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Dokumentenidentifikation DE102005037139A1 08.02.2007
Titel Verfahren zur Verbindung von Mikrobauteilen mit nanostrukturierten Siliziumoberflächen und Verfahren zur deren Herstellung
Anmelder Technische Universität Ilmenau, 98693 Ilmenau, DE
Erfinder Stubenrauch, Mike, Dipl.-Ing., 98693 Ilmenau, DE;
Fischer, Michael, Dipl.-Ing., 07407 Uhlstädt-Kirchhasel, DE;
Albrecht, Arne, Dr.-Ing., 98693 Ilmenau, DE
DE-Anmeldedatum 06.08.2005
DE-Aktenzeichen 102005037139
Offenlegungstag 08.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.02.2007
IPC-Hauptklasse B82B 3/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B82B 1/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B81B 1/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B81C 3/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Mit der vorliegenden Erfindung soll ein vereinfachtes Verfahren zur Verbindung von Mikrobauteilen mit nanostrukturierten Siliziumoberflächen und ein vereinfachtes Verfahren zu deren Herstellung bereitgestellt werden, wobei die zu fügenden Mikrobauteile in Abhängigkeit von den technologischen Anforderungen beliebig zueinander positioniert werden können und die erzeugte Verbindung dauerhaft oder zeitweise mechanisch stabil ist.
Erfindungsgemäß wird das im Stand der Technik bekannte Herstellungsverfahren für Silizium-Mikrobauteile lediglich modifiziert und die eigentlich unerwünschte Bildung des "Black Silicon" ausgenutzt. Die sich verjüngenden Enden der sich in diesem Herstellungsverfahren bildenden keilförmigen Nanoobjekte durchdringen sich gegenseitig und bilden dadurch eine dauerhafte Verbindung der Mikrobauteile.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung von Mikrobauteilen, die jeweils mindestens eine nanostrukturierte Siliziumoberfläche aufweisen sowie das Verfahren zur Herstellung dieser nanostrukturierten Siliziumoberflächen.

Aufgrund des stetig steigenden Bedarfes an immer komplexeren Lösungen in der Mikrosystemtechnik wachsen auch die technologischen Anforderungen an die zu verwendenden Mikrobauteile. Insbesondere das Positionieren und Fügen dieser Mikrobauteile stellt in diesem Zusammenhang eine große Herausforderung dar.

Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren der Positionierung und des Fügens von Mikrobauteilen bekannt, wobei zwischen form-, stoff- und kraftschlüssigen Verbindungen zweier Mikrobauteile unterschieden wird.

Die Verbindung von Mikrobauteilen mit Hilfe von formschlüssigen Konturen, wie z.B. Gruben und Stege oder Gruben und Kugeln, ist charakterisiert durch vordefinierte, nicht veränderbare Positionen, wobei zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen diesen Mikrobauteilen oftmals eine zusätzliche Kraftkomponente (z. B. die Schwerkraft) erforderlich ist.

Stoffschlüssige Verbindungen von Mikrobauteilen können durch Bonden, Kleben und Ansprengen mittels verschiedener Oberflächeneffekte realisiert werden, wobei mit einem hohem technischen Aufwand dauerhafte, nicht lösbare Verbindungen entstehen.

Schwer oder gar nicht in die Mikrosystemtechnik integrierbar sind die kraftschlüssigen Verbindungen, bei denen durch Klemmen oder Schrauben mit zusätzlichen Hilfselementen verschiedene Bauteile verbunden werden.

Des weiteren sind im Stand der Technik kombinierte Verfahren (Form- und Kraftschluss) zur Verbindung von Mikrobauteilen bekannt. So wird z.B. in der WO 99/40812 ein Nano-Klettverschluss beschrieben. Hierbei werden auf den Oberflächen der zu verbindenden Mikrobauteile nanoskalige Befestigungselemente (Nanotubes) abgeschieden bzw. hergestellt. Diese können gerade bzw. an einer oder mehreren Stellen gebogen oder abgewinkelt sein. Wenn die Oberflächen der Mikrobauteile miteinander in Kontakt gebracht werden, verhaken sich diese Nanotubes und es entsteht ein Nanoklettverschluss. Dabei wirkt sich jedoch der hohe technologische Aufwand zur Herstellung dieser Nanotubes nachteilig aus. Des weiteren ist es sehr schwierig, große Flächen mit einer homogenen Verteilung dieser Nanostrukturen zu realisieren und somit verwertbare Verbindungsflächen für Mikrosysteme zu erzeugen.

Mikrobauteile können auch unter Ausnutzung der Adhäsionskräfte miteinander verbunden werden. So wird in der WO 03/099951 z.B. eine mikrostrukturierte Oberfläche mit gesteigerter Adhäsion beschrieben. Es werden Strukturen vorgeschlagen, die definierte Nachgiebigkeiten durch Aufteilung der gesamten Oberfläche in viele einzelne Elemente erzeugen und damit eine großflächige, innige Berührung von zwei Oberflächen realisieren. Die erzeugten Strukturen greifen nicht ineinander und eine mechanische Verankerung zwischen den Mikrobauteilen findet nicht statt. Die Haftverbindung wird ausschließlich durch die van der Waals-Kräfte vermittelt. Nachteilig wirken sich bei diesem Füge- bzw. Kontaktverfahren die Veränderung der Fügestelle durch z.B. Temperatureinwirkung, Luftfeuchtigkeit und andere Umwelteinflüsse aus. Daraus resultiert eine reduzierte Haftkraft sowie deren zeitliche Änderung. Dies kann teilweise zum totalen Ausfall der Verbindung führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb ein vereinfachtes Verfahren zur Verbindung von Mikrobauteilen mit nanostrukturierten Siliziumoberflächen und ein vereinfachtes Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, wobei die zu fügenden Mikrobauteile in Abhängigkeit von den technologischen Anforderungen beliebig zueinander positioniert werden können und die erzeugte Verbindung dauerhaft oder zeitweise mechanisch stabil ist.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 3 und 5.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 – schematische Darstellung der Verbindung zweier nanostrukturierter Siliziumoberflächen

2 – mikroskopische Aufnahme zweier miteinander verbundener Mikrobauteile mit nanostrukturierter Siliziumoberfläche

Unter nanostrukturierten Oberflächen sind Geometrien an der Oberfläche von Substraten oder Mikrobauteilen zu verstehen, deren laterale und vertikale Abmessungen im Bereich von einigen 10 &mgr;m bis einigen 10 nm liegen. Nanostrukturierte Siliziumoberflächen werden nach dem Stand der Technik mit Hilfe verschiedener Ätzverfahren hergestellt, wobei das Trocken- oder Plasmaätzen (Reaktives-Ionen-Ätzen – engl. Abk. RIE) den nasschemischen Ätzverfahren aufgrund von technologischen Vorteilen vorgezogen wird.

Beim Plasmaätzen am Silizium erfolgt der Ätzangriff zum einen durch reaktive Gasradikale (chemischer Anteil) und zum anderen durch ein Bombardement mit positiven, energiereichen Ionen (physikalischer Anteil). Durch das permanente Bombardement des geerdeten Substrates mit Ionen wird dessen Oberfläche mechanisch angegriffen und damit gleichzeitig dem chemischen Angriff ätzaktiver Gasradikale zugänglich gemacht. Spezielle Strukturen lassen sich erzeugen, indem man bestimmte Bereiche der Substratoberfläche mit einem Photolack abdeckt. Als Ätzgase werden Schwefelhexafluorid (SF6) und Sauerstoff (O2) verwendet.

Um mit diesem Ätzverfahren tiefe Gräben mit möglichst senkrechten Seitenwänden zu erhalten, wird es in regelmäßigen zyklischen Abständen durch Passivierungsphasen unterbrochen. Dabei wird eine wenige Nanometer dicke Passivierungsschicht abgeschieden.

Erfindungsgemäß wird der beschriebene Ätzprozess so modifiziert, dass sich das sensible Verhältnis zwischen dem Ätzen und dem Passivieren zugunsten der Passivierung verschiebt. Dabei wird das natürliche Oxid bzw. die Passivierungsschicht (Polymere und SiOxFy), die während des Passivierungszyklus abgeschieden wird, nur unvollständig geätzt, wodurch Reste dieser Passivierungsschicht auf der Siliziumoberfläche verbleiben. Diese Reste fungieren im weiteren Verlauf des Verfahrens als Maskierung. In der Folge bilden sich mit zunehmender Dauer dieses Ätzprozesses an den Stellen, an denen Reste der Passivierungsschicht die Siliziumoberflächen maskieren, keilförmige Nanoobjekte. Ihre geometrischen Abmaße sind im Wesentlichen von der Dauer des Ätzprozesses abhängig, wobei ihre Länge vorzugsweise kleiner als 100 &mgr;m und ihr Fußdurchmesser kleiner als 10 &mgr;m ist. Demnach ist ihr Aspektverhältnis vorzugsweise größer als 1. Die entstehenden keilförmigen Nanoobjekte weisen einen Keilwinkel von weniger als 20° auf und ihre Verteilung über die gesamte Bauteiloberfläche bzw. auf Teilen der Bauteiloberfläche ist nahezu konstant. Der Abstand zwischen. den Objektachsen und somit die Dichte ihrer Verteilung ist größer oder gleich ihrem Durchmesser.

Als besonders vorteilhaft in technologischer Hinsicht erweist sich die Tatsache, dass das vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung dieser nanostrukturierten Siliziumoberfläche keine zusätzlichen Schritte im allgemeinen Fertigungsprozess für Siliziumwafer oder anderer Silizium-Mikrobauteile erfordert, da erfindungsgemäß das im Stand der Technik bekannte Herstellungsverfahren für derartige Mikrobauteile lediglich modifiziert und die eigentlich unerwünschte Bildung des „Black Silicon" ausgenutzt wird.

Eine dauerhafte oder zeitlich begrenzte Verbindung zweier oder mehrerer Mikrobauteile, die jeweils mindestens eine dieser erfindungsgemäßen nanostrukturierten Siliziumoberfläche aufweisen, entsteht, wenn diese nanostrukturierten Siliziumoberflächen an der gewünschten Stelle derart gegenüberliegend positioniert werden, dass die verjüngten Enden der keilförmigen Nanoobjekte einander zugewandt sind (1). Unter geringem Druck werden sie anschließend miteinander in Kontakt gebracht. Dabei gleiten die keilförmigen Nanoobjekte ineinander. Durch die vorzugsweise statistische Verteilung der keilförmigen Nanoobjekte kann eine Verbindung der Mikrobauteile an beliebigen Positionen zueinander in der Verbindungsebene realisiert werden. Des weiteren kann durch asymmetrisch eingeprägte Fügekräfte eine Ausrichtung beider Bauelemente in z-Richtung sowie in zwei in der Ebene liegende Drehachsen erfolgen. Der Positionierungsspielraum wird dabei durch die Höhe der keilförmigen Nanoobjekte begrenzt.

Mit fortschreitender Überlappung der Konturen der keilförmigen Nanoobjekte entsteht ein zunehmender Kraftschluss durch bekannte Oberflächeneffekte. Diese bestehen aus Adhäsion, Formschluss der Substrukturen an den Wänden der keilförmigen Nanoobjekte im nm-Bereich, elastischer Verformung der keilförmigen Nanoobjekte und der daraus resultierenden zunehmenden Reibkräfte.

Mit einer gezielten Wahl der Parameter bei der Herstellung der nanostrukturierten Siliziumoberfläche können die geometrischen Abmaße der keilförmigen Nanoobjekte (Dichte, Keilwinkel, ihre Länge und ihre Oberflächenkontur) den technologischen Erfordernissen angepasst werden. Damit kann auch der Anteil des Kraftschlusses und somit die Selbsthaltung der Verbindung eingestellt werden. Da die Verbindung dieser Bauteile bis zu bestimmten Kraftgrenzen (Selbsthaltekraft) in bestimmten Einbaulagen dauerhaft ist, kann sie auch durch Aufbringen einer diese Selbsthaltekraft übersteigenden Lösekraft jederzeit wieder aufgehoben werden. Es liegt selbstverständlich auch im Bereich der Erfindung, dass mit einem Klebstoff oder einem die Adhäsion fördernden Polymer die Verbindung dieser Mikrobauteile dauerhaft und nicht lösbar hergestellt werden kann. Der Klebstoff kann dabei durch Kapillarkräfte oder in Dampfform über Diffusionsprozesse in die Fügestelle eindringen.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung nanostrukturierter Siliziumoberflächen, bei dem in alternierenden Teilprozessen die Siliziumoberfläche geätzt und passiviert wird dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Ätz- und Passivierungsteilprozess in der Weise verschoben ist, dass die während des Passivierungsteilprozesses auf die Siliziumoberfläche aufgebrachte Passivierungsschicht unvollständig im folgenden Ätzteilprozess entfernt wird und die verbleibenden Reste der Passivierungsschicht die Siliziumoberfläche in den folgenden Teilprozessen maskieren, wodurch auf der Siliziumoberfläche statistisch verteilt keilförmige Nanoobjekte entstehen. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Ätz- und dem Passivierungsteilprozess über die Regelung der jeweiligen Teilprozessdauer eingestellt wird. Nanostrukturierte Siliziumoberfläche dadurch gekennzeichnet, dass sie nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 hergestellt wurde und die gesamte Siliziumoberfläche oder Teile der Siliziumoberfläche eine Vielzahl von keilförmigen Nanoobjekten aufweisen, wobei diese keilförmigen Nanoobjekte auf der gesamten Siliziumoberfläche oder auf Teilen der Siliziumoberfläche konstant und statistisch verteilt angeordnet sind und die Form und die Größe der keilförmigen Nanoobjekte abhängig ist von der Dauer des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei ihre Länge vorzugsweise kleiner als 100 &mgr;m, ihr Durchmesser vorzugsweise kleiner als 10 &mgr;m und ihr Keilwinkel vorzugsweise kleiner als 20° ist und der Abstand zwischen den Objektachsen der einzelnen keilförmigen Nanoobjekte gleich oder größer dem Durchmesser dieser Objekte ist. Mikrobauteil, dessen Oberfläche zumindest teilweise eine nanostrukturierte Siliziumoberfläche gemäß Anspruch 2 aufweist. Verfahren zur Verbindung von Mikrobauteilen nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine nanostrukturierte Siliziumoberfläche oder der mindestens eine nanostrukturierte Teil der Siliziumoberfläche eines ersten Mikrobauteils mit der mindestens einen nanostrukturierten Siliziumoberfläche oder dem mindestens einen nanostrukturierten Teil der Siliziumoberfläche eines zweiten Mikrobauteils derart gegenüberliegend positioniert werden, dass die verjüngten Enden ihrer keilförmigen Nanoobjekte einander zugewandt sind und sich unter Einwirkung einer Fügekraft gegenseitig durchdringen. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die zu fügenden Mikrobauteile durch asymmetrisch eingeprägte Fügekräfte in z-Richtung sowie in zwei in der Ebene liegende Drehachsen ausrichtbar sind, wobei die Höhe der keilförmigen Nanoobjekte den Spielraum zur Ausrichtung der Mikrobauteile begrenzt. Verbund von zumindest zwei Mikrobauteilen nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass er dauerhaft ist. Verbund nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass er durch die Verwendung eines Klebstoffes oder eines die Adhäsion fördernden Polymers nicht lösbar ist. Verbund nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass er unter Einwirkung einer Kraft, die größer als die Selbsthaltekraft der keilförmigen Nanoobjekte ist, lösbar ist.






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