DE4233703A1 - Verfahren zur Herstellung von Silizium-Einspritzplatten und Siliziumplatte - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Silizium-Einspritzplatten nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der Deutschen Anmeldung 41 12 150 ist bereits eine Silizium-Ein­ spritzplatte bekannt, die durch Bonden einer oberen Siliziumplatte und einer unteren Siliziumplatte hergestellt ist. Die obere Siliziumplatte weist Einspritzlöcher, die untere Siliziumplatte weist mindestens ein Durchgangsloch auf. Weiterhin sind in die Siliziumplatten Ausnehmungen eingebracht, durch die Kanäle gebildet werden, die das Durchgangsloch mit dem Außenrand der Silizium-Ein­ spritzplatte verbinden. Durch diese Kanäle wird beispielsweise Luft eingeblasen oder angesaugt, um eine bessere Zerstäubung der durch die Einspritzlöcher hindurchfließenden Flüssigkeit zu gewährleisten. Die Bearbeitung der Siliziumplatten erfolgt durch anisotropes Ätzen. Für die Bearbeitung der unteren Siliziumplatte wird zunächst eine Durchgangsöffnung vollständig von der Unterseite bis zur Oberseite der unteren Siliziumplatte eingeätzt. Falls die Ausnehmungen für die Kanäle in die untere Siliziumplatte eingebracht sind, so erfolgt dieser Bearbeitungsschritt nach dem Ätzen der Durchgangsöffnung in der unteren Siliziumplatte.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch gleich­ zeitiges zweiseitiges anisotropes Ätzen des Siliziums die Zahl der notwendigen Bearbeitungsschritte für die Silizium-Einspritzplatten verringert wird. Auf diese Weise können die Silizium-Einspritz­ platten kostengünstiger produziert werden. Die Siliziumplatte nach dem nebengeordneten Anspruch 6 hat den Vorteil, daß das Durchgangs­ loch und die Ausnehmung für Kanäle besonders symmetrisch bezüglich der Mittelachse der Siliziumplatte angeordnet sind und so mit be­ sonders geringen Fertigungstoleranzen hergestellt werden können.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens zur Herstellung von Silizium-Einspritzplatten möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren wird besonders einfach durchgeführt, indem jeweils Ätzmasken auf der Oberseite und Unter­ seite der unteren Siliziumplatte angeordnet sind, und indem die Ätz­ lösung in etwa solange an der Siliziumplatte angreift, wie zur Ätzung der halben Dicke der Siliziumplatte notwendig ist. Ein be­ sonderer symmetrischer Aufbau, der eine gute Zerstäubung des durch die Einspritzlöcher eintretenden Mediums gewährleistet, wird durch die Verwendung von 100-orientiertem Silizium für die untere Siliziumplatte erreicht. In diese 100-orientierte Siliziumplatte werden kreuzförmige Ausnehmungen für die Durchgangsöffnung und die Kanäle angebracht. Exakt definierte Strukturen lassen sich dabei durch die Verwendung einer Kompensationsstruktur für die konvexen Ecken erreichen. Besonders glatte Ecken, deren Ausgestaltung bezüg­ lich der Kanäle symmetrisch ist, werden erreicht, wenn alle Arme der kreuzförmigen Ausnehmungen die gleiche Breite aufweisen und wenn die Kompensationsstrukturen durch Balken gebildet werden, die die je­ weils einander gegenüberliegenden konvexen Ecken miteinander verbinden. Durch die glatten Ecken werden die Strömungsverhältnisse in den Kanälen besonders gut reproduzierbar, und es wird so eine besonders gute Zerstäubung des durch die Einspritzlöcher hindurch­ fließenden Mediums erreicht.

Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Ansicht einer Silizium-Einspritzplatte, Fig. 2 einen Querschnitt durch die Silizium-Einspritzplatte der Fig. 1, Fig. 3 die untere Siliziumplatte, Fig. 4 die Ätzmaske auf der Oberseite der unteren Siliziumplatte und Fig. 5 die Ätzmaske auf der Unterseite der unteren Siliziumplatte.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist eine Ansicht und in der Fig. 2 ein Querschnitt durch eine Silizium-Einspritzplatte gezeigt. Die Fig. 1 entspricht einer Ansicht von unten der Fig. 2. Die Silizium-Einspritzplatte ist aus einer oberen Siliziumplatte 1 mit eingebrachten Einspritz­ löchern 3 und einer unteren Siliziumplatte 2 mit einem Durchgangs­ loch 4 aufgebaut. Weiterhin weist die untere Siliziumplatte 2 Aus­ nehmungen auf, die von der oberen Siliziumplatte derart verschlossen werden, daß Kanäle 5 entstehen, die vom Durchgangsloch 4 bis zum Außenrand 6 der Silizium-Einspritzplatte reichen. Der in der Fig. 2 gezeigte Querschnitt entspricht einem Schnitt durch die Fig. 1 ent­ lang der Linie II-II.

In die obere Siliziumplatte 1 sind vier Öffnungen eingebracht, die, wie in Fig. 2 zu sehen ist, einen trapezförmigen Querschnitt auf­ weisen. Solche Öffnungen lassen sich besonders einfach durch aniso­ tropes Siliziumätzen in 100-orientierten Siliziumplatten erzielen. Die Seitenwände der Einspritzlöcher 3 werden dabei durch 111-Kristallrichtungen des Siliziumeinkristalls gebildet. Zur Her­ stellung solcher Einspritzlöcher 3 wird eine Ätzmaske auf der Siliziumplatte 1 aufgebracht, die quadratische Bereiche der Siliziumplatte 1 nicht bedeckt. Die Ränder dieser quadratischen Öff­ nung liegen dabei auf 111-Kristallebenen, die einen Winkel von ca. 54,74° zur Oberfläche der Siliziumplatte 1 einnehmen. Die Einspritz­ löcher 3 werden dann in die Siliziumplatte 1 eingeätzt, indem diese einer basischen Ätzlösung, beispielsweise einer KOH-Lösung, ausge­ setzt wird.

Die Bearbeitung der unteren Siliziumplatte 2 wird in den Fig. 3 bis 5 im Detail beschrieben.

Die beiden Siliziumplatten 1, 2 werden durch einen justierten Bond-Prozeß miteinander verbunden. Bei einem solchen Bond-Prozeß wird die Oberfläche der Siliziumplatten 1, 2 vorbehandelt, die Siliziumplatten werden justiert aufeinandergelegt und dann einer Hitzebehandlung unterzogen. Bei der Vorbehandlung der Oberfläche der Siliziumplatten 1, 2 können dünne Schichten, beispielsweise aus Glas oder Siliziumoxid auf den Oberflächen der Siliziumplatten 1, 2 er­ zeugt oder abgeschieden werden. Andere Methoden der Oberflächenvor­ behandlung umfassen das Eintauchen der Siliziumplatten 1, 2 in Ätz- und Reinigungslösungen. Die Verbindung der beiden Silizium-Platten 1, 2 wird um so fester, je großer die dafür zur Ver­ fügung stehende Fläche ist. Bei der kreuzförmigen Anordnung der vier Einspritzlöcher 3 wird durch das kreuzförmige Durchgangsloch 4 eine besonders große Verbindungsfläche zwischen den beiden Silizium­ platten 1 und 2 erreicht. Würden beispielsweise die vier Einspritz­ löcher 3 die Ecken eines Quadrates bilden, so wäre der Platzver­ brauch für ein entsprechendes Durchgangsloch 4 vergleichsweise größer, sofern die Einspritzlöcher 3 untereinander den gleichen Stand aufweisen wie bei der hier gezeigten kreuzförmigen Anordnung. Weiterhin hat es sich für eine gute Zerstäubung als vorteilhaft herausgestellt, wenn jedem Einspritzloch 3 mindestens ein eigener Kanal 5 zugeordnet ist.

Die Funktion der hier gezeigten Silizium-Einspritzplatte wird bei­ spielsweise in der Fig. 1 der DE 41 12 150 beschrieben. Durch die Einspritzlöcher 3 wird beispielsweise eine Flüssigkeit durch das Durchgangsloch 4 hindurch eingespritzt, die durch den durch die Kanäle 5 eintretenden Luftstrom zerstäubt wird.

Es versteht sich von selbst, daß die Herstellung solcher Einspritz­ platten durch die Verwendung von Siliziumwafern erfolgt. Die Her­ stellung erfolgt zunächst durch parallele Bearbeitung einer Vielzahl von Strukturen für Silizium-Einspritzplatten auf den Wafern. Erst in einem letzten Prozeßschritt würden die Siliziumwafer in einzelne Einspritzplatten zersägt. Der Außenrand 6 der Silizium-Einspritz­ platten würde dann durch diese Sägeschnitte definiert.

In der Fig. 3 wird eine perspektivische Ansicht der unteren Siliziumplatte 2 gezeigt. In die Oberseite 7 der Siliziumplatte 2 ist eine kreuzförmige Ausnehmung 11 eingeätzt, deren Arme bis zum Rand der Siliziumplatte 2 reichen. In die Unterseite 8 der Silizium­ platte 2 ist ebenfalls eine kreuzförmige Ausnehmung 12 eingeätzt, deren Arme jedoch nicht bis zum Rand der Siliziumplatte 2 reichen. Die Ausnehmungen 11, 12 sind beide jeweils bis zur Mitte in die Siliziumplatte eingebracht, so daß sie sich in den Bereichen, in denen sie sich überschneiden, zum kreuzförmigen Durchgangsloch 4 vereinigen. Die Seitenwände der Ausnehmungen 11, 12 werden durch 111-Ebenen des Siliziumeinkristalls der Siliziumplatte 2 gebildet, die Böden der Ausnehmung 11 werden durch eine 100-Kristallebene des Siliziumeinkristalls gebildet.

Die beiden Ausnehmungen 11, 12 werden in die Siliziumplatte 2 einge­ bracht, indem die Oberseite 7 und die Unterseite 8 der Silizium­ platte 2 mit einer Ätzmaske 9, 10 bedeckt werden. Diese Ätzmasken 9, 10 werden in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Die mit den Ätzmasken 9, 10 bedeckte Siliziumplatte 2 wird dann einer basischen Ätzlösung, beispielsweise einer KOH-Lösung, ausgesetzt, so daß die nicht von der Ätzmaske bedeckten Bereiche der Siliziumplatte 2 geätzt werden. Diese Ätzung wird solange durchgeführt, bis die beiden Ausnehmungen 11, 12 jeweils die Mitte der Siliziumplatte 2 erreichen und sich dann zur Durchgangsöffnung 4 vereinigen. Bei diesem Ätzprozeß müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um die konvexen Ecken 13 zu schützen. Diese konvexen Ecken weisen näm­ lich an ihrer Spitze Kristallebenen auf, die von anisotrop wirkenden Ätzlosungen in einem weitaus größeren Maße angegriffen werden als die 111-Kristallebenen, die die Seitenwände der Ausnehmungen 11, 12 bilden. Die entsprechenden Maßnahmen werden zu den Fig. 4 und 5 beschrieben.

In der Fig. 4 ist eine Aufsicht auf die Oberseite 7 der Silizium­ platte 2 mit aufgebrachter Ätzmaske 9 gezeigt. Die Ätzmaske 9 be­ steht aus einem Material, welches von der basischen Ätzlösung, die zur Ätzung der Siliziumplatte 2 verwendet wird, nicht angegriffen wird. Solche Ätzmasken können beispielsweise durch aufgebrachte Metallschichten oder Siliziumoxid oder Siliziumnitrid gebildet werden. Die Bereiche 20 der Oberseite 7 der Siliziumplatte 2 sind nicht von der Ätzmaske bedeckt und werden daher von der Ätzlösung geätzt. Die Bereiche 20 weisen eine fünfeckige Form auf, wobei drei der Seiten 21 auf 111-Ebenen liegen, die einen Winkel von ca. 54,74° zur 100-Oberfläche der Siliziumplatte 2 aufweisen, d. h. daß diese Kanten der Ätzmaske in 110-Richtung orientiert sind. Ausgehend von diesen Kanten entstehen 111 Ätzflanken, die einen Winkel von 54,74° zur 100-Oberfläche der Siliziumplatte 2 aufweisen. Weiterhin weist jede der Flächen 20 zwei Ränder 22 auf, die auf 100-Ebenen liegen, die senkrecht zur 100-Oberfläche der Siliziumplatte 2 sind, d. h. daß diese Kanten der Ätzmaske in 100-Richtung zeigen. Ausgehend von diesen Kanten entstehen senkrechte 100-Ätzflanken. Die freiliegenden Bereiche 20 sind derart angeordnet, daß in der Mitte der Silizium­ platte 2 zwei sich überkreuzende Balkenstrukturen 14 von den 100-Rändern 22 gebildet werden. Durch diese Balkenstrukturen 14 wird ein effektiver Schutz der von konvexen Ecken 13 der Silizium­ platte 2 erreicht. Wird nämlich die hier gezeigte Siliziumplatte 2 einer basischen Ätzlösung ausgesetzt, so werden die 111-Kristall­ richtungen des Siliziumeinkristalls nur vernachlässigbar geätzt. Die Wirkung der Ätzlosung erfolgt vorwiegend in die 100-Richtung, d. h., es wird eine Ausnehmung in die Oberseite 7 der Siliziumplatte 2 ein­ geätzt. Da die Balkenstrukturen 14 ebenfalls an 100-Kristall­ richtungen ausgerichtet sind, werden die Balkenstrukturen 14 mit der gleichen Geschwindigkeit unterätzt, wie eine Ätzung in die Tiefe stattfindet. Wenn die Breite der Balkenstrukturen 14 gerade der Dicke der Siliziumplatte 2 entspricht, so werden bei gleichzeitiger Ätzung von beiden Seiten der Siliziumplatte 2 die Balkenstrukturen 14 gerade dann vollständig unterätzt, wenn sich die Ausnehmungen von der Oberseite 7 und der Unterseite 8 gerade in der Mitte der Siliziumplatte 2 treffen. Durch die Balkenstrukturen 14 wird somit zu einem Zeitpunkt eine konvexe Ecke 13 ermöglicht, die durch zwei zusammenlaufende 111-Seitenwände der Ausnehmungen gebildet wird. Wird die Ätzung kurz zuvor abgebrochen, so verbleibt noch ein ge­ wisser Rest Silizium auf der Spitze der konvexen Ecken 13. Wird kurzzeitig überätzt, so werden die Spitzen der konvexen Ecken 13 angeätzt. Kompensationsstrukturen für konvexe Ecken sind beim Siliziumätzen gebräuchlich. Die hier verwendeten Balken 14 sind je­ doch gerade für die Ausbildung von Strömungskanälen besonders vor­ teilhaft. Die durch die Balken 14 gebildete Kompensationsstruktur für die konvexen Ecken 13 ist symmetrisch und bewirkt, daß alle vier konvexen Ecken 13 bei einer leichten Unter- oder Überätzung die gleiche Form aufweisen. Dadurch bleiben die Strömungsverhältnisse in den Kanälen 5 von geringen Fertigungstoleranzen abgesehen weitgehend unbeeinflußt. Für die Funktion der Einspritzplatte ist nämlich eine symmetrische Ausgestaltung aller vier Kanäle 5 von wesentlich größerer Bedeutung als die Einhaltung der Absolutwerte der Ab­ messungen der Kanäle 5. Bereits kleine Unsymmetrien der konvexen Ecken 13 führen nämlich bei den hier gezeigten Kanälen 5 zu einer ungleichmäßigen Zerstäubung der durch die Einspritzlöcher 3 eintretenden Flüssigkeit. Die hier gezeigte Kompensationsstruktur für die konvexen Ecken 13 ist daher für die Herstellung von Silizium-Einspritzplatten besonders vor­ teilhaft.

In der Fig. 5 ist die Unterseite 8 der Siliziumplatte 2 mit der darauf aufgebrachten Ätzmaske 10 dargestellt. Die fünfeckigen Be­ reiche 30 sind wiederum nicht von der Ätzmaske bedeckt. Die drei Ränder 31 jedes frei liegenden Bereiches 30 sind wieder auf einer 111-Ebene, die einen Winkel von ca. 54,74° zur Oberfläche der 100-orientierten Siliziumplatte 2 bildet, gelegen. Die Ränder 32 der freiliegenden Bereiche 30 sind wieder auf 100-Kristallebenen ge­ legen, die rechtwinklig zur 100-Oberfläche der Siliziumplatte 2 sind. Durch diese Kanten 32 werden wieder Balkenstrukturen 14 ge­ bildet, die die konvexen Ecken beim Ätzprozeß von der Unterseite 8 der Siliziumplatte 2 schützen. Die freiliegenden Bereiche 30 reichen hier nicht bis an den Rand der Siliziumplatte 2. Durch die hier ge­ zeigte Ätzmaske 10 wird somit eine kreuzförmige Öffnung in die Unterseite der Siliziumplatte 2 eingebracht, wobei die Arme dieser kreuzförmigen Öffnung nicht bis an den Rand der Siliziumplatte 2 reichen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von Silizium-Einspritzplatten, die durch Bonden einer oberen Platte (1) mit mindestens einem Einspritz­ loch (3) und einer unteren Siliziumplatte (2) mit mindestens einem Durchgangsloch (4) gebildet werden, wobei Einspritzloch (3) und Durchgangsloch (4) übereinander angeordnet werden, wobei durch Aus­ nehmungen in den Siliziumplatten (1, 2) Kanäle (5) zwischen dem Durchgangsloch (4) und dem Außenrand (6) der Silizium-Einspritz­ platte ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Siliziumplatte (2) durch gleichzeitiges, zweiseitiges, anisotropes Ätzen des Siliziums bearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ätzung der unteren Siliziumplatte (2) jeweils auf der Unterseite (8) und der Oberseite (7) eine Ätzmaske (9, 10) angeordnet wird, wobei die Bereiche des Durchgangslochs (4) von der Oberseite (7) und der Unterseite (8), die Bereiche der Kanäle (5) nur von der Oberseite (7) nicht durch die Ätzmaske (9, 10) gegen den Angriff der Ätzlösung geschützt wird, und daß die untere Siliziumplatte (2) in etwa so­ lange von der Ätzlösung angegriffen wird, wie zur Ätzung der halben Dicke der Siliziumplatte (2) notwendig ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Siliziumplatte (2) eine 100-Orientierung aufweist, daß von der Ober­ seite (7) ausgehend eine kreuzförmige Ausnehmung (11) in die untere Siliziumplatte (2) eingeätzt wird, wobei die Arme dieses Kreuzes bis zum Rand der Siliziumplatte (2) reichen, daß von der Unterseite (8) ausgehend eine kreuzförmige Ausnehmung (12) in die untere Silizium­ platte (2) eingeätzt wird, wobei die Arme dieses Kreuzes nicht bis zum Rand der Siliziumplatte (2) reichen, daß die Aus­ nehmungen (11, 12) übereinanderliegen und so tief sind, daß sich die Ausnehmungen (11, 12) zu einem kreuzförmigen Durchgangsloch (4) ver­ einigen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ätzen die konvexen Ecken (13) der kreuzförmigen Ausnehmungen (11, 12), die durch zusammenlaufende 111-Ebenen der Siliziumplatte (2) gebildet werden, durch Kompensationsstrukturen geschützt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme der kreuzförmigen Ausnehmungen (11) der Oberseite (7) gleich breit sind, daß die Arme der kreuzförmigen Ausnehmung (12) der Unterseite (8) gleich breit sind, und daß die Kompensationstruktur durch Balken (14) gebildet wird, die sich von den gegenüberliegenden konvexen Ecken (13) bis zur jeweils diagonal entgegengesetzten Ecke (13) er­ strecken, wobei die Kanten der Balken (14) auf 100-Ebenen der Siliziumplatte (2) liegen, die senkrecht zur 100-Oberfläche der Siliziumplatte (2) sind.

6. Siliziumplatte (2) mit mindestens einem Durchgangsloch (4) und mindestens einer Ausnehmung (11) für Kanäle (5), die auf einer Seite der Siliziumplatte (2) eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Seite der Siliziumplatte (2) die Ausnehmung (11) und das Durchgangsloch (4) bis zur Tiefe der Kanäle (5) und von der anderen Seite das Durchgangsloch (4) geätzt ist, so daß das Durch­ gangsloch (4) in etwa in der Mitte der Siliziumplatte (2) eine Kante aufweist.