DE102005002304A1

DE102005002304A1 - Mikroelektromechanischer Sensor und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102005002304A1
Application number: DE102005002304A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Schrems; Ewald Wachmann; Franz Schrank
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams AG
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2025-01-18
Also published as: DE102005002304B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikroelektromechanischen Sensor mit einem beweglichen Sensorelement (1), das mit einem Substratkörper (3) verbunden ist, wobei das Sensorelement (1) zumindest bereichsweise unmittelbar auf den Substratkörper (3) aufgebracht ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Sensor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikroelektromechanischen Sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.

Ein gattungsgemäßer mikroelektromechanischer Sensor ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 100 27 234 A1 bekannt. Hierin ist ein Beschleunigungssensor beschrieben, der einen Halbleiterkörper mit einem Sensorelement in Form eines Biegebalkens umfasst. Eine auf den Sensor einwirkende Beschleunigung führt zu einer Auslenkung des Biegebalkens aus seiner Ruhelage, die kapazitiv durch geeigtnet angeordnete Elektroden erfasst wird.

Das bewegliche Sensorelement wird bei derartigen Sensoren beispielsweise dadurch hergestellt, dass auf ein Substrat nacheinander eine erste Schutzschicht, das Sensorelement und eine zweite Schutzschicht aufgebracht werden, wobei nachfolgend das Sensorelement durch partielles Entfernen der ersten Schutzschicht beweglich gemacht wird. Das Sensorelement ist in diesem Fall in einem Aufhängungsbereich über die erste Schutzschicht mit dem Substrat verbunden. In der Regel weist die Schutzschicht eine andere Zusammensetzung als das Substrat beziehungsweise das Sensorelement auf.

Hierbei besteht allerdings die Gefahr, dass durch Alterung des Sensors eine Verformung, beispielsweise eine Verbiegung des Sensorelements auftritt, die zu einer Langzeitabweichung des Messsignals führen kann. Eine solche Verbiegung kann beispielsweise durch mechanische Verspannungen indem Sensorelement verursacht werden, die bei der Herstellung des Sensorelements entstehen können. Solche Verspannungen können insbesondere dann entstehen, wenn das Sensorelement selbst oder angrenzende Bereiche des Halbleiterkörpers eine Mehrzahl von Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung und mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mikroelektromechanischen Sensor der eingangs genannten Art mit einer erhöhten Langzeitstabilität zu schaffen. Insbesondere soll eine Verformung, beispielsweise eine Verbiegung, des Sensorelements aufgrund mechanischer Verspannungen vermieden werden. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für einen mikroelektromechanischen Sensor mit verbesserter Langzeitstabilität anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch einen mikroelektromechanischen Sensor nach Anspruch 1 beziehungsweise ein Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Sensors nach Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß ist ein mikroelektromechanischer Sensor mit einem beweglichen Sensorelement vorgesehen, das mit einem Substratkörper verbunden ist, wobei das Sensorelement zumindest bereichsweise unmittelbar auf den Substratkörper aufgebracht ist. Hierunter ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere zu verstehen, dass zwischen Substratkörper und Sensorelement an der Stelle, wo das Sensorelement unmittelbar auf den Substratkörper aufgebracht ist, keine Zwischenschicht aus einem Material, das sich von dem Material des Substratkörpers und dem Material des Sensorelements unterscheidet, angeordnet ist.

Es hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass bei herkömmlichen Sensoren der eingangs genannten Art durch die verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Substrat beziehungsweise Sensorelement und Schutzschicht insbesondere im Aufhängungsbereich mechanische, Verspannungen entstehen können, die im Langzeitbetrieb zu unerwünschten Verbiegungen, d.h. einer Drift der Ruhelage des Sensorelements führen können. Bei der vorliegenden Erfindung werden derartige nachteilige Verspannungen reduziert. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass das Sensorelement unmittelbar auf dem Substratkörper aufgewachsen ist.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des Sensorelements an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substratkörpers angepasst. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass entweder gleiche Materialien für das Sensorelement und den Substratkörper verwendet werden oder dass Materialien mit verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden, wobei die relative Abweichung dieser Ausdehnungskoeffizienten typischerweise kleiner oder gleich 20%, vorzugsweise kleiner als 10% ist.

Weitergehend kann für das Sensorelement beziehungsweise den Substratkörper auch ein mehrlagiger Verbund verschiedener Materialien vorgesehen sein, wobei in diesem Fall der sich insgesamt ergebende thermische Ausdehnungskoeffizient maßgeblich ist.

Durch die Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Sensorelement und Substratkörper aneinander wird die Entstehung mechanischer Verspannungen aufgrund von Temperaturänderungen, wie sie insbesondere im Rahmen des Herstellungsprozesses auftreten können, vorteilhaft verringert und in der Folge die Langzeitstabilität des Sensors erhöht. Weiterhin wird durch angepasste, vorzugsweise gleiche, thermische Ausdehnungskoeffizienten von Sensorelement und Substratkörper eine thermisch induzierte Verbiegung des Sensorelements, etwa vergleichbar mit dem Bimetall-Effekt, vermieden, die ansonsten zu einer Drift des Messsignals führen kann.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Substratkörper ein Siliziumsubstrat, vorzugsweise mit der Orientierung <100>. Weiter bevorzugt enthält in diesem Fall das Sensorelement Silizium, beispielsweise in polykristalliner, amorpher oder besonders bevorzugt semiamorpher Form. Diese Materialien sind an sich bekannt und etabliert und können somit mit Standardverfahren der Siliziumtechnologie verarbeitet werden. Weiterhin ist in diesem Fall ein unmittelbares Aufwachsen des Sensorelements auf den Substratkörper mit geringem technischen Aufwand möglich.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Sensorelement in mindestens einem Aufhängungsbereich auf den Substratkörper aufgewachsen, wobei dem Aufhängungsbereich in lateraler Richtung eine Kavität in dem Substratkörper nachgeordnet sein kann.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Aufhängungsbereich zumindest eine wohldefinierte Begrenzung aufweist, die in Form einer in dem Sensorelement und/oder dem Substrat geformten Kante ausgebildet sein kann. Diese Kante kann beispielsweise mittels eines photolithographischen Verfahrens hergestellt werden, wie im Folgenden noch genauer erläutert wird. Eine derartige scharfe und genau definierte Begrenzung des Aufhängungsbereichs ist für eine präzise Einstellung der mechanischen Eigenschaften des beweglichen Sensorelements vorteilhaft. Unter einer wohldefinierten Begrenzung ist im Rahmen der Erfindung insbesondere eine Begrenzung zu verstehen, die mit Hilfe eines in lateraler Richtung wirkenden Begrenzungsmittels, etwa einer Maske oder eines Ätzstoppers, ausgebildet ist und somit nicht aufgrund von Fertigungsschwankungen wie beispielsweise der Schwankungen einer lateralen Ätzrate mehr oder minder zufällig entsteht.

Beispielsweise kann hierzu auch zwischen der Kavität und dem Aufhängungsbereich eine Ausnehmung in dem Substratkörper gebildet sein, die den Aufhängungsbereich lateral begrenzt. Durch eine solche, gesondert von der Kavität ausgebildete Ausnehmung in dem Substratkörper kann die Begrenzung des Aufhängungsbereichs mit hoher Präzision festgelegt werden. Eine scharfe und wohldefinierte Begrenzung des Aufhängungsbereichs wird in diesem Fall durch eine näherungsweise vertikal verlaufende Flanke der Ausnehmung gebildet.

Die Ausnehmung kann weitergehend als Ätzgraben in dem Substrat ausgebildet sein, der mit einem Füllmaterial, beispielsweise einem Oxid, gefüllt ist. Wie im Folgenden noch genauer ausgeführt wird, kann ein solches Füllmaterial als Ätzstopmittel die Herstellung des Sensors vereinfachen.

Das Sensorelement selbst ist bei der Erfindung vorzugsweise als Federstreifen ausgeführt. Ein entsprechender Sensor eignet sich beispielsweise wie eingangs beschrieben zur Messung von Beschleunigungen.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Sensors mit einem beweglichen Sensorelement, das mit einem Substratkörper verbunden ist, umfasst als Verfahrensschritte das Bereitstellen eines Substratkörpers, das Aufbringen mindestens einer Zwischenschicht auf den Substratkörper, wobei die Zwischenschicht ein Fenster aufweist, das Aufbringen einer Sensorelementschicht auf die Zwischenschicht, wobei die Sensorelementschicht im Bereich des Fensters unmittelbar auf den Substratkörper aufwächst, das Strukturieren des Sensorelements aus der Sensorelementschicht, und das zumindest teilweise Entfernen der Zwischenschicht.

Durch die Verwendung der Zwischenschicht mit einem Fenster wird bei der Erfindung vorteilhaft ermöglicht, dass im Bereich des Fensters die Sensorelementschicht unmittelbar auf den Substratkörper aufgebracht wird. Hierdurch wird vermieden, dass in dem Bereich, in dem das Sensorelement mit dem Substratkörper verbunden ist, Zwischenschichten mit einem nicht angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten angeordnet sind, durch die in diesem Bereich mechanische Verspannungen entstehen könnten.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nach dem Aufbringen der Sensorelementschicht die Sensorelementschicht beziehungsweise das Sensorelement und der Substratkörper bei erhöhter Temperatur, vorzugsweise zwischen 900°C und 1150°C, besonders bevorzugt zwischen 1050 und 1100°C, ausgeheilt. Durch diesen Ausheilschritt wird eine gegebenenfalls auftretende herstellungsbedingte mechanische Verspannung des Schichtsystems reduziert und so eine vorteilhaft hohe Langzeitstabilität bei einem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensors erzielt.

Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem Aufbringen der Sensorelementschicht durch Unterätzen der Zwischenschicht mit einem Ätzmittel eine Kavität in dem Substratkörper gebildet. Beispielsweise wird hierzu ein weiteres Fenster in der Zwischenschicht gebildet und nachfolgend das Substrat mit einem geeigneten Ätzmittel wie etwa einem anisotrop wirkenden Ätzmittel derart geätzt, dass der Bereich des zu bildenden Sensorelement unterätzt wird und so in diesem Bereich im Substrat eine Kavität entsteht. Als Ätzmittel eigenen sich beispielsweise Kaliumhydroid (KOH), EDP (Ethylendiaminpyrocatechol oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH).

Vorzugsweise ist dabei dem Fenster in der Zwischenschicht in lateraler Richtung ein Ätzstopper für das Ätzmittel, mit dem die Kavität ausgebildet wird, nachgeordnet. Mit einem derartigen Ätzstopper kann die laterale Begrenzung des Aufhängungsbereichs, also des Bereichs, in dem die Sensorelementschicht unmittelbar auf den Substratkörper aufgebracht ist, vorteilhafterweise mit hoher Präzision festgelegt werden.

Der Ätzstopper kann als Ausnehmung, etwa in Form eines Ätzgrabens, in dem Substratkörper ausgebildet sein, die mit einem Ätzstoppmittel gefüllt wird.

Weiterhin wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugweise die Zwischenschicht in einem an das Sensorelement beziehungsweise die Kavität lateral angrenzenden Randbereich entfernt. Die Breite des Randbereichs beträgt weiter bevorzugt etwa 1μm bis 10μm. Hierdurch werden ebenfalls störende Einflüsse aufgrund von verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffienten vermindert. Eine Entfernung der Zwischenschicht in einem an den Aufhängungsbereich angrenzenden Randbereich ist besonders vorteilhaft.

Weitere Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung in Verbindung mit den 1 bis 5.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Sensors,
2 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Sensors,
3 eine schematische Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Sensors,
4A bis 4L ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens anhand von zwölf schematisch dargestellten Zwischenschritten, und
5A bis 5F ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens anhand von sechs schematisch dargestellten Zwischenschritten.
Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Der in 1 dargestellte mikroelektromechanische Sensor weist ein Sensorelement 1 in Form eines Federstreifens auf, der einseitig in einem Aufhängungsbereich 2 unmittelbar auf einen Substratkörper 2 aufgewachsen ist. Als Substratkörper 3 eignet sich bevorzugt ein <100>-Siliziumsubstrat in Verbindung mit einem Federstreifen 1 aus semiamorphem oder polykristallinem Silizium.
Der Substratkörper 3 ist weiterhin über randseitig ausgeformte Vorsprünge 4 auf einem Halbleiterkörper 5 befestigt, beispielsweise aufgebondet.
Der Halbleiterkörper 5 weist eine Mehrzahl von Elektroden 6a, 6b, 6c auf, die dem Sensorelement 1 gegenüberliegend angeordnet sind. Diese Elektroden dienen beispielsweise als Referenzelektrode 6a, als Aktuatorelektrode 6c, die durch elektrostatische Wechselwirkung die Ruhelage des Sensorelements 1 festlegt, beziehungsweise als Messelektrode 6b zur Erfassung des Abstands des Sensorelements 1 von dem Halbleiterkörper 5. Weitergehend kann der Halbleiterkörper 5 eine integrierte Schaltung (nicht dargestellt), etwa zur Ansteuerung der Aktuatorelektrode 6c und/oder der Auswertung der Signale der Referenz- beziehungsweise Messelektrode 6a, 6b, umfassen. Extern ist der Halbleiterkörper 5 durch Drahtanschlüsse 7 kontaktiert.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Sensors gezeigt. Der Übersichtlichkeit halber ist nur das Sensorelement 1 und der Substratkörper 3 dargestellt. Das Sensorelement 1 ist bei diesem Ausführungsbeispiel zweilagig mit einer ersten Polysiliziumschicht 1a und einer darauf abgeschiedenen zweiten Polysiliziumschicht 1b ausgeführt. Diese zweischichtige Ausführung erleichtert die Ausbildung einer Ausnehmung 8 in dem Sensorelement 1, durch die die mechanischen Eigenschaften des Sensorelements modifiziert beziehungsweise mit hoher Präzision eingestellt werden können. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Sensorelement 1 wiederum als Federstreifen ausgeführt, wobei mittels der Ausnehmung 8 die Dicke des Federstreifens reduziert und damit die Steifigkeit kontrolliert werden kann.
Das Sensorelement 1 ist einseitig in einem Aufhängungsbereich 2 mit dem Substratkörper 3 verbunden, wobei in diesem Aufhängungsbereich 2 die untere Schicht 1a des Sensorelements 1 unmittelbar auf den Substratkörper 3 aufgewachsen ist.
Unterhalb des Sensorelements 1 ist weiterhin eine Kavität 9 ausgeformt, wodurch eine ungehinderte Beweglichkeit des Sensorelements 1 in Richtung des Substratkörpers 3 sichergestellt ist. Die randseitigen Vorsprünge 4 entsprechen in ihrem Schichtaufbau dem Sensorelement 1 und dienen der Verbindung mit einem weiteren Halbleiterkörper, wie beispielsweise in 1 dargestellt.
In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Sensors dargestellt. Das Ausführungsbeispiel entspricht weitestgehend dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem Unterschied, dass zwischen dem Aufhängungsbereich 2 und der Kavität 9 eine Ausnehmung 20 in Form eines Ätzgrabens in dem Substratkörper 3 gebildet ist. Mittels dieser Ausnehmung 20 kann die laterale Begrenzung des Aufhängungsbereichs 2 durch die im wesentlichen vertikal verlaufende Flanke 11 der Ausnehmung hoher Präzision festgelegt werden.
In den 4A bis 4L ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gezeigt.
Zu Beginn wird ein Substratkörper 3, beispielsweise ein <100>-Siliziumsubstrat, bereitgestellt, 4A.
Nachfolgend wird der Substratkörper 3 zur Ausformung randseitiger Vorsprünge 4 strukturiert und oberseitig mit einer zweilagige Zwischenschicht 12, zum Beispiel mit einer an den Substratkörper 3 grenzenden Siliziumoxidschicht 12a als Kompensationsschicht und einer hierauf abgeschiedenen Siliziumnitridschicht 12b als Schutzschicht, versehen, 4B. Die Dicke dieser Schichten 12a und 12b liegt bevorzugt jeweils zwischen 50 nm und 150 nm, wobei die Schicht 12a typischerweise 50 nm und die Schicht 12b typischerweise 150nm dick ist. Alternativ kann auch eine einlagige Zwischenschicht, beispielsweise eine Oxidschicht, aufgebracht werden.
Im nächsten Schritt, 4C wird ein Fenster 13 in der Zwischenschicht geöffnet. Dieses kann beispielsweise mittels eines photolithographischen Verfahrens in die Zwischenschicht 12 geätzt werden. Vorzugsweise wird hierbei ein zweistufiger Ätzprozess mit einem Nassätzschritt und einem Trockenätzschritt verwendet, um eine Beschädigung der Substratoberfläche zu vermeiden.
Hiernach wird eine erste Sensorelementschicht 1a aufgebracht, die in dem Bereich des Fensters 13 unmittelbar auf den Substratkörper aufwächst, 4D. Das Material für die erste Sensorelementschicht 1a ist vorzugsweise hinsichtlich seines thermischen Ausdehnungskoeffizienten an das Material des Sensorkörpers angepasst. Zum Beispiel kann in Verbindung mit einem <100>-Siliziumsubstrat eine Siliziumschicht als erste Sensorelementschicht 1a, vorzugsweise eine Polysiliziumschicht, eine amorphe oder bevorzugt eine semiamorphe Siliziumschicht, abgeschieden werden. Die Dicke dieser Schicht kann zum Beispiel zwischen 700 nm und 1100 nm liegen. Weiterhin kann diese Schicht leicht n-dotiert sein, wobei die Dotierung in situ, durch Ionenimplantation oder mittels Phosphorglas erfolgen kann. Eine Dotierung mittels Phosphorglas kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein phosphorhaltiges Material, beispielsweise auf der Basis von phosphorhaltigem Siliziumoxid (Phosphorglas) oder Phosphorpentoxid, abgeschieden und anschließend eindiffundiert wird.
Im nächsten Schritt, 4E, wird die erste Sensorelementschicht 1a lithographisch mittels einer Photoresistmaske 14 entsprechend der Form des zu bildenden Sensorelements 1 strukturiert. Für diese Strukturierung ist wiederum zweistufiger Ätzprozess mit einem Nassätzschritt und einem Trockenätzschritt besonders geeignet, um eine Beschädigung der Substratoberfläche zu vermeiden.
Auf die strukturierte Sensorelementschicht 1a wird dann eine zweite Sensorelementschicht 1b aufgebracht, 4F, vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die erste Sensorelementschicht 1a, also etwa eine Polysiliziumschicht.
Die zweite Sensorelementschicht 1b wird im nächsten Schritt, 4G, lithographisch mittels einer weiteren Photoresistmaske 15 entsprechend der Form des zu bildenden Sensorelements strukturiert. Durch den zweischichtigen Aufbau kann eine Ausnehmung 8 in dem zu bildenden Sensorelement geformt werden, die der Feinjustage der mechanischen Eigenschaften des Sensorelements dient.
Nachfolgend wird die Photoresistmaske 15 entfernt, eine Schutzschicht 16 aufgebracht und die so gebildete Struktur bei erhöhter Temperatur ausgeheilt (Annealing), 4H. Die Temperatur liegt vorzugsweise zwischen 900°C und 1150°C. Durch diesen Ausheilschritt wird eine vorteilhafte Reduzierung von nachteiligen mechanischen Verspannungen im Sensorelement sowie zwischen Sensorelement und Substratkörper erzielt. Beispielsweise weist eine Polysiliziumschicht nach der Abscheidung eine erhöhte mechanische Verspannung auf, die durch diesen Ausheilschritt abgebaut wird.
Hierauf wird unter Verwendung einer weiteren Photoresistmaske 17 erneut ein Fenster 10 in der Schichtstruktur auf dem Substratkörper 3 gebildet, beispielsweise geätzt. Auf diese Weise wird die Oberfläche des Substratkörpers 3 für die nachfolgende Bildung einer Kavität 9 in dem Substratkörper freigelegt.
Die Kavität 9 wird bevorzugt in den Substratkörper 3 geätzt, 4J. Als naßchemisches Ätzmittel für das Siliziumsubstrat wird beispielsweise Kaliumhydroxid (KOH) oder eines der anderen oben genannten Ätzmittel verwendet. Hiermit wird das Siliziumsubstrat anisotrop geätzt, wobei die <111>-Ebenen des Kristallgefüges die entstehende Kavität teilweise begrenzen. Bei geeigneter Orientierung des Siliziumsubstrats wird so das Sensorelement unterätzt, während an den übrigen Rändern des Fensters 10 nur eine leichte Unterätzung auftritt.
Bei diesem Ätzprozess unterliegt allerdings die laterale Ätzrate einer nicht unmaßgeblichen Toleranz, die beispielsweise von Verunreinigungen des Ätzbades sowie von Kristall- und Orientierungsfehlern des Substrates verursacht sein kann. Daher wird bevorzugt der Ätzprozess beendet, bevor die Flanke 18 der Kavität 9 den Aufhängungsbereich 2 erreicht. Typischerweise beträgt der Abstand s zwischen der Flanke 18 und dem Rand des Aufhängungsbereichs zwischen 1μm und 10μm.
Im nachfolgenden Schritt wird der im Bereich der Kavität 9 freigelegte Teil der Kompensationsschicht 12a entfernt und mit einem gesonderten Ätzprozess durch Herausätzen zumindest eines Teils der zwischen dem Substratkörper 3 und dem Sensorelement 1 angeordneten Zwischenschicht 12, zum Beispiel eines Teils der Kompensationsschicht 12a, eine genau definierte Begrenzung 19 des Aufhängungsbereichs geformt, 4K. Vorzugsweise wird hierbei die Kompensationsschicht 12a in dem Bereich, der in verikaler Richtung gesehen mit dem zu bildenden Sensorelement überlappt, entfernt.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht in der Ausbildung einer genau definierten Begrenzung 19 des Aufhängungsbereichs. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass zunächst wie beschrieben ein Fenster 13 in der Zwischenschicht geöffnet wird, nachfolgend im Bereich des Fensters die Sensorelementschicht unmittelbar auf das Substrat aufgewachsen wird, und dann die Zwischenschicht oder ein Teil hiervon bis zu einer Kante dieses Fensters 13 entfernt wird. Da das Fenster etwa unter Verwendung eines photolithographischen Verfahrens in die Zwischenschicht geätzt wird, sind dessen Kanten mit hoher Präzision festgelegt, so dass nach Entfernung der Zwischenschicht oder eines Teils hiervon der Aufhängungsbereich von genau einer definierten Begrenzung 19 in Form einer scharfen Kante begrenzt ist.
Abschließend werden die Schutzschicht 16 und die Zwischenschicht 12 mit Ausnahme der Schichtbereiche in den Vorsprüngen 4 entfernt, 4L.
Von besonderem Vorteil ist bei der Erfindung die Kombination von Oberflächenbearbeitungsschritten (surface micromachining), wie sie in den 4A bis 4I, 4K und 4L gezeigt sind, und Volumenbearbeitunsschritten (bulk mircomachining), wie sie in den 4J gezeigt sind. Hierdurch wird eine unerwünschte Haftung (stiction) des Sensorelements vermieden und eine hohe Herstellungsausbeute erzielt.
In 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens dargestellt.
Nach der Bereitstellung des Substratkörpers 3 und der Ausformung randseitiger Vorsprünge 4 wird eine Ausnehmung 20 in dem Substratkörper 3 gebildet, 5A. Die Ausnehmung 20 kann beispielsweise in Form eines Ätzgrabens in den Substratkörper 3 geätzt werden.
Nachfolgend wird die Ausnehmung 20 zur Bildung eines Ätzstoppers für das zur Ausformung der Kavität 9 verwendete Ätzmittel mit einem entsprechenden Ätzstoppmittel 21, beispielsweise Siliziumoxid, gefüllt, 5B.
Im nächsten Schritt, 5C, wird wie bereits im Zusammenhang mit 4B beschrieben, eine zweilagige Zwischenschicht 12 aufgebracht. Hiernach wird entsprechend den 4C bis 4J eine strukturierte Schichtenfolge, die insbesondere die zwei Sensorelementschichten 1a und 1b umfasst, hergestellt und ausgeheilt, etwa bei einer Temperatur zwischen 900°C und 1150°C (nicht dargestellt), sowie eine Kavität 9 in dem Substratkörper ausgeformt. Im Gegensatz zu dem vorigen Ausführungsbeispiel kann der Ätzprozess zur Bildung der Kavität fortgesetzt werden, bis die Flanke 18 die Ausnehmung 20 mit dem Ätzstopper erreicht, da dieser eine weitere Ätzung in lateraler Richtung hemmt. Die laterale Begrenzung 19 des Aufhängungsbereichs 2 ist somit mittels der Ausnehmung 20 sehr präzise festgelegt.
Hiernach wird zunächst das Ätzstoppmittel 21 entfernt, so dass nur die Ausnehmung 20 zwischen dem Aufhängungsbereich 2 und der Kavität verbleibt, 5D.
Abschließend werden wiederum die Zwischenschicht 12 und die Schutzschicht 16 entfernt, 5E.
Falls als Ätzstoppmittel 21 das gleiche Material, beispielsweise Siliziumoxid, wie für die Kompensationsschicht 12a verwendet wird, können Ätzstoppmittel 21 und Kompensationsschicht 12a auch in einem Schritt zugleich und die Schutzschicht 12b nachfolgend entfernt werden.
Die Erläuterung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele ist nicht als Beschränkung der Erfindung hierauf zu verstehen. Insbesondere umfasst die Erfindung auch alle Kombinationen der im Rahmen der Ausführungsbeispiele und der sonstigen Beschreibung genannten Merkmale sowie alle Kombinationen der in den Patentansprüchen genannten Merkmale, selbst wenn diese Kombinationen nicht Gegenstand eines Patentanspruchs sind.

Claims

Mikroelektromechanischer Sensor mit einem beweglichen Sensorelement (1), das mit einem Substratkörper (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) zumindest bereichsweise unmittelbar auf den Substratkörper (3) aufgebracht ist.
Mikroelektromechanischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Sensorelements (1) an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substratkörpers (3) angepasst ist.
Mikroelektromechanischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratkörper (3) ein Siliziumsubstrat, vorzugsweise mit der Orientierung <100>, ist.
Mikroelektromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) Silizium enthält.
Mikroelektromechanischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) polykristallines, amorphes oder semiamorphes Silizium enthält.
Mikroelektromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) in mindestens einem Aufhängungsbereich (2) unmittelbar auf den Substratkörper (3) aufgebracht ist.
Mikroelektromechanischer Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Aufhängungsbereich (2) in lateraler Richtung eine Kavität (9) in dem Substratkörper (3) nachgeordnet ist.
Mikroelektromechanischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufhängungsbereich (2) in Richtung der Kavität eine wohldefinierte laterale Begrenzung (19) aufweist.
Mikroelektromechanischer Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Aufhängungsbereich (2) und der Kavität (9) eine Ausnehmung (20) in dem Substratkörper gebildet ist, die den Aufhängungsbereich (2) lateral begrenzt.
Mikroelektromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das Sensorelement (1) als Federstreifen ausgeführt ist.
Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Sensors mit einem beweglichen Sensorelement (1), das mit einem Substratkörper (3) verbunden ist, mit den Schritten – Bereitstellen eines Substratkörpers (3), – Aufbringen mindestens einer Zwischenschicht (12) auf den Substratkörper (3), – Ausbilden eines Fenster (13) in der Zwischenschicht, – Aufbringen mindestens einer Sensorelementschicht (1a, 1b) auf die Zwischenschicht (12), wobei die Sensorelementschicht (1a, 1b) im Bereich des Fensters (13) auf den Substratkörper aufwächst, – Strukturieren des Sensorelements (1) aus der Sensorelementschicht (1a, 1b), und – Zumindest teilweises Entfernen der Zwischenschicht (12).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) in einem Aufhängungsbereich (2) mit dem Substratkörper (3) verbunden ist, wobei der Aufhängungsbereich (2) eine Begrenzung aufweist, die einer Kante des Fenster (13) in der Zwischenschicht entspricht.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung des Aufhängungsbereichs vermittels des zumindest teilweisen Entfernens der Zwischenschicht (12) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (12) zumindest in einem Bereich, der in vertikaler Richtung gesehen mit dem Sensorelement (1) überlappt, entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der Sensorelementschicht (1a, 1b) die Sensorelementschicht (1a, 1b) beziehungsweise das Sensorelement (1) und der Substratkörper (3) bei erhöhter Temperatur ausgeheilt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur zwischen 900°C und 1150°C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der Sensorelementschicht (1a, 1b) durch Unterätzen der Zwischenschicht (12) im Bereich des zu bildenden Sensorelements (1) mit einem Ätzmittel eine Kavität (9) in dem Substratkörper gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass dem Fenster (13) in der Zwischenschicht in lateraler Richtung ein Ätzstopper für das Ätzmittel, mit dem die Kavität (9) ausgebildet wird, nachgeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzstopper in Form einer Ausnehmung (20) in dem Substratkörper ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (20) mit einem Ätzstoppmittel für das Ätzmittel, mit dem die Kavität (9) ausgebildet wird; gefüllt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in einem lateral an das Sensorelement angrenzenden Randbereich die Zwischenschicht (12) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich eine Breite zwischen 1μm und 10μm aufweist.