterschneidungen 20 ausgebildet sind und den durch die Kapillarkräfte verursachten Verformungen der Struktur schicht 14 widerstehen werden. Wenn die Hohlräume 19 ohne Hinterschneidungen 20 ausgebildet werden, werden Stützen 24 erzeugt, wie sie in Fig. 2(1) gestrichelt dargestellt sind, die die Oberfläche der Strukturschicht 14 überlappen und die Strukturschicht 14 durch Anhaften unterstützen. In diesem Fall kann der Überlappungsbereich variiert werden, um, abhängig von den für die Unterstützung der Struktur schicht 14 erforderlichen Haftkräften, einen größeren oder kleineren Oberflächenbereich für das Anhaften zu schaffen.

Selbstverständlich können die Hohlräume 19 erfindungsgemäß bis zu einer Tiefe in die Opferschicht geätzt werden, die geringer als der Abstand zwischen der Strukturschicht 12 und dem Substrat 10 ist. Dadurch können Stützen 24 ausge bildet werden, die sich von der Strukturschicht 14 bis kurz vor das Substrat 10 erstrecken. Während des Verdunsten der Ätz- und Waschflüssigkeiten wird sich die Strukturschicht 14 etwas verformen. Dennoch werden die kürzeren Stützen 24 erfindungsgemäß ein Berühren der Strukturschicht 14 mit dem Substrat 10 und aus dem Stand der Technik bekannte Probleme durch Anhaften verhindern. Jedoch werden kürzere Stützen 24 nicht bevorzugt, da der Abstand zwischen den Stützen 24 sehr gering sein muß, so daß mehr Öffnungen 16 in der Strukturschicht 14 erforderlich sind, die die noch freie, für Anwendungen verfügbare Oberfläche verkleinern.

Die Größe der Hohlräume 19, die in die Opferschicht 12 ge ätzt werden, ist von dem Zeitraum abhängig, den die Ätzlö sung aufgebracht wird, bevor sie abgespült wird. Da für die Opferschicht 12 unterschiedliche Materialien und entspre chende Ätzlösungen verwendet werden können, wird die Ätz rate und somit deren Anwendungszeit bis zum Waschen variie ren. Die Ätzrate kann durch "Trial and Error"-Anwendungs verfahren bestimmt werden, die der Fachwelt für verschie dene Kombinationen von Ätzlösungen und Materialien für Op ferschichten bekannt sind; die tatsächlich erzeugte Größe eines Hohlraums 19 in einer Opferschicht 12 kann durch Mi kroskopie-Analysen überprüft werden.

Als nächstes wird, wie in Fig. 2(i) gezeigt, eine Maske 26, bspw. aus einem Film aus gegenüber Sauerstoff-Plasma-Ätzen beständigem Material, als Maske auf Bereiche der stützenbildende Schicht 22 gelegt, um die Öffnungen 16 abzudecken, durch die die Hohlräume 19 und Hinterschneidungen 22 gefüllt wur den. Dies kann erreicht werden, indem ein Film aus dem Dampf, Vakuum oder andere der Fachwelt bekannte Techniken aufgebracht und indem eine Maske durch lithographische oder andere Verfahren definiert werden kann. Vorzugsweise be steht die Maske 26 aus einem Aluminium-Film oder einem anderen herkömmlichen Metall mit einer ungefähren Dicke von 50-100 Nanometern (nm). Die Maske 26 schützt die von der Maske abgedeckten Bereiche der ersten Polymerschicht 22 vor dem Ätzen, während die ungeschützten Bereiche der stüt zenbildende Schicht 22, wie in Fig. 2(j) gezeigt, sobald Trocken-Ätzverfahren, wie Sauerstoff-Plasma-Ätzen oder an dere bekannte Verfahren, angewendet werden, entfernt wer den. Die Maske 26 wird anschließend durch herkömmliche Mit tel entfernt.

Danach werden, wie in Fig. 2(1) gezeigt, die noch erhalte nen Opferschichten 12 mit einer Ätzlösung entfernt. Vor zugsweise weist dieser Schritt auch das Abwaschen der Ätzlösung und anschließendes Trocknen der Struktur auf. Bei diesem Schritt entstehen durch die Verdunstung der Ätz- und Waschflüssigkeiten Kapillarkräfte. Jedoch stützen jetzt die zuvor ausgebildeten Polymer-Stützen 24 die Strukturschicht 14 und verhindern, daß die Kapillarkräfte die Struktur schicht 14 in Richtung der Oberfläche des Substrates 10 ziehen. Siehe auch die Fig. 2(1) und 3. Schließlich werden die aus der stützenbildenden Schicht 22 (z. B. erste Poly mere 22) hergestellten Stützen 24 durch Troc ken-Ätztechniken, wie Sauerstoff-Plasma-Ätzen, entfernt. Da Trocken-Ätzverfahren verwendet werden, um die Stützen 24 zu entfernen, entstehen keine Kapillarkräfte. Das fertige Pro dukt ist eine Mikrostruktur mit einer freistehenden Struk turschicht 14, die mit mindestens einer Verankerung 30 an der Oberfläche des Substrats 10 verankert ist.

Die folgenden Beispiele dienen der Beschreibung einer be vorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei nicht beabsichtigt ist, den Umfang der Erfindung und die Ansprüche einzuschränken. Insbesondere ist beabsich tigt, daß die Erfindung nicht nur mit den hierin beschrie benen bevorzugten Materialien, sondern auch mit anderen herkömmlichen Materialien für Mikrostrukturen durchgeführt werden kann. Selbstverständlich sind Ätzlösungen für ver schiedene Mikrostrukturmaterialien bekannt, die im wesent lichen nur eine der vorliegenden Materialschichten während der Herstellung der Mikrostruktur ätzen.

Beispiel 1

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Siliziumsubstrat 10 zur Verfügung ge stellt, auf das eine Opferschicht 12 aus Siliziumdioxid, einem gegen hohe Temperaturen beständigen Material, aufge bracht wird. In die Opferschicht 12 werden Öffnungen für die Verankerungen 30 eingebracht. Als nächstes wird mit ei nem der Fachwelt bekannten Gas-Abscheide-Verfahren eine Strukturschicht 14 aus Poly-Silizium auf die Silizium dioxid-Schicht 12 und das Silizium-Substrat 10 aufgebracht. Mindestens zwei der Verankerungen 30 der Poly-Silizium- Strukturschicht 14 werden dann durch die Öffnungen der Si liziumdioxid-Opferschicht 12 am Silizium-Substrat 10 ver ankert. Das Material der bevorzugten Poly-Silizium-Struk turschicht 14 erfordert üblicherweise eine Temperatur von ungefähr 600°C zur Abscheidung.

Nachdem die Poly-Silizium-Strukturschicht 14 auf die Sili ziumdioxid-Opferschicht 12 auf dem Silizium-Substrat 10 aufgebracht worden ist, wird eine regelmäßige Anordnung von Öffnungen 16 lithographisch definiert und mit einem Plasma aus einer Gasmischung von Schwefel-Hexafluorid (SF₆) und Pen tafluorchlorethan (C₂CIF₅), durch die Poly-Silizium-Struk turschicht 14 bis zur Siliziumdioxid-Opferschicht 12 ge ätzt. Einige der Öffnungen 16 in der Poly-Silizium-Struk turschicht 14 werden dann mit einer Schutzschicht 18 aus einem Photolack-Polymer abgedeckt, während andere, aber nicht alle der Öffnungen 16 durch bekannte lithographische Techniken freigelegt werden.

Die Photolack-Polymer-Schutzschicht 18 schützt die Sili ziumdioxid-Opferschicht 12 vor dem Ätzen, mit Ausnahme der unbedeckten Öffnungen 16, durch die die freiliegende Sili ziumdioxid-Opferschicht 12 mit einer Lösung aus gepufferter Flußsäure (BHF - von Buffered Hydrofluoric acid) und Wasser geätzt wird. Eine Standardlösung aus 5 Teilen Wasser und einem Teil BHF wird 30 Minuten bis 1 Stunde einge setzt, um die Hohlräume 19 und Hinterschneidungen 20 zu ät zen. Es werden für dieses Beispiel bevorzugt Hinterschnei dungen 20 erzeugt, die sich radial 5-10 Mikrometer um den Umfang der Öffnung 16 erstrecken. Auf diese Weise werden Hohlräume 19 mit Hinterschneidungen 20 in der Opferschicht 12 erzeugt.

Als nächstes wird die Photolack-Polymer-Schutzschicht 18 mit bekannten Techniken entfernt und eine stützenbildende Schicht 12 aus Polymer aufgebracht. Das Material der stüt zenbildenden Schicht 22 ist ein konform abscheidbares Polymer und wird aus der Dampf-Phase so abgeschieden, daß die Hohlräume 19 und Hinterschneidungen 20 im wesentlichen gefüllt sind. Das verwendete konform abscheidbare Polymer war Xylylen-Polymer, das von Union Carbide unter dem Produktnamen Parylene® (im folgenden Parylene®) erhältlich ist. Parylene® wird aufgrund der attraktiven Eigenschaft verwendet, daß es sich aus der Dampfphase abscheidet und somit ein vollständiges Auffüllen der Hinterschneidungen 20 ermöglicht. Eine solche Abschei dung bewirkt eine Ablagerung der stützenbildenden Schicht 22 aus Parylene® auf der gesamten Oberfläche der Poly-Sili zium-Strukturschicht 14 und in den Hohlräumen 19 und Hin terschneidungen 20.

Als nächstes wird eine Maskenschicht 26 aus einem Aluminium-Film, einem gegenüber Plasma-Ätzen beständigen Material, als Maske auf Bereiche der Parylene®-Schicht 22 gelegt. Die Maske wird mit bekannten lithographischen Techniken herge stellt, um Bereiche über den Öffnungen 16, durch die das Parylene die Hohlräume 19 und Hinterschneidungen 20 wieder aufgefüllt hat, zu maskieren. Die Aluminium-Maskenschicht 26 schützt die Bereiche der Parylene®-Schicht 22, durch die die Hohlräume 19 und Hinterschneidungen 20 gefüllt werden, vor dem Entfernen durch Ätzen. Daraufhin wird das unge schützte Parylene® durch Sauerstoff-Plasma-Ätzen, das sich für das Parylene®-Material eignet, entfernt. Danach wird die Aluminium-Maskenschicht 26 mit herkömmlichen Verfahren ent fernt, Polymer-Stützen 24 zurücklassend, die sich vom Sub strat 10 bis zur Poly-Silizium-Strukturschicht 14 er strecken. Die übriggebliebene Siliziumdioxid-Opferschicht 12 wird dann durch eine Naß-Ätztechnik entfernt. Während des Verdampfens der Ätz- und Waschflüssigkeiten treten Kapil larkräfte auf. Jedoch schützen die in den vorausgegangenen Schritten erzeugten Polymer-Stützen 24 die Poly-Silizium- Strukturschicht 14 davor, durch die Kapillarkräfte in Rich tung Substrat-Oberfläche 10 gezogen zu werden. Nachdem die Lösungen verdampft und die Kapillarkräfte abgebaut sind, werden die Polymer-Stützen 24 durch Sauerstoff-Plasma-Ätzen entfernt. Das fertige Produkt ist eine freistehende, durch mindestens zwei Verankerungen 30 angehobene, vom Substrat 10 getrennte Mikrostruktur.

Erfindungsgemäß können die temporären Stützen 24 mit einem maximalen Stützenabstand d_max über die Strukturschicht 14 verteilt angeordnet sein. Dadurch kann die Anzahl der Öff nungen 16 in der Strukturschicht 14 minimiert werden, um eine größere, freie, zur Verfügung stehende Oberfläche der fertigen Mikrostruktur zu schaffen. Dieser maximale Stüt zenabstand kann, wie in Beispiel II weiter ausgeführt, be stimmt werden.

Beispiel II

Die Stützen 24 können in einem maximalen Stützenabstand d_max angeordnet sein, so daß eine minimale Anzahl zu produ zierender Stützen 24 erforderlich ist. Dieser Abstand wird wie folgt definiert.

In Fig. 3 ist das Freilegen der Strukturschicht 14 durch Entfernen der unter ihr liegenden Opferschicht 12 durch eine Ätzflüssigkeit, als Freilegen einer großen mikrome chanischen Platte anzusehen. Wie in Fig. 3 gezeigt, wird die Platte mit einer Dicke t, einem Elastizitätsmodul E und einer Spalthöhe h von in einem regelmäßigen, quadratischen Raster mit Abstand d voneinander angeordneten "Gummi-Fuß"- Stützen gestützt. Es ist anzunehmen, daß die Platte so groß ist, daß sie sich gleichmäßig über d durchbiegt und somit nur die Durchbiegungen einer "Zelle" 28 mit einer Breite d beachtet werden muß. Es ist außerdem anzunehmen, daß die Dimensionen der Stütze 24 unwesentlich im Vergleich zur Zellfläche 28 sind. Während des Trocknens der Wasch- oder Ätzlösung der Opferschicht 12, erfährt die Platte einen gleichmäßigen Kapillardruck, der die Platte auf das Sub strat 10 zieht. Es ist wünschenswert, einen maximalen Stüt zenabstand d_max zu finden, der die Platte davor bewahrt, das Substrat 10 zu berühren. Der Kapillardruck ist:

wobei P_c der Kapillardruck, γ die Oberflächenspannung bzw. spezifische Oberflächen energie der Lösung zwischen Flüssigkeit und Luft und e der Kontaktwin kel ist. Der Kontaktwinkel Θ, auf den sich bezogen wird, ist das Verhältnis aus den Oberflächenenergien der Flüssig keit und Luft, wie es bspw. von Adamson in der "Physical Chemistry of Surfaces", Wiley Publishing Comp., 1990, ge lehrt und vom Fachmann verstanden wird. Die maximale Durchbiegung u_max (im Zentrum) der mechanisch an den Ecken gestützten Zelle 28 bei gleichmäßiger Belastung P_c ist ge geben durch die "Theory of Plates and Shells" von S. Timos henko und S. W. Krieger, McGraw-Hill, New York 1959 als:

wobei D die Biegefestigkeit der Platte:

und v die Poissonsche Zahl des Plattenmaterials ist. Auch der Koeffizient α = 0,00581 für eine quadratische Anord nung der Stützen 24 ist auch von S. Timoshenko und S. W. Krieger angegeben.

Der maximale Abstand der Stützen 24 ist bestimmt durch die Bedingung u_max = h, oder gleichzusetzten mit:

Folglich ist entsprechend der bevorzugten Ausführungsform aus Beispiel I bei einer 1-µm-dicken Poly-Silizium-Platte mit einem E = 150 GPa und einem Spalt mit einem h = 1 µm, der mit Wasser gewaschen wird, das eine spezifische Oberflächenenergie von γ = 72mJm^-2 und einen durchschnittlichen Kontaktwinkel Θ von 80 Grad hat, ein maximaler Stützenabstand für Wasser und Silizium von d_max = 81 µm zu errechnen. Der durchschnittli che Kontaktwinkel Θ wird geschätzt unter Bezugnahme auf "Wetting of thin Layers of SiO₂ by water" von R. Williams und A. M. Goodman, Applied Physics Letters, Vol. 25, No. 10, 15. November 1974, pp. 531-532. Allgemein kann bei groben Schätzungen von d_max cos Θ gleich 1 gesetzt werden, insbesondere dann, wenn Werte für Θ noch nicht erhältlich sind.

So kann der maximale Abstand der Stützen 24 für verschie dene, für die Strukturschicht 14 gewünschte Materialien be stimmt werden, um die Anzahl der erforderlichen Stützen zu minimieren und die erhältliche Oberfläche der Struktur schicht 14 zu maximieren.

Bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details wer den zur Erläuterung der Erfindung beschrieben, wobei dem Fachmann ersichtlich ist, daß Änderungen des hierin beschriebenen Verfahrens und der Struktur möglich sind, ohne sich vom Umfang der in den Ansprüchen definierten Erfindung zu entfernen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen, das die Schritte aufweist:

- Vorlegen eines Substrates;
- Aufbringen einer Opferschicht auf die Oberfläche des Substrates;
- Aufbringen einer Strukturschicht auf die Oberfläche der Opferschicht, so daß diese zwischen dem Substrat und der Strukturschicht liegt, wobei die Struktur schicht an dem Substrat verankert wird;
- Ausbilden mindestens einer sich von der Struktur schicht in Richtung Substrat erstreckenden temporären Stütze zum Abstützen der Strukturschicht;
- Entfernen der Opferschicht durch eine Naß-Ätztechnik; und
- Entfernen der temporären Stützen durch eine Trocken- Ätztechnik.

2. Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen nach An spruch 1, wobei der Schritt des Ausbildens der mindestens einen temporären Stütze die Schritte aufweist:

- Ätzen mindestens einer Öffnung in die Strukturschicht;
- Anwenden eines Ätzmittels durch die Öffnung(en) zur Ausbildung eines sich von der Öffnung in der Struktur schicht in Richtung des Substrates erstreckenden Hohl raums in der Opferschicht;
- Abscheiden einer gegenüber der Opferschicht-Ätzlösung beständigen stützenbildenden Schicht durch die Öff nung(en) auf mindestens einen Teil der Struktur schicht, um den Hohlraum im wesentlichen zu füllen, wobei die stützenbildende Schicht in die Opferschicht eingebettete Stützen ausbildet; und
- Entfernen der stützenbildenden Schicht von der Struk turschicht, mit Ausnahme der Stellen, an denen sich die stützenbildende Schicht über die Öffnung(en) er streckt.

3. Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur nach An spruch 2, wobei der Schritt des Entfernens der stützenbildenden Schicht von der Struk turschicht die Schritte aufweist:

- Abscheiden eines aus einem gegenüber Plasma-Ätzen be ständigen Material bestehenden, als Maske dienenden Films in einem vorbe stimmten Muster auf der Oberfläche der stützenbilden den Schicht, wobei die Maske jede Öffnung, durch die die Hohlräume im wesentlichen füllende stützenbildende Schicht abgeschieden wird, abdeckt;
- Entfernen der nicht von der Maske abgedeckten stützen bildenden Schicht von der Strukturschicht durch Plasma- Ätzen; und
- Entfernen des als Maske dienenden Films.

4. Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur nach An spruch 2, wobei der Schritt des Einbringens des Ätzmittels durch die Öffnung(en) das Ausbilden einer eine Hinterschneidung umfassenden Hohl raums in der Opferschicht aufweist.

5. Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur nach An spruch 2, wobei der Schritt des Einbringens des Ätzmittels durch die Öffnung(en) das Ausbilden einer sich von der Öffnung in der Struktur schicht bis zum Substrat erstreckenden Hohlraums auf weist.

6. Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur nach An spruch 2, wobei der Schritt des Abscheidens der gegenüber der Opferschicht-Ätzlösung beständigen, den Hohlraum im wesentlichen füllenden stützenbildenden Schicht durch die Öffnung(en) das Ab scheiden eines Polymers aus der Gas-Phase im Hohlraum aufweist.

7. Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur nach An spruch 2, wobei der Schritt des Abscheidens der gegenüber der Opferschicht-Ätzlösung beständigen, stützenbildenden Schicht das konforme Abscheiden eines Polymers aufweist.

8. Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur nach An spruch 2, wobei der Schritt des Ätzens der mindestens einen Öffnung ein Ätzen einer Anord nung mehrerer Öffnungen in die Strukturschicht auf weist.

9. Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur nach An spruch 2, wobei:

- der Schritt des Ätzens der mindestens einen Öffnung ein Ätzen mehrerer Öffnungen in der Strukturschicht auf weist;
das Verfahren weiter die Schritte aufweist:
- Überdecken mindestens einer Öffnung mit einer gegenüber dem Opfer schicht-Ätzmittel beständigen Schutzschicht; und
- Entfernen der Schutzschicht nach dem Anwenden des den Hohlraum ausbildenden Ätzmittels durch die Öffnung(en).

10. Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur nach An spruch 9, wobei

- das Abscheiden der Strukturschicht ein Abscheiden ei ner Poly-Silizium aufweisenden Schicht umfaßt; und
- das Abdecken der Öffnung(en) durch die Schutzschicht durch Anwendung eines Photolack-Polymers erfolgt.

11. Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur nach An spruch 1, wobei das Entfernen der mindestens einen temporären Stützen Plasma-Ätzen aufweist.

12. Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur nach An spruch 1, wobei das Abscheiden der Opferschicht ein Abscheiden einer hochtemperaturbe ständigen, von Temperaturen von mindestens 600°C im wesentlichen unbeeinflußten Opferschicht aufweist.

13. Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur nach An spruch 1, wobei das Aufbringen der Strukturschicht das Vorbereiten der Opferschicht für das Aufbringen der Strukturschicht umfaßt, ein schließlich des Ätzens mindestens einer Öffnung durch die Opferschicht zur Oberfläche des Substrats.

14. Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur nach An spruch 1, wobei das Ausbilden der mindestens einen temporären Stütze ein Ausbilden aus einem durch Trocken-Ätztechnik entfernbaren Polymer aufweist.

15. Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ausbildens der mindestens einen temporären Stütze die Schritte aufweist:

- Ätzen mindestens einer Öffnung in die Struktur schicht durch Anwendung eines Ätzmittels, das einen von der Öffnung in der Strukturschicht bis zum Substrat reichenden, eine Hinterschneidung aufweisenden Hohlraum ausbildet, wodurch die stützenbildende Schicht in der Hinterschneidung eine in der Opferschicht eingebettete temporäre Stütze bil det;
- Entfernen der stützenbildenden Schicht von der Strukturschicht mit Ausnahme der Stellen, an de nen sie die mindestens eine Öffnung abdeckt, mit;
- Abscheiden eines, aus einem gegenüber mindestens einer Trocken-Ätztechnik beständigen Material bestehenden, als Maske dienenden Films in einem Muster auf die Oberfläche der stützen bildenden Schicht, wobei die Maske jede der Öffnungen, durch die die stützenbildende Schicht zum Ausbilden der temporären Stütze in der Hinterschneidung abgeschieden wird, abdeckt;
- Entfernen der außerhalb der Maske gelegenen stützen bildenden Schicht von der Strukturschicht durch minde stens eine Trocken-Ätztechnik;
- Entfernen des als Maske dienenden Films.

16. Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ausbildens der mindestens einen temporären Stütze, die Schritte aufweist:

- Ätzen einer Vielzahl von Öffnungen durch die Struktur schicht zur Opferschicht;
- Aufbringen einer Schutzschicht auf mindestens einen Teil der Strukturschicht unter Abdeckung der Vielzahl von Öff nungen, wobei mindestens eine Öffnung unbedeckt bleibt;
- Ätzen von Teilen der Opferschicht durch die mindestens eine unbe deckte Öffnung in der Strukturschicht, wobei ein mit der mindestens einen unbedeckten Öffnung verbundener, sich bis zur Oberfläche des Substrats erstreckender Hohlraum erzeugt wird;
- Entfernen der Schutzschicht;
- Abscheiden einer stützenbildenden Schicht auf minde stens einen Teil der Strukturschicht und im Hohlraum zur Bildung temporärer Stützen;
- Maskieren von Teilen der die Hohlräume füllenden stüt zenbildenden Schicht durch ein Maskenmaterial;
- Entfernen der unmaskierten Bereiche stützenbildenden Schicht durch eine Trocken-Ätztechnik;
- Entfernen des Maskenmaterials von den maskierten Bereichen der stützenbildenden Schicht.

17. Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen nach An spruch 16, wobei

- das Anwenden des Ätzmittels durch die mindestens eine Öffnung einen eine Hinterschneidung aufweisenden Hohlraum in der Opferschicht ausbildet.