Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mikrostrukturierung von Gläsern.

Bei der Herstellung von Sensoren, z. B. für Anwendungen in der Mikromechanik, spielt Glas eine immer bedeutendere Rolle. Dieser Werkstoff eignet sich beson- ders für die hermetische Versiegelung und wird im Zusammenhang mit der Tech- nik des anodischen Bondens eingesetzt. Hierzu müssen Glasschichten bzw. Auf- dampfgläser strukturiert werden.

Eine Möglichkeit der Strukturierung von Aufdampfgläsern bietet das naßche- mische Ätzen. Dieses Verfahren hat jedoch mehrere Nachteile. Als isotropes Ver- fahren führt es zu Unterätzungen an Strukturkanten. Die Maßhaltung ist in vielen Fällen nicht ausreichend genau. Weiterhin ergibt sich keine oder nur eine geringe Selektivität gegenüber glasähnlichen Materialien, wie z. B. Oxid, und somit eine geringe Selektivität gegenüber einem Substrat, das die Glasschicht trägt. Darüber hinaus ist das Verfahren stark von der jeweiligen Zusammensetzung des Glases abhängig. Zusätzlich muß als Maskierung auf Materialien wie Cr oder Au ausge- wichen werden, da Photolack nicht ausreichend resistent gegen Flußsäure ist.

Hinzu kommt, daß oftmals das Material nicht ausreichend entfernt wird.

Eine weitere bekannte Strukturierungsmöglichkeit für Glas bietet Trockenätzen in einem Plasmareaktor. Aber auch hier besteht das Problem der geringen Selektivi- tät gegenüber dem Substrat und die starke Abhängigkeit von der Zusammenset- zung des jeweiligen Glases. Darüber hinaus ist auch beim Trockenätzen oftmals

keine ausreichende Entfernung des Materials möglich. Weiterhin besteht das Pro- blem einer Kontamination der Anlage, in der das Trockenätzen durchgeführt wird.

Eine konventionelle Lift-Off-Technik, wie sie in Litman, D., Mader, H., Friedrich, H.,"Technologie hochintegrierter Schaltungen", Springer-Verlag, 1996, beschrie- ben wird, kann für die Glasstrukturierung nicht verwendet werden, da das Glas bei hohen Temperaturen von bis zu 500°C aufgedampft wird und Photolack ab Temperaturen von ca. 120°C zu fließen beginnt und somit nur eine begrenzte Temperaturbeständigkeit aufweist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Struktu- rierung von Gläsern oder Aufdampfgläsern anzugeben, das eine hohe Genauigkeit und eine hohe Selektivität bietet, die Strukturierung von Dünnschichten erlaubt, die bei hohen Temperaturen erzeugt werden, sowie einfach und zeitsparend durchzuführen ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Mikrostrukturierung von Glä- sern gemäß Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und De- tails der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschrei- bung und den Figuren.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Mikrostrukturierung von Gläsern weist die folgenden Schritte auf : a) Bereitstellung eines Substrats mit einer darüberliegenden Al-Schicht und einer auf der Al-Schicht liegenden Oxid-oder Nitridschicht ;

b) Entfernen von jeweils einem Teilbereich der Oxid-oder Nitrid-Schicht und der darunter gelegenen Al-Schicht um einen Abschnitt des Substrats frei- zulegen, auf dem eine Struktur ausgebildet werden soll ; c) Aufdampfen einer Glasschicht ; und d) Ablösen weiterer bzw. restlicher Bereiche der Al-Schicht von dem Substrat (1,2).

Hierdurch wird eine hohe Selektivität zum Substrat und ein vollständiger Abtrag erreicht, und eine Anlagenkontamination wird vermieden. Darüber hinaus bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, insbesondere hermetisch ge- kapselte kapazitive Sensoren mit hoher Genauigkeit herzustellen.

Bevorzugt wird Schritt b) mittels Photolithographie und anschließendem Ätzen durchgeführt, wobei vorteilhafterweise der Teilbereich der Oxid-oder Nitrid- Schicht durch Trockenätzen und der Teilbereich der Al-Schicht durch naßche- misches Ätzen entfernt wird. Das Ablösen der Al-Schicht erfolgt bevorzugt durch Lift-Off der Al-Schicht bzw. der darüberliegenden Schichten, wobei ein Ätzmittel, z. B. eine Phosphorsäure-Ätzmischung, zugeführt wird. Die Oxid-oder Nitrid- schicht umfaßt bevorzugt Si02 bzw. Si3N4.

Vorzugsweise wird vor dem Ablösen der Al-Schicht ein HF-Dip, d. h. ein Eintau- chen in FluBsäure durchgeführt. Dadurch kann die Ätzzeit erheblich verkürzt wer- den bzw. die Effizienz erhöht werden, da eine größere Angriffsfläche für das Ätz- mittel geboten wird, und es erfolgt ein vollständiges Ablösen des auf dem Sub- strat gelagerten Schichtverbundes.

Vorzugsweise hat der HF-Dip eine Dauer von 5 bis 15 sec., insbesondere bevor- zugt ca. 10 sec. Der Lift-Off dauert vorzugsweise nicht länger als 10 min, bevor- zugt 4 bis 6 min, insbesondere bevorzugt ca. 5 min. Das Substrat kann ein HaMb- leiterwafer, vorzugsweise ein Si-Wafer sein, oder ein Isolator, wie z. B. Pyrex, oder eine Glasschicht.

Um das Substrat mit den darauf befindlichen Schichten bereitzustellen, wird es bevorzugt mit der Al-Schicht besputtert, und das Si02 wird bevorzugt mittels CVD auf die Al-Schicht aufgebracht. Vorzugsweise umfaßt das Substrat einen Halblei- ter, der vor dem Aufbringen der weiteren Schichten mit einer ersten Glasschicht bedampft wird.

Auf dem Substrat können eine oder mehrere Leiterbahndurchführungen geschaf- fen werden. Dadurch kann ein herzustellender, hermetisch gekapselter Sensor später verdrahtet werden. Beispielsweise kann das Substrat mit einer Metallisie- rungsebene versehen werden, die bevorzugt durch Photolithograhie und Ätzen strukturiert wird. Dadurch können Leiterbahnen geschaffen werden, welche die späteren Bondrahmen untertunneln.

Das Ätzen zur Strukturierung der Metallisierungsebene erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur von 30 bis 50°C, insbesondere bevorzugt bei ca. 40°C. Dadurch er- folgt die Ätzung wesentlich homogener als bei Raumtemperatur. Vorzugsweise werden die Leiterbahndurchführungen derart angelegt, daß sie beim fertigen Bau- teil bzw. Sensor durch einen Bondrahmen verlaufen.

Insbesondere bei der Schaffung von Leiterbahndurchführungen hat der HF-Dip eine Dauer von vorzugsweise 3 bis 10 min, besonders bevorzugt ca. 5 min. Hier- durch wird ein besonders gleichmäBiger und schneller sogenannter Pinhole-En-

hanced-Lift-Off erreicht. Vorzugsweise wird beim Aufbringen der Glasschicht ge- mäß Schritt d) ein Vorhalt berücksichtigt, um insbesondere bei einem langer an- dauernden HF-Dip ein Wegätzen der weiteren Glasschicht zu kompensieren.

Durch die Erfindung wird beispielsweise die Herstellung von hermetisch versie- gelten mikromechanischen Bauteilen mit Leiterbahndurchführungen ermöglicht.

Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung kapazitiver Sensoren ho- her Genauigkeit. Dabei bieten sich besondere Vorteile, wie z. B. ein hermetisch dichter Abschluß mit Signaldurchführung, gute RC-Konstanten für die Kapazität und die Leiterbahndurchführung, gut automatisierbare Drahtbonds, sowie ein gutes Verhältnis von Nutz-zu Parasitärkapazität, das gegenüber dem bekannten anodischen Bonden mit Glas ohne Strukturierung des Aufdampfglases wesentlich verbessert ist. Weiterhin kann eine beliebige Elektrodenform und-fläche kosten- günstig, genau und mit einem hohen Automatisierungsgrad geschaffen werden.

Beim Pre-Lift-Off durch den HF-Dip besteht der weitere Vorteil einer Unabhängig- keit von der Strukturmaske, sowie die Verhinderung von Sticking.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Figuren be- schrieben, in denen Figur 1a-1g einen bevorzugten Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in zwei Varianten schematisch zeigt ; Figur 2a eine Mikroskopaufnahme einer Struktur mit einer überhängenden Plasmaoxidschicht mit hoher Oberflächenrauhigkeit zeigt ;

Figur 2b die Struktur von Figur 2a mit aufgedampfter Glasschicht zeigt ; Figur 3 eine Mikroskopaufnahme von strukturiertem Glas mit schräger Be- dampfung zeigt ; und Figur 4 eine Mikroskopaufnahme einer Leiterbahndurchführung zeigt.

Figur 1 a-g zeigt schematisch die Abfolge der einzelnen Verfahrensschritte der erfindungsgemäßen Glasstrukturierung mittels Lift-Off-Technologie. In dem be- vorzugten Ausführungsbeispiel wird zunächst als Substrat ein Si-Wafer 1 mit ei- ner darauf aufgebrachten Glasschicht 2 bereitgestellt. Auf der Glasschicht 2 sind eine Al-Schicht 3, eine SiO2-Schicht 4 und ein Photolack 5 aufgebracht. Der Si- Wafer 1 besteht aus Bor-dotiertem p-Silizium mit der Kristallorientierung <100>.

Zur Herstellung dieser Schichtstruktur wird der Si-Wafer 1 mit Glas 2 bedampft.

Anschließend wird die relativ dicke Al-Schicht 3 aufgesputtert. Danach wird auf die Al-Schicht 3 eine relativ dünne Schicht 4 aus Plasmaoxid bzw. PECVD-Oxid aufgebracht, die durch Reaktion von Silan und Stickstoffdioxid zu SiO2 bereitge- stellt wird : SiH4 + 4NO2- Si02 + Gase Abschließend wird der Photolack 5 aufgetragen.

Der Si-Wafer 1 mit den darauf aufgebrachten Schichten in der Reihenfolge Glas, Al, SiO2 und Photolack wird nun einem Photolithographieschritt unterzogen, bei dem die Struktur durch eine Negativ-Maske 8 abgedeckt wird, d. h. der Bereich

5a in dem Glas aufgebracht bzw. strukturiert werden soll, wird belichtet, wie in Figur la dargestellt.

Nach der Belichtung und Entwicklung wird das PECVD-Oxid bzw. die SiO2-Schicht 4 durch Trockenätzen geöffnet, wie in Figur 1 b dargestellt, so daß das darunter- liegende Substrat 1,2 in dem zuvor belichteten Bereich freigeiegt wird.

Anschließend wird der Photolack 5 in einem 02-Plasma entfernt, so daß das ver- bleibende Plasma-Oxid bzw. die restlichen Bereiche der SiO2-Schicht 4 als Mas- kierung für den folgenden Ätzschritt und somit als Ersatz für den üblicherweise verwendeten Photolack dient. Nun wird das freigelegte Aluminium in einer Phos- phorsäure-Ätzmischung bei erhöhter Temperatur naßchemisch und somit isotrop geätzt bzw. strukturiert. Das Ätzen erfolgt dabei bei einer Ätzrate von ca. = 0,2 , um/min unter Verwendung eines Magnetrührers, wodurch eine besonders gute Homogenität der Ätzung erreicht wird. Wie in Figur 1 c zu erkennen ist bilden sich beim naßchemischen Ätzen des Aluminiums an den Rändern des Ätzbereichs überhängende Flanken 4a der SiO2-Schicht 4, die auf der Al-Schicht 3 aufge- bracht ist.

Auf die so erhaltene bzw. bearbeitete Schichtstruktur wird nun eine weitere Glas- schicht 6 mittels Aufdampfen aufgebracht, wie in Figur 1 d gezeigt. Diese weitere Glasschicht 6 befindet sich somit zum einen direkt auf der zuvor freigelegten er- sten Glasschicht 2, und zum anderen auf den verbliebenen Bereichen der SiO2- Schicht 4. Die Dicke der weiteren Glasschicht 6 ist etwas geringer als die der Al- Schicht 3.

Figur 1e zeigt das nun folgende Ablösen der Bereiche mit der Schichtreihenfolge Al/SiO2/Glas vom Si-Wafer 1. Das Ablösen erfolgt durch Lift-Off in einer Phos- phorsäure-Ätzmischung. Bei einer Ätzrate von ca. 0,2 jilm/min und lateralen Ätzlängen von bis zu 30 ; 1lm können sich dabei Ätzzeiten von 2 Stunden und mehr ergeben.

Die Ätzzeiten können verkürzt werden, indem anstelle des Lift-Offs, wie er in Figur 1 e gezeigt ist, ein sogenannter Pinhole-Enhanced-Lift-Off durchgeführt wird, wie er in Figur 1f gezeigt ist. Hierzu wird zunächst ein kurzer HF-Dip durchgeführt, wodurch in der weiteren Glasschicht 6 und in der darunterliegenden Si02-Schicht 4 sehr viele kleine Kanäle oder Pinholes 6a entstehen. Die Pinholes 6a, z. B. in Form von Rissen oder Löchern, entstehen dadurch, daß die Aluminium-Schicht 3, die unter der Glasschicht 6 liegt, eine sehr große Rauhigkeit aufweist, die sich auch in die darüberliegenden Plasmaoxidschicht bzw. Si02-Schicht 4 sowie die Glasschicht 6 abbildet. Durch die Pinholes 6a dringt die Phosphorsäure auch durch die Glasschicht 6 und die Si02-Schicht 4 zur Al-Schicht 3 vor, wodurch sich eine sehr viel größere Angriffsfläche zum Wegätzen des Aluminiums bietet. D. h., die Ätze greift nicht mehr ausschließlich lateral an, wie in Figur 1 e durch Pfeil A gezeigt, sondern auch vertikal bzw. senkrecht zur Schichtoberfläche durch die Pinholes 6a, wie in Figur lf durch Pfeile B gezeigt. Nach dem Wegätzen des Aluminiums hebt der Si02/Glas- Schichtverbund als ein einziges Stück ab (Figur 1f).

Figur 1g zeigt den verbleibenden Si02-Wafer 1 mit dem darauf befindlichen Glas 2 und strukturierten Glas 6.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren mit Pinhole-Enhanced-Lift-Off Technik gemäß Figur 1f, bei dem vor dem Lift-Off ein HF-Dip durchgeführt wird, werden die Atzzeiten durch die erhöhte Angriffsfläche erheblich verkürzt.

Dadurch wird die Selektivität noch erheblich verbessert.

Figur 2a zeigt eine REM-Aufnahme der Schichtstruktur nach dem naßchemischen Ätzen des Aluminiums, entsprechend dem Zustand, der in Figur 1 c gezeigt ist.

Die obenliegende SiO2-Schicht 4 weist auf Grund ihrer erhöhten Oberflächen- rauhigkeit sogenannte Hillocks 41 auf, die im um-Bereich liegen. Gut zu erkennen ist auch der überhängende Teil der SiO2-Schicht 4 bzw. die überhängende Flanke an der Ätzkante. Unterhalb der Plasmaoxidschicht mit den Hillocks 41 befindet sich die isotrop geätzte Al-Schicht 3, deren hohe Oberflächenrauhigkeit sich auf die darüberliegende Plasmaoxidschicht abbildet.

Figur 2b zeigt eine REM-Aufnahme der Schichtstruktur, in einem Zustand, in dem die obere Glasschicht 6 auf der SiO2-Schicht 4 bereits aufgebracht ist. Die in die- ser Aufnahme gezeigte Struktur befindet sich in dem in Figur 1 d schematisch dargestellten Zustand. Die Oberfläche des Teils der aufgedampften weiteren Glasschicht 6, die sich auf der SiO2-Schicht 4 befindet, zeigt ebenfalls Hillocks 61, die durch die große Rauhigkeit der, darunterliegenden Aluminiumschicht 3 verursacht sind. Im rechten, unteren Teil der Aufnahme ist der Teil der zweiten bzw. oberen Glasschicht 6 zu erkennen, der den Bondrahmen bildet.

An den Hillocks 61 ist die Atzrate von Glas in gepufferter Flußsäure möglicher- weise um einige Größenordnungen höher als bei einem Glas mit geringer Rauhig- keit. Aufdampfglas mit einer Rauhigkeit im Bereich von ca. 20 nm hat eine Ätz- rate in gepufferter HF von ca. 63 nm/min, d. h., bei einem HF-Dip, der 10 s dau- ert werden nur etwa 10 nm der Schicht abgetragen. An den oben beschriebenen Hillocks, die Stellen mit einer großen Steigung bilden, werden sehr viel höhere Ätzraten bis zu ca. 250 nm/s erreicht. Bei einer Ätzdauer von ca. 5 min ist das Aluminium, unabhängig von den Strukturbreiten, volikommen verschwunden.

Figur 3 zeigt, daß bei der Bedampfung der Schichtstruktur zur Bildung der oberen Glasschicht 6 das Glas nicht nur senkrecht in die vorliegenden Gruben aufge- dampft worden ist, sondern auch seitlich in den lateralen Unterätzungen.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Lei- terbahndurchführungen realisiert. Fig. 4 zeigt eine REM-Aufnahme, in der eine Schichtstruktur mit einer Leiterbahndurchführung 9 zu erkennen ist. Hierzu wird auf den Si-Wafer 1, gegebenenfalls nach der ersten Glasbedampfung, eine Metal- lisierungsebene bzw.-schicht in Form einer 100 nm dicken TiW-Schicht durch Sputtern aufgebracht, die anschließend mit einem Photoresistmaterial belackt wird. Die durch eine Maske belichteten Stellen werden beim Entwickeln heraus- gelöst, während die unbelichteten Lackstrukturen ausgehärtet werden. Die naß- chemische Strukturierung der TiW-Schicht erfolgt mittels Wasserstoffperoxid.

Bei einer Temperatur von 22°C ergibt sich eine Ätzrate von 6,66 nm/min, wäh- rend bei einer Temperatur von 40°C eine Ätzrate von 20 nm/min vorliegt. Bei der erhöhten Temperatur von T = 40°C verläuft die Ätzung wesentlich homogener über den gesamten Wafer als bei Raumtemperatur. Die Homogenität wird noch erhöht, wenn zusätzlich mit einem Magnetrührer gearbeitet wird. In einem weite- ren Schritt wird nach dem Ätzen der Photolack mit einem 02-Plasma entfernt.

Somit erhält man auf dem Substrat oder der ersten Glasschicht 2 Leiterbahnen 9, die bei Herstellung eines Sensors zu dessen Anregung bzw. Auslesung verwendet werden können.

Anschließend erfolgen die weiteren Prozeßschritte, wie sie oben beschrieben wurden, nämlich Besputtern mit Al, CVD (Chemical Vapor Deposition) von SiO2,

Photolithographie, Trockenätzen des Si02, Entfernen des Photolacks, naßche- misches Ätzen des Aluminiums, Aufdampfen von Glas, Lift-Off oder Pinhole-En- hanced-Lift-Off(PELIFO).

Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens zur Realisierung von Leiterbahnen 9 mit Durchführung des Pinhole-Enhanced-Lift-Offs wird der HF-Dip mit einer Dauer von ca. 5 min durchgeführt. Dabei wird die zu strukturierende Glasschicht 6 auch um ca. 315 nm mitgeätzt, was aber bereits beim Aufdampfen der Glasschicht 6 als Vorhalt berücksichtigt wird. Die Dauer des HF-Dip's von ca. 5 min bewirkt, daß der anschließende Lift-Off in der Phosphorsäure-Ätzmischung nicht länger als 10 min dauert. Neben der enormen Zeitersparnis, die sich hierdurch ergibt, wird auch erreicht, daß die verschiedenen Schichten nicht zu lange den Ätzchemika- lien ausgesetzt sind.

Durch die längere Dauer des HF-Dip's beim Vorhandensein von Leiterbahnen 9 wird das Problem überwunden, daß die Dichte bzw. Häufigkeit der Pinholes in den verschiedenen Bereichen der Struktur unterschiedlich ist. Während in den Bereichen der Glasschicht 6, die oberhalb der Aluminiumschicht 3 liegen, bereits nach 10 s beim HF-Dip eine relativ hohe Pinhole-Dichte erzielt wird, weist die Glasschicht 6 in den Bereichen, die über den Leiterbahnen 9 liegen, nur eine rela- tiv geringe Pinhole-Dichte auf. Dieser Unterschied ergibt sich aus der erhöhten Oberflächenrauhigkeit des Aluminiums. Die höchste Pinhole-Dichte ergibt sich jedoch in den Bereichen, die über den Kanten der Leiterbahnen 9 gelegen sind, da die Ätzrate in der Glasschicht sehr stark von der Steigung der Oberfläche bzw. der Rauhigkeit abhängt.

Das Verfahren bietet den weiteren Vorteil, daß durch den HF-Dip auch die schrä- gen Flanken, die durch das Glasbedampfen entstehen und in Figur 3 gezeigt sind,

weggeätzt werden, so daß sich eine Struktur mit im wesentlichen senkrecht zur Glasoberfläche verlaufenden Kanten ergibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Mikrostrukturierung von Aufdampfgläsern kann besonders vorteilhaft zur Herstellung von Bauteilen für mikromechanische Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise können Bondrahmen für die hermetische Versiegelung von Sensoren mittels anodischen Bondens hergestellt werden. Mikromechanische Baueile, wie z. B. Sensoren, können schnell und mit hoher Genauigkeit hergestellt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es insbesondere möglich, hermetisch gekapselte, kapazitive Sensoren her- zustellen.

Anstelle des Si-Wafers können auch Wafer aus anderen Halbleitermaterialien, wie z. B. GaAs, verwendet werden, oder auch Isolatoren, wie z. B. Pyrex. Weiterhin können auch zusätzliche Strukturen bzw. Konturen auf dem Substrat ausgebildet sein, bevor das Verfahren durchgeführt wird.