DE4332414A1

DE4332414A1 - Method for anisotropic etching of silicon

Info

Publication number: DE4332414A1
Application number: DE19934332414
Authority: DE
Inventors: Gisela Schmidt-Sodingen; Karl-August Dr Rer Steinhauser
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: SCHMIDT-SODINGEN, GISELA, 81477 MUENCHEN, DE
Priority date: 1993-09-23
Filing date: 1993-09-23
Publication date: 1995-03-30

Abstract

In a method for anisotropic etching of silicon in which grooves (2, 3), which are of different sizes and which merge together from the surface of a Si wafer (1), are etched with the use of a suitable mask and a suitable etchant, it is intended to reduce the undercut etching of convex corners to such an extent that grooves which merge together very precisely can be produced. In a first etching step, grooves (2, 3) with different sizes are etched in ethylene diamine and thereafter oxidized, and then, in a second etching step, small grooves (4) are etched in to a point directly adjacent to the grooves (2, 3) of different sizes, in such a way that an intermediate web (4) remains between the two grooves (2, 3), and after the oxide layer is removed from the grooves (2, 3) with different sizes, the intermediate web (4) is etched off in potassium oxide solution in a third etching step. Optoelectronic converter modules. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum anisotropen Ätzen von Silizium nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for anisotropic etching of silicon according to the preamble of claim 1.

Einkristallines Silizium wird wegen seiner guten mikrome chanischen Eigenschaften immer häufiger als Ausgangsmate rial für die unterschiedlichsten mechanischen Komponenten verwendet. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von Druck sensoren über Düsen beispielsweise für Tintenstrahldrucker bis zu elektrooptischen Wandlermodulen in hybrider Aufbau technik.Single crystalline silicon is used because of its good microme chanic properties more often than starting mate rial for a wide variety of mechanical components used. The possible uses range from pressure sensors via nozzles, for example for inkjet printers up to electro-optical converter modules in a hybrid structure technology.

Eine besonders präzise und auch kostengünstige Methode der Strukturierung stellt dabei das anisotrope Ätzen von ein kristallinem Silizium in Kalilauge oder Äthylendiamin dar. Dabei stört allerdings oft die starke Unterätzung von kon vexen bzw. vorspringenden Ecken. Solche konvexe Ecken sind aber bei einer für bestimmte Anwendungen zweckmäßigen Form gebung unvermeidbar, bei der ineinander übergehende Struk turen unterschiedlicher Größe aus einer einkristallinem Siliziumscheibe herausgeätzt werden sollen. Eine derartige Struktur in Form von Nuten wird beispielsweise bei opti schen Sende- und Empfangsmodulen als Lichtkanal und zum Einlegen einer Glasfaser und einer Kugellinse als Koppel optik benötigt. Ein solcher Sende- und Empfangsmodul ist in der DE-OS 38 09 396 beschrieben. Bei diesem optoelek tronischen Wandlermodul sind die einzelnen optischen, op toelektronischen und elektrooptischen Komponenten unmittel bar auf einem Siliziumsubstrat angeordnet. Zum Einlegen der Glasfaser und der Kugellinse ist der Si-Wafer so struk turiert, daß eine schmale V-Nut für die Glasfaser in eine breite V-Nut zur Aufnahme der Kugellinse einmündet.A particularly precise and inexpensive method of Structuring sets the anisotropic etching of crystalline silicon in potassium hydroxide solution or ethylenediamine. However, the severe undercutting of kon vexen or protruding corners. Such are convex corners but in a form that is expedient for certain applications given inevitable, with the merging structure different sizes from a single crystal Silicon wafer should be etched out. Such Structure in the form of grooves is used, for example, at opti sender transmission and reception modules as light channels and Inserting a glass fiber and a ball lens as a coupling optics needed. Such a transmission and reception module is described in DE-OS 38 09 396. With this optoelek tronic converter module are the individual optical, op toelectronic and electro-optical components bar arranged on a silicon substrate. To insert the glass fiber and the spherical lens, the Si wafer is so strong turiert that a narrow V-groove for the glass fiber in a wide V-groove opens to accommodate the ball lens.

Ein aus der EP-A-0 418 423 bekanntes Verfahren zur Vermei dung der Kantenunterätzung besteht darin, die beiden ver schieden großen V-Nuten in zwei getrennten Schritten zu ätzen. Bei einer speziellen Geometrie, z. B. beim Übergang von einer schmalen V-Nut für eine Lichtleitfaser in eine breite V-Nut für eine Kugellinse, führt dieses Verfahren beim zweiten Ätzschritt allerdings zu langen Ätzzeiten, wodurch die Präzision der V-Nuten beeinträchtigt wird.A method for avoidance known from EP-A-0 418 423 Edge undercutting consists of ver allocated large V-grooves in two separate steps etching. With a special geometry, e.g. B. at the transition from a narrow V-groove for an optical fiber into one wide V-groove for a ball lens, leads this procedure in the second etching step, however, too long etching times, which affects the precision of the V-grooves.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum anisotropen Ätzen von Silizium zu schaffen, mit dem es bei wesentlich verkürzter Ätzzeit möglich ist, die Unter ätzung konvexer Ecken so zu reduzieren, daß sehr präzise, ineinander übergehende Nuten verschiedener Größe in einem Silizium-Wafer hergestellt werden können.The invention has for its object a method to create anisotropic etching of silicon with which it with significantly reduced etching time, the sub to reduce the etching of convex corners so that very precise, merging grooves of different sizes in one Silicon wafers can be produced.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genann ten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1, des Anspruchs 2 oder des Anspruchs 3 gelöst.This task is called in a method of the beginning th kind according to the invention by the features of claim 1, of claim 2 or claim 3 solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der Er findung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.Advantageous refinements or developments of the Er invention are subject to additional claims.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe sondere darin, daß mit dem erfindungsgemäßen Ätzverfahren die Kantenunterätzung so stark reduziert wird, daß z. B. eine Kugellinse durch eine große V-Nut definiert in einer Position gehalten wird. Die Ätzzeit ist wesentlich kürzer als bei bekannten Verfahren. Die Nuten sind so präzise, daß eine selbstjustierende Aufnahme von Glas- bzw. Licht leitfasern und Kugellinsen in die Nuten erfolgen kann. The advantages achieved with the invention are in particular special in that with the etching method according to the invention the edge undercut is reduced so much that z. B. a spherical lens defined by a large V-groove in one Position is held. The etching time is much shorter than with known methods. The grooves are so precise that a self-adjusting inclusion of glass or light fibers and ball lenses can be made in the grooves.

Auch die Dejustierung der ineinander übergehenden Nuten ist gering.Also the misalignment of the merging grooves is low.

Anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Aus führungsbeispielen wird das erfindungsgemäße Verfahren im folgenden näher erläutert. Es zeigenUsing the Aus shown in the figures of the drawing The process according to the invention is described in exemplary embodiments in following explained in more detail. Show it

Fig. 1 und 2 eine Draufsicht auf einen Siliziumwafer, Fig. 1 and 2 a plan view of a silicon wafer,

Fig. 3 bis 9 die Verfahrensfolge einer ersten Verfahrens variante und Fig. 3 to 9 variant, the process sequence of a first process and

Fig. 10 bis 16 die Verfahrensfolge einer zweiten Verfah rensvariante. Fig. 10 to 16 rensvariante the process sequence of a second procedural.

In Fig. 1 ist ein Siliziumwafer 1 dargestellt, aus dem eine große Nut 2 und eine längliche kleinere Nut 3 anisotrop herausgeätzt sind. Der an der Einmündung der schmalen Nut 3 in die breite Nut 2 dabei entstandene schmale Zwischen steg 4, der auch ein Grat oder eine scharfe Kante sein kann, ist gestrichelt eingezeichnet. Dieser Zwischensteg 4 wird abschließend durch einen weiteren Ätzschritt entfernt, so daß die in Fig. 2 dargestellte Struktur gebildet wird. Eine derartige Struktur wird, wie eingangs bereits erwähnt, beispielsweise bei optischen Sende- und Empfangsmodulen zum Einlegen einer Glasfaser und einer Kugellinse bzw. zum Bilden eines Lichtkanals benötigt.In Fig. 1, a silicon wafer 1 is shown, from which a large groove 2 and an elongated smaller groove are etched anisotropically. 3 The resulting narrow intermediate web 4 at the mouth of the narrow groove 3 into the wide groove 2 , which can also be a ridge or a sharp edge, is shown in dashed lines. This intermediate web 4 is finally removed by a further etching step, so that the structure shown in FIG. 2 is formed. As already mentioned at the beginning, such a structure is required, for example, in the case of optical transmission and reception modules for inserting a glass fiber and a spherical lens or for forming a light channel.

Bei dem anisotropen Ätzverfahren werden zweckmäßig die Strukturen bzw. Nuten 2, 3 aus einem (100)-orientierten Siliziumwafer 1 herausgeätzt. Diese Strukturen können bei spielsweise die Gestalt einer V-Nut, einer trapezförmigen Nut, einer Pyramide oder eines Pyramidenstumpfes haben.In the anisotropic etching process, the structures or grooves 2 , 3 are expediently etched out of a (100) -oriented silicon wafer 1 . These structures can have the shape of a V-groove, a trapezoidal groove, a pyramid or a truncated pyramid for example.

Das Prinzip des Dreischritt-Ätzverfahrens besteht darin, daß zunächst die unterschiedlich großen Nuten 2, 3 in Äthy lendiamin geätzt und danach oxidiert werden. Anschließend wird in einem zweiten Ätzschritt eine kleine Nut 4 bis di rekt an die unterschiedlich großen Nuten 2, 3 herangeätzt, so daß zwischen den beiden Gräben bzw. Nuten 2, 3 ein Zwi schensteg 4 z. B. in Form einer scharfen Kante oder Spitze stehenbleibt. Nachdem die durch Oxidation gebildete SiO₂- Schutzschicht von den verschieden großen Nuten 2, 3 ent fernt wurde, wird in einem dritten Ätzschritt der Zwischen steg 4 in Kalilauge (KOH) weggeätzt, um beispielsweise einen Lichtkanal freizulegen. Da der Zwischensteg 4 bzw. die scharfe Kante beim anisotropen Ätzen sehr instabil ist, kann diese in so kurzer Zeit entfernt werden, daß die unerwünschten Unterätzungen der konvexen Ecken nicht stören.The principle of the three-step etching process is that first the differently sized grooves 2 , 3 are etched in ethylenediamine and then oxidized. Subsequently, in a second etching step, a small groove 4 to di is etched directly onto the differently sized grooves 2 , 3 , so that between the two trenches or grooves 2 , 3 an intermediate web 4 z. B. remains in the form of a sharp edge or tip. After the SiO₂ protective layer formed by oxidation was removed from the differently sized grooves 2 , 3 , the intermediate web 4 is etched away in potassium hydroxide solution (KOH) in a third etching step, for example to expose a light channel. Since the intermediate web 4 or the sharp edge is very unstable during anisotropic etching, it can be removed in such a short time that the undesired undercutting of the convex corners does not interfere.

Eine Schwierigkeit bei diesem Mehrschrittverfahren besteht darin, daß zur fotolithographischen Erzeugung der Maske für den zweiten und spätere Ätzschritte ein bereits struk turierter Wafer, der dann schon tiefe Nuten enthält, be lackt werden muß. Die einwandfreie Haftung an den scharfen Kanten der V-Nuten ist dabei problematisch. Eine vorteil hafte Ausgestaltung der Erfindung sieht daher vor, eine vergrabene Maske zu verwenden. Der gesamte Prozeßablauf für die Dreischritt-Ätzung stellt sich dann in Verbindung mit den Fig. 3 bis 9 wie folgt dar:A difficulty with this multi-step process is that for the photolithographic production of the mask for the second and later etching steps, an already structured wafer, which then already contains deep grooves, must be coated. The perfect adhesion to the sharp edges of the V-grooves is problematic. An advantageous embodiment of the invention therefore provides for the use of a buried mask. The entire process sequence for the three-step etching is then as follows in connection with FIGS. 3 to 9:

a) on the silicon wafer 1 , the layer sequence of silicon oxide 5 , z. 50 nm, silicon nitride 6 , e.g. B. 200 nm, and silicon oxide 7 , z. B. about 10 nm. The masking or photo lacquer layer is provided with the reference character Chen 8 and the exposure indicated by the arrows 9 .
b) For the intermediate web 4 , the z. B. serves as a light channel, the silicon wafer 1 is structured and etched to the middle of the Si₃N₄ layer 6 ( Fig. 3, 4).
c) For the two grooves 2 , 3 of different sizes, the z. B. the ball lens and the fiber should take up, the entire layer sequence is etched ( Fig. 5). Since this mask opening overlaps with the mask for the intermediate web 4 or the small groove to be produced, the grooves 2 , 4 and 3 , 4 abut each other exactly in a self-adjusting manner.
d) The grooves 2 , 3 of different sizes are etched anisotropically in ethylene diamine ( Fig. 6).
e) The fully etched grooves 2 , 3 are thermally oxidized so that an SiO₂ protective layer 10 is formed, the Si₃N₄ layers 6 being practically not attacked ( Fig. 7).
f) By selective etching of the Si₃N₄ layer 6 in hot phosphoric acid, the half-etched buried mask for the intermediate web 4 is exposed, the thick Si₃N₄ masking (layer 6 ) being retained by about half and the SiO₂ layer 10 in the already etched Grooves 2 , 3 is not attacked.
g) The intermediate web 4 or the small groove is etched anisotropically in ethylene diamine ( FIG. 8).
h) In buffered hydrofluoric acid, the SiO₂ protective layer 10 in the differently sized grooves 2 , 3 is selectively removed from the silicon layer 6 .
i) In the third etching step, the sharp edges between the grooves 2 , 3 are etched off in potassium hydroxide solution (KOH) to such an extent that the light beams in the finished structure are no longer obstructed. Here, KOH is more suitable as an etchant than ethylenediamine, since KOH removes the tips more quickly and does not underestimate the convex corners so much ( Fig. 9).

Das beschriebene Verfahren kann noch vereinfacht werden. Das Prinzip dieses verbesserten Verfahrens besteht darin, daß zunächst die Nuten unterschiedlicher Größe z. B. in Äthylendiamin geätzt werden, wobei ein schmaler Zwischen steg zwischen den Nuten stehen bleibt, die später ineinan der übergehen sollen. Nachdem eine Maskierung über dem Steg bzw. Grat entfernt wurde, werden im zweiten Ätzschritt der Steg bzw. Grat oder die Kanten abgetragen, so daß der Lichtkanal freigelegt wird. Da die scharfen Kanten (Grat) beim anisotropen Ätzen sehr instabil sind, können sie in so kurzer Zeit entfernt werden, daß die unerwünschten Unterätzungen der konvexen Ecken so reduziert sind, daß sie nicht stören.The described method can be simplified. The principle of this improved method is that first the grooves of different sizes z. B. in Ethylene diamine are etched with a narrow intermediate web remains between the grooves that later interlock who should pass over. After masking over the footbridge or burr has been removed, the Web or ridge or the edges removed, so that the Light channel is exposed. Since the sharp edges (ridge) are very unstable when anisotropic etching, in be removed in such a short time that the unwanted Undercuts in the convex corners are reduced so that don't bother them.

Der gesamte Prozeßablauf stellt sich anhand der Fig. 10 bis 19 wie folgt dar:The entire process sequence is shown in FIGS . 10 to 19 as follows:

a) on the silicon wafer 1 , the layer sequence of silicon oxide 5 , z. 50 nm, silicon nitride 6 , e.g. B. 200 nm, silicon oxide 7 , z. B. about 10 nm. The photo lacquer layer or masking is again provided with the reference character 8 and the exposure thereof is indicated by arrows 9 .
b) For the differently sized grooves 2 , 3 , the z. B. a ball lens and a glass fiber, the entire layer sequence 5 , 6 , 7 is etched ( Fig. 10, 11).
c) For the intermediate web 4 , which is to serve as a light channel, the silicon wafer 1 is structured and etched to the middle of the Si₃N₄ layer 6 ( Fig. 12, 13).
d) The differently sized grooves 2 , 3 are anisotropically etched in ethylene diamine ( Fig. 14).
e) The half-etched buried mask (silicon layer 6 ) on the intermediate web 4 is exposed in hot phosphoric acid, the thick silicon nitride layer 6 (masking) being retained in half ( FIG. 15).
f) In the second anisotropic etching step, the tips are removed to such an extent that the light beams in the finished structure are no longer obstructed ( FIG. 16).

Claims

1. A method for anisotropic etching of silicon, in which, using a suitable mask and a suitable etching agent, etching grooves of different sizes are etched out of one another from the surface of a silicon wafer, characterized in that, in a first etching step, grooves of different sizes ( 2 , 3 ) Etched in ethylenediamine and then oxidized so that in a second etching step small grooves ( 4 ) are etched right up to the differently sized grooves ( 2 , 3 ) so that an intermediate web ( 4 ) remains between the grooves ( 2 , 3 ) , and that after removal of the oxide layer from the grooves ( 2 , 3 ) of different sizes, the intermediate web ( 4 ) is etched off in potassium hydroxide solution in a third etching step.

2. A method for anisotropic etching of silicon, in which, using a suitable mask and a suitable etchant, etching grooves of different sizes are etched out of one another from the surface of a silicon wafer, characterized in that on a silicon wafer ( 1 ) the layer sequence silicon oxide ( 5 ), silicon nitride ( 6 ), silicon oxide ( 7 ) is deposited that the silicon wafer ( 1 ) for intermediate webs ( 4 ) is structured between grooves ( 2 , 3 ) of different sizes and is etched to the center of the silicon nitride layer ( 6 ) that for the grooves ( 2 , 3 ) of different sizes, the entire layer sequence ( 5 , 6 , 7 ) is etched off, that the grooves ( 2 , 3 ) of different sizes are etched anisotropically in ethylenediamine, that the grooves ( 2 , 3 ) for Forming a protective SiO₂ layer ( 10 ) are thermally oxidized, that by angative etching of the silicon nitride layer ( 6 ) in hot phosphoric acid etched silicon nitride layer ( 6 ) on the intermediate webs ( 4 ) is exposed, that the intermediate webs ( 4 ) are etched anisotropically in ethylenediamine, that in buffered hydrofluoric acid the SiO₂ protective layer ( 10 ) in the grooves ( 2 , 3 ) selectively to the silicon nitride layer ( 6 ) is removed, and that the intermediate webs ( 4 ) between the grooves ( 2 , 3 ) are etched off in potassium hydroxide solution.

3. A process for anisotropic etching of silicon, in which using a suitable mask and a suitable etchant from the surface of a silicon wafer, merging grooves of different sizes are etched out, characterized in that on a silicon wafer ( 1 ) the layer sequence ge silicon oxide ( 5 ), silicon nitride ( 6 ), silicon oxide ( 7 ) is deposited so that the entire layer sequence ( 5 , 6 , 7 ) is etched away for grooves ( 2 , 3 ) of different sizes, that for intermediate webs ( 4 ) between the grooves ( 2 , 3 ) the silicon wafer ( 1 ) is structured and etched to the center of the silicon nitride layer ( 6 ), so that the grooves ( 2 , 3 ) are etched anisotropically in ethylenediamine, so that the etched silicon nitride layer ( 6 ) on the intermediate webs ( 4 ) releases is placed, and that in a second anisotropic etching step, the intermediate webs ( 4 ) between the grooves ( 2 , 3 ) are removed.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the different sized grooves ( 2 , 3 ) from a (100) -oriented silicon wafer ( 1 ) are etched out.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the different sized grooves ( 2 , 3 ) have the shape of a V-groove, a trapezoidal groove, a pyramid or a truncated pyramid.