Die SOI Scheibe der Mikroelektronik als neue Prozessbasis für nanostrukturierte Silizium Membranmasken

Abstract

Vorgestellt wird ein Prozess zur Herstellung von strukturierten Silizium Membranmasken mit hoher Qualität auf Basis von kommerziell verfügbarem SOI Material. Im Gegensatz zum bisherigen mikrosystemtechnischen Konzept, wonach die Membranätzung vor der Strukturierung erfolgt, erlaubt es der neue, mikroelektronische Prozessansatz, dass die überwiegende Zahl an Arbeitsschritten unter Verwendung von in der Halbleiterindustrie üblichen Anlagen durchführt werden kann. Eine Sonderausrüstung ist einzig für die Nassprozesse der Membranätzung erforderlich. Da die Maske nach der Ätzung nicht wieder in die Fertigungslinie zurückkehrt, sind keine speziellen Maßnahmen zur Vermeidung von Kontaminationen erforderlich. Neben Möglichkeiten zur Optimierung des Herstellungsprozesses wird insbesondere auf die Thematik der Kontrolle und Manipulation der Eigenspannung der Membran eingegangen. Ergänzt wird dies durch die Untersuchung unterschiedlicher SOI Materialien hinsichtlich deren mechanischen Eigenschaften. Besonderes Augenmerk wird auf die Lagegenauigkeit, die eng mit dem Themengebiet der mechanischen Spannungen in Verbindung steht, gerichtet. Unter Berücksichtigung der für Masken typischen und durch eine Belichtungsanlage korrigierbaren Größen, konnten Überdeckungsgenauigkeiten zwischen zwei Masken in der Größenordnung von 12nm (3Sigma) in einem Maskenfeld von 50mm × 50mm erreicht werden. Abschließend wird ein Überblick über die Möglichkeiten des Prozesses, der derzeit erreichbaren Minimalstrukturen und der bisher damit hergestellten Produkte gegeben.

A process to fabricate high quality structured silicon membrane masks based on commercially available SOI material will be presented. By contrast to the current micro-system concept, in which membrane thinning is done before membrane structuring, the new micro-electronic approach enables structuring at the wafer level. This allows standard semiconductor industry equipment to be used for most process steps. Special equipment is needed only for the final membrane wet etch process. As the finished mask does not return to the production line, special contamination control is not necessary. In addition to the optimization done for the overall process, special attention is paid to the topics of stress control and manipulation of membrane foils. This investigation is completed by a review of the mechanical properties of several different SOI materials. A key topic is the placement accuracy of silicon membranes, which is closely related to the issue of mechanical stress in the film. Applying the typical correction capabilities of the exposure tool allows an overlay accuracy between two masks in the range of 12nm (3Sigma) to be achieved within a mask field of 50mm x 50mm. Finally, an overview of process variations, the currently achievable minimum feature size, and the different products realized with this process flow will be given.