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Dokumentenidentifikation DE102005048363A1 12.04.2007
Titel Verfahren zum Schutz empfindlicher Nanostrukturen
Anmelder X-FAB Semiconductor Foundries AG, 99097 Erfurt, DE
Erfinder Bach, Konrad, Dr., 99189 Tiefthal, DE;
Gäbler, Daniel, 98693 Ilmenau, DE
DE-Anmeldedatum 10.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005048363
Offenlegungstag 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse B82B 3/00(2006.01)A, F, I, 20051010, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 23/29(2006.01)A, L, I, 20051010, B, H, DE   H01L 21/316(2006.01)A, L, I, 20051010, B, H, DE   
Zusammenfassung Extrem feine Strukturen (Nanostrukturen) sind gegenüber mechanischen Kräften nicht sehr robust. Daher ist es für eine Vielzahl von Anwendungen notwendig, sie vor einer mechanischen Zerstörung zu schützen. Dieser Schutz wird durch eine Auffüllsubstanz bis zu einer glatten Oberfläche gewährleistet. Dazu wird ein Spin On-Glas (SOG) mit angepassten Eigenschaften benutzt.

Beschreibung[de]

Schutzschichten für leicht zerkratzbare Oberflächen gibt es schon seit geraumer Zeit. Seien es Hartschichten für Kunststoffgläser oder CDs. Auch für Nanostrukturen gibt es Bemühungen, diese zu schützen (EP 1215513). Im Grunde soll eine Schutzschicht die Zerstörung eines Funktionselementes verhindern, ohne dabei dessen Funktion allzu stark zu beeinträchtigen. Dabei gilt es meist eine Reihe von Randbedingungen mit in Betracht zu ziehen, wodurch sich die Realisierung einer solchen Schicht verkompliziert.

Das gilt insbesondere für den Schutz einer Schicht, die aus nadelförmigen Siliziumspitzen in Nanometerdimensionen mit großem Aspektverhältnis um 4:1 und größer – kurz als Nanostruktur bezeichnet – besteht, wie sie z.B. mit dem RIE-Verfahren kristallfehlerfrei selbstorganisierend hergestellt werden kann, so wie es bereits vorgeschlagen wurde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schutz solcher Nanostrukturen anzugeben, welches einen mechanischen Schutz im Rahmen weiterer Verarbeitungsprozesse von Siliziumscheiben mit solchen Schichten schafft, ohne die besonderen Eigenschaften dieser Schichten, wie Reflexion, Adhäsion von chemischen Stoffen etc. wesentlich zu verändern.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, 3 und 4 angegebenen Merkmalen.

Die Gegenstände der Ansprüche 1, 3 und 4 weisen die Vorteile auf, dass die Schutzschicht die Hohlräume zwischen den zu schützenden nadelförmigen Siliziumspitzen auffüllt und so die Strukturen stabilisiert werden. Zur weiteren Verarbeitung wird eine geschlossene Schicht ausgebildet.

Aufgrund der so erzeugten glatten Oberfläche können mechanische Beanspruchungen ohne Zerstörung der Nanostruktur abgefangen werden. Auf diese glatte Oberfläche kann sehr viel einfacher eine weitere Schicht aufgebracht und auch wieder entfernt werden.

Je nach verwendetem Material greift diese Schutzschicht unterschiedlich in die Funktionsweise der Nanostruktur ein. Die oberflächenvergrößernde Funktion einer Nanostruktur wird durch eine dichte Schicht vollständig unterbunden. Eine poröse Schicht hingegen kann dafür genutzt werden, nur bestimmte Stoffe an die Oberfläche der Nanostruktur durchzulassen, was z.B. bei chemischen Sensoren eine Rolle spielt.

Für alle optischen Anwendungen ist es entscheidend, dass die Eigenschaften der Reflexion und Transmission oder auch der Streuung sich nur geringfügig verschlechtern oder sogar verbessern. Dazu muss die Schicht eine geringe Absorption aufweisen. Reflexionsverluste bleiben minimal, wenn der Brechungsindex möglichst gering ist.

Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigen

1 einen vertikalen Schnitt durch eine Fotodiode ohne Schutzschicht auf der Nanostruktur in schematischer Darstellung,

2 einen vertikalen Schnitt durch eine Fotodiode mit Schutzschicht auf der Nanostruktur in schematischer Darstellung,

3 ein Diagramm mit den Werten der Reflexion vor und nach dem Aufbringen der SOG-Schutzschicht auf eine Silizium-Nanostruktur.

Die Figuren sind selbsterklärend und bedürfen keiner weiteren Erläuterung.

Beispielsweise wird für die Entspiegelung einer Photodiode, hergestellt durch einen CMOS-Prozess, in die Oberfläche des Siliziums mit dem RIE-Verfahren in der bereits vorgeschlagenen Weise eine Nanostruktur geätzt. Auf diesen Prozessschritt folgen üblicherweise noch weitere. Unter anderem müssen die Bondpads für die Kontaktierung der Bauelemente noch von der die Schaltung passivierenden Schicht befreit werden. Diese besteht in der Regel aus SiO2 oder Si3N4 und wird meist durch das CVD-Verfahren aufgebracht. Dieses Verfahren ist mehr oder weniger konform. Spitze Strukturen bleiben dabei erhalten. Es bildet sich keine glatte Oberfläche aus. Zur Beseitigung der Passivierungsschicht sind eine Lackmaske und ein Ätzschritt notwendig. Der aufgebrachte Lack lässt sich jedoch nicht problemlos aus der Nanostruktur entfernen; Lackreste schränken deren Funktionalität ein.

Zum Schutz der Nanostrukturen wird daher vorher eine Schicht aus Spin On-Glas (SOG) durch Aufschleudern aufgebracht, z.B. Hydrogen-Silses-Quioxane (HSQ). Da diese Substanz beim Aufbringen flüssig ist, werden die Zwischenräume der Nanostrukturen lunkerfrei ausgefüllt. Ein Temperschritt härtet dieses Glas aus, führt aber auch zu einem gewissen Schwund, so dass vorteilhafterweise diese Prozedur zu wiederholen ist. Nach wenigen solchen Schritten ist die Nanostruktur komplett eingehüllt und die Oberfläche eben und resistent gegen mechanische Beschädigungen.

Die so geschützte Nanostruktur lässt sich nun ohne Probleme mit den Standardprozessen der CMOS-Technologie weiterbearbeiten. Das Aufbringen einer Lackschicht und deren Entfernung stellt kein Problem dar. Durch den geringen Brechungsindex von 1.38 und der Absorptionsfreiheit im Wellenlängenbereich von 150–1100 nm ist die Optische Funktion der Nanostruktur nur geringfügig verschlechtert (siehe 3). Es bleibt bei einer Breitbandentspiegelung, die mit 3,5 % Reflexion deutlich besser ist als die glatte blanke Siliziumgrenzfläche mit > 30 %.


Anspruch[de]
Verfahren zum Schutz einer Schicht, die aus nadelförmigen Siliziumspitzen mit großem Aspektverhältnis um 4:1 und größer mit Nanometerdimensionen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass in mehreren Schritten ein in seinen Eigenschaften den Anforderungen an die zu passivierende Schicht angepasstes Spin-On-Glas aufgebracht und nach jedem Aufbringen getempert wird, bis eine glatte Oberfläche ausgebildet ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für Schichten aus nadelförmigen Siliziumspitzen, die in Fenstern von fotoelektrischen Bauelementen vorhanden sind, SOG-Schichten aus Hydrogen-Silses-Quioxane (HSQ) aufgebracht werden. Verfahren zum Schutz einer Schicht, die aus nadelförmigen Siliziumspitzen mit großem Aspektverhältnis besteht und Bestandteil eines chemischen Sensors ist, dadurch gekennzeichnet, dass in mehreren Schritten ein in seinen Eigenschaften den Anforderungen an die zu passivierende Schicht angepasstes gasdurchlässiges poröses Spin On-Glas aufgebracht und nach jedem Aufbringen getempert wird, bis eine glatte Oberfläche ausgebildet ist, und in einem letzten Schritt eine Überdeckung mit einer nichtporösen Schicht erfolgt, welche beim letzten Maskenprozess wieder entfernt wird. Verfahren zum Schutz einer Schicht, die aus nadelförmigen Siliziumspitzen mit großem Aspektverhältnis besteht und Bestandteil eines chemischen Sensors ist, dadurch gekennzeichnet, dass in mehreren Schritten ein in seinen Eigenschaften den Anforderungen an die zu passivierende Schicht angepasstes flüssigkeitsdurchlässiges poröses Spin On-Glas aufgebracht und nach jedem Aufbringen getempert wird, bis eine glatte Oberfläche ausgebildet ist, und in einem letzten Schritt eine Überdeckung mit einer nichtporösen Schicht erfolgt, welche beim letzten Maskenprozess wieder entfernt wird.






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