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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Mikromechanisches Bauelement mit mindestens einer Membran sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements. Die Bauelementstruktur wird in einem Schichtaufbau realisiert, der mindestens eine erste Opferschicht und ein Schichtsystem über der ersten Opferschicht umfasst. Das Material der ersten Opferschicht wird in einem Ätzschritt im Bereich unter der Membran entfernt, wodurch die Membran freigelegt wird und eine Kaverne entsteht.
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Mikromechanische Bauelemente mit einer freitragenden Membran werden in der Praxis im Rahmen von Drucksensoren und thermischen Sensoren eingesetzt, wie z. B. Massenflusssensoren, thermischen Neigungswinkelsensoren und thermischen Infrarotdetektoren. Bei thermischen Sensoren dient die freitragende Membran als thermisch isolierter Bereich mit geringer Wärmekapazität.
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In der Offenlegungsschrift
DE 103 05 442 A1 der deutschen Patentanmeldung 103 05 442, angemeldet am 11. Februar 2003, wird die Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einer freitragenden Membran beschrieben, die mehrere Schichten umfasst und in einem reinen Vorderseitenprozess realisiert wird. Dazu wird zunächst ein entsprechendes Schichtsystem auf dem Substrat des Bauelements erzeugt. Zum Freilegen der Membran werden dann Löcher in das Schichtsystem eingebracht, die im Wesentlichen senkrecht zu den Schichtebenen orientiert sind und das Schichtsystem vollständig durchdringen, so dass die Löcher einen Ätzzugang zum Substrat bilden. Ausgehend von der Vorderseite wird dann in einem isotropen Ätzschritt das Substratmaterial im Bereich unter den Löchern entfernt, wobei das Substrat bis zu der Tiefe der dabei erzeugten Kaverne als Opferschicht bezeichnet werden kann.
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Die unter der Membran ausgebildete Kaverne steht über die Ätzzugänge in direktem Kontakt mit der Umgebung des Bauelements, so dass Schmutzpartikel ungehindert in die Kaverne eindringen und sich dort festsetzen können. Dies wirkt sich in der Regel negativ auf die Funktionalität des Bauelements aus und führt im Extremfall zu dessen Totalausfall.
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In der
deutschen Patentanmeldung 103 05 442 wird zwar auf die Möglichkeit hingewiesen, nach dem Freilegen der Membran eine Verschlussschicht über dem Schichtsystem abzuscheiden, um die Ätzzugänge zu schließen. Dies erweist sich in der Praxis aber in mehrerlei Hinsicht als problematisch. Da das Material der Verschlussschicht im Wesentlichen in vertikaler Richtung auf der Membran auf wächst, werden die Löcher in der Membran nur relativ langsam geschlossen. Dabei entsteht eine relativ dicke Verschlussschicht, was sich oft negativ auf die mechanischen und auch thermischen Eigenschaften der Membran auswirkt. Außerdem kann beim Erzeugen der Verschlussschicht in der Regel nicht verhindert werden, dass sich das Material der Verschlussschicht auch im Bereich der Kaverne und insbesondere an der Membranunterseite ablagert, was sich zusätzlich negativ auf die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Membran auswirkt. Schließlich sei noch erwähnt, dass die Erzeugung und Prozessierung einer Verschlussschicht mit einem zusätzlichen Herstellungsaufwand verbunden ist.
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Aus der Schrift
US 4,665,610 A ist ein mikromechanischer Aufbau bekannt, bei dem eine Kaverne mittels eines Schichtaufbaus abgedeckt und verschlossen wird.
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In der Schrift
US 2003/0048520 A1 wird ein mikromechanischer Schichtaufbau eines Resonators beschrieben, bei dem eine Kaverne innerhalb des Schichtaufbaus realisiert wird.
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Aus der Schrift
US 5 060 504 A ist ein Beschleunigungssensor bekannt, bei dem eine Beschleunigungsmasse derart an einer Trageschicht aufgebracht ist, dass sie über einem Cantilever schwingbar gelagert ist. Hierzu wird die Trageschicht mit einem Einschnitt versehen, um die Bewegung der Beschleunigungsmasse zu begrenzen.
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Aus der Schrift
US 5 798 042 A ist ein Filter bekannt, der mittels bekannter mikromechanischer Techniken erzeugt worden ist. Dabei wird mittels einer Dünnfilmtechnologie eine Dünnfilmstruktur mit Öffnungen erzeugt, die als Filterelement dient.
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Vorteile der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein mikromechanisches Bauelement mit einer Membran vorgeschlagen, deren Aufbau das Eindringen von Schmutzpartikeln in die Kaverne wirkungsvoll verhindert.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass im Bereich der Membran zwischen der oberen Schicht und der direkt über der ersten Opferschicht angeordneten unteren Schicht des Schichtsystems mindestens ein Zugangskanal zur Kaverne ausgebildet ist mit mindestens einer Öffnung in der oberen Schicht und mindestens einer Öffnung in der unteren Schicht, wobei die Öffnung in der oberen Schicht und die Öffnung in der unteren Schicht gegeneinander versetzt angeordnet sind.
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Ferner wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements vorgeschlagen. Demnach wird über der ersten Opferschicht mindestens eine erste untere Schicht des Schichtsystems ausgebildet und strukturiert, wobei mindestens eine Öffnung zur ersten Opferschicht erzeugt wird. Über der strukturierten unteren Schicht wird dann mindestens eine zweite Opferschicht ausgebildet und strukturiert, so dass sich zumindest ein Bereich der zweiten Opferschicht an die Öffnung in der unteren Schicht anschließt. Über der strukturierten zweiten Opferschicht wird mindestens eine obere Schicht des Schichtsystems ausgebildet und strukturiert und/oder abgedünnt, wobei mindestens eine Öffnung zur zweiten Opferschicht erzeugt wird. Wesentlich ist, dass die Öffnung in der oberen Schicht gegenüber der Öffnung in der unteren Schicht versetzt angeordnet wird, so dass die beiden Öffnungen über einen zusammenhängenden Bereich in der zweiten Opferschicht verbunden sind. Anschließend wird das Material der zweiten Opferschicht zumindest in dem zusammenhängenden Bereich in einem Ätzschritt entfernt, wobei mindestens ein Zugangskanal zur ersten Opferschicht zwischen der Öffnung in der oberen Schicht und der Öffnung in der unteren Schicht des Schichtsystems entsteht. Über diesen Zugangskanal wird dann das Material der ersten Opferschicht, ebenfalls durch Ätzen, entfernt.
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Zunächst ist erkannt worden, dass die Ätzzugänge nicht unbedingt verschlossen werden müssen, um das Eindringen von Schmutzpartikeln in die Kaverne unter der Membran zu verhindern. Ferner ist erkannt worden, dass die Ätzzugänge nicht unbedingt senkrecht durch die Membran verlaufen müssen. Da die Membran in einem Ätzprozess mit Hilfe eines flüssigen oder gasförmigen Ätzmediums freigelegt wird, kann jeder, wie auch immer geformte Kanal, der eine Verbindung zu der unter der Membran angeordneten Opferschicht herstellt, als Ätzzugang genutzt werden. Davon ausgehend wird nun erfindungsgemäß vorgeschlagen, im Schichtaufbau der Membran einen Zugangskanal zu realisieren, dessen Öffnungen versetzt zueinander angeordnet sind, so dass der Zugangskanal zwar ohne weiteres von einem flüssigen oder gasförmigen Medium durchströmt werden kann, aber das Vordringen von Partikeln verhindert wird. Ein derartiger Zugangskanal kann einfach, mit in der Mikromechanik üblichen und daher gut handhabbaren Prozessierungsschritten erzeugt werden.
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Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung des erfindungsgemäßen Bauelements bzw. des Verfahrens zu dessen Herstellung.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Öffnung in der oberen Schicht und die Öffnung in der unteren Schicht nicht überlappend angeordnet. In diesem Fall weist der Zugangskanal einen Versatz auf, so dass Partikel nicht ungehindert in die Kaverne unter der Membran eindringen können.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Zugangskanal bzw. der Strömungspfad geradlinig. Das Eindringen von Partikeln in die Kaverne unter der Membran wird hier dadurch verhindert, dass der Durchmesser des Zugangskanals kleiner ist als der zu erwartende Partikeldurchmesser von ca. 200 nm. Zur Realisierung derartig enger Zugangskanäle wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Öffnungen in der oberen Schicht und in der unteren Schicht überlappend anzuordnen. In diesem Fall bestimmen der Überlappungsgrad der beiden Öffnungen und die Schichtdicke der zweiten Opferschicht, und zwar insbesondere die Schichtdicke im Flankenbereich der Öffnung in der unteren Schicht, den Querschnitt des Zugangskanals. Vorteilhafter Weise wird der Überlappungsgrad in der Größenordnung der Schichtdicke der zweiten Opferschicht gewählt, die unter der Auflösung von fotolithographischen Verfahren im Bereich von 200 nm liegt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die in der Membran ausgebildeten Zugangskanäle zu der Kaverne verschlossen. Bei entsprechender Verfahrensführung kann dadurch ein definierter Druck, beispielsweise im Bereich zwischen Vakuum und Atmosphärendruck, in der Kaverne eingestellt werden, was im Hinblick auf bestimmte Anwendungen vorteilhaft ist. Die Zugangskanäle können einfach durch eine Verschlussschicht geschlossen werden, die über dem Schichtsystem der Membran ausgebildet wird. Aufgrund des erfindungsgemäßen Versatzes der Öffnungen der Zugangskanäle kann schon mit einer relativ dünnen Verschlussschicht ein zuverlässiger Abschluss erzielt werden. Die Verschlussschicht wirkt sich deshalb nur unwesentlich auf die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Membran aus. Der erfindungsgemäße Versatz der Öffnungen des Zugangskanals verhindert außerdem, dass das Material der Verschlussschicht in die Kaverne unter der Membran eindringt und sich dort anlagert.
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Wie bereits erwähnt, werden die Lage und Geometrie der Zugangskanäle in der Membran mit Hilfe einer zweiten Opferschicht definiert, die über der unteren Schicht des Schichtsystems ausgebildet und strukturiert wird. Erst nach Ausbildung der oberen Schicht des Schichtsystems über der strukturierten zweiten Opferschicht wird das verbleibende Material der zweiten Opferschicht entfernt, wobei die Zugangskanäle entstehen. In einer besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Zugangskanäle in der Membran und die Kaverne unter der Membran in einem gemeinsamen Ätzschritt erzeugt, bei dem zunächst das Material der zweiten Opferschicht und dann auch das Material der ersten Opferschicht entfernt werden. In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, die erste und die zweite Opferschicht aus denselben Materialien zu bilden. Zumindest muss ein Ätzmedium verwendet werden, das beide Materialien angreift.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird die Bauelementstruktur in einem Schichtaufbau realisiert, der eine Schicht aus amorphem, poly-kristallinem oder einkristallinem Silizium, Silizium-Germanium oder Germanium als erste Opferschicht umfasst. Das Schichtsystem der Membran umfasst hier SiO2- und/oder Si3N4-Schichten als obere und untere Schicht. Diese dielektrischen Werkstoffe weisen zum einen vorteilhafte thermische Materialeigenschaften auf, so dass die Membran zur thermischen Entkopplung von Wärme- und IR-Detektion bzw. für Heizelemente eingesetzt werden kann. Zum anderen ist hier keine zusätzliche elektrische Isolierung erforderlich, wenn Messfühler und Leiterbahnen auf der Membran angeordnet werden sollen, so dass sich ein derartiges Membranbauteil sehr gut im Rahmen von Thermopiles, Heizern, Massenflusssensoren, aber auch Drucksensoren einsetzen lässt. Als Ätzmedien zum Freilegen der Membran und ggf. auch zum Erzeugen der Zugangskanäle in der Membran eignen sich in diesem Falle plasmalose fluorhaltige Gasätzmischungen mit Interhalogeniden, wie ClF3, BrF3 oder ClF5, und/oder mit Edelgashalogeniden, wie XeF2, da sie eine hohe Selektivität gegenüber Siliziumoxid und Siliziumnitrid aufweisen.
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An dieser Stelle sei noch darauf hingewiesen, dass sich die Herstellung von Zugangskanälen in der Membran, die einen Versatz aufweisen, einfach in eine CMOS-Prozessfolge integrieren lässt, genauso wie der Verschluss derartiger Zugangskanäle, so dass sich die erforderlichen Verfahrensschritte auch einfach in die aus der Praxis bekannten Herstellungsverfahren für zahlreiche Bauteile, wie Thermopiles, Heizer, Drucksensoren, etc. integrieren lassen.
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Zeichnungen
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Wie bereits voranstehend ausführlich erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
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Die 1 bis 5 zeigen die einzelnen Prozessschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements mit einer Membran.
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Die 6 bis 9 zeigen die einzelnen Prozessschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements mit einer Membran und einer ersten Variante eines Thermopiles.
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Die 10 bis 12 zeigen die einzelnen Prozessschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements mit einer Membran und einer zweiten Variante eines Thermopiles.
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Die 13 bis 19 zeigen die einzelnen Prozessschritte zur Herstellung von weiteren erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelementen mit einer Membran, wobei im oberen Teil der Figuren jeweils eine Aufsicht und darunter ein Schnitt durch den Schichtaufbau in dem entsprechenden Herstellungsstadium dargestellt ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die in den 1 bis 5 dargestellte Verfahrensvariante zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einer Membran geht von einem Substrat 1 aus monokristallinem oder polykristallinem Silizium aus, das im hier dargestellten Ausführungsbeispiel als erste Opferschicht fungiert. Auf diesem Substrat 1 wird mindestens eine Schicht 2 aus einem dielektrischen Material abgeschieden, wie z. B. aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder einer Kombination dieser Materialien. Anschließend wird die Schicht 2 strukturiert, wobei mehrere Öffnungen 3 erzeugt werden, die später als unterer Ätzzugang zum Freilegen der Membran bzw. Membranen dienen sollen. Über der strukturierten Schicht 2 wird eine zweite Opferschicht 4 abgeschieden, die im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ebenfalls aus Silizium, Silizium-Germanium oder auch Germanium besteht. Diese Materialien können mit demselben plasmalosen Ätzmedium entfernt werden wie das Substratmaterial, beispielsweise mit Chlortrifluorid. Die Schichtdicke der zweiten Opferschicht 4 beträgt zwischen 50 nm und 2 μm. 1 zeigt den Schichtaufbau des Bauelements, nachdem die zweite Opferschicht 4 strukturiert und dabei weitestgehend wieder entfernt worden ist. Erfindungsgemäß schließt sich an jede der Öffnungen 3 in der unteren Schicht 2 ein Bereich der strukturierten zweiten Opferschicht 4 an.
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Über der strukturierten zweiten Opferschicht 4 wird mindestens eine obere Schicht 6 aus einem dielektrischen Material abgeschieden, wie z. B. aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder einer Kombination dieser Materialien, was in 2 dargestellt ist. Das aus den Schichten 2 und 6 bestehende Schichtsystem 5 bildet den Hauptbestandteil der zu erzeugenden Membran bzw. Membranen und wird dementsprechend so ausgelegt, dass seine thermischen Eigenschaften und seine mechanischen Eigenschaften, wie z. B. die Spannungsverhältnisse, optimiert werden.
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3 zeigt den Schichtaufbau des Bauelements nach Strukturierung der oberen Schicht 6. Dabei sind mehrere Öffnungen 7 erzeugt worden, die den oberen Ätzzugang zum Freilegen der Membranen bilden sollen. Erfindungsgemäß sind die Öffnungen 7 in der oberen Schicht 6 so angeordnet, dass sie mit mindestens einer Öffnung 3 in der unteren Schicht 2 über einen zusammenhängenden Bereich in der zweiten Opferschicht 4 verbunden sind aber gegenüber dieser Öffnung 3 in der unteren Schicht 2 versetzt angeordnet sind.
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In dem anschließenden Ätzschritt wird hier ein plasmaloses Ätzmedium eingesetzt, das eine sehr hohe Selektivität gegenüber Siliziumoxid und Siliziumnitrid aufweist, wie z. B. Chlortrifluorid. Bei diesem Ätzangriff wird zunächst über die Öffnungen 7 in der oberen Schicht 6 das Material der zweiten Opferschicht 4 entfernt. So entstehen Zugangskanäle 8, die in die entsprechenden Öffnungen 3 in der unteren Schicht 2 des Schichtsystems 5 münden. Über diese Zugangskanäle 8 greift das Ätzmedium nun das Substratmaterial an, wobei Kavernen 10 im Substrat 1 entstehen und Membranen 9 im Schichtsystem 5 über dem Substrat 1 freigelegt werden, was in 4 dargestellt ist. Diese Figur verdeutlicht, dass die Kavernen 10 zwar über die Zugangskanäle 8 mit der Umgebung in Verbindung stehen, so dass gasförmige und flüssige Medien in die Kavernen 10 ein- und austreten können. Jedoch verhindert der erfindungsgemäße Versatz der Zugangskanäle 8 das Eindringen von Partikeln in die Kavernen 10.
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Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine Verschlussschicht 11 bzw. eine entsprechende Schichtfolge über dem Schichtsystem 5 abgeschieden, die hier ebenfalls aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder einer Kombination dieser Materialien besteht. Das Material der Verschlussschicht 11 wächst dabei nicht nur auf der oberen Schicht 6 auf sondern auch – durch die Öffnungen 7 – auf der unteren Schicht 2. Dadurch werden die Zugänge zu den Kavernen 10 relativ schnell verschlossen, ohne dass das Material der Verschlussschicht 11 in die Kavernen 10 eindringt, was durch 5 veranschaulicht wird. Aufgrund des Versatzes zwischen den Öffnungen 7 in der oberen Schicht und den entsprechenden Öffnungen 3 in der unteren Schicht 2 kann schon mit einer relativ dünnen Verschlussschicht 11 ein zuverlässiger Abschluss der Kavernen 10 erzielt werden.
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Auch die in den 6 bis 9 dargestellte Verfahrensvariante zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einer Membran und einem Thermopile geht von einem Substrat 1 aus monokristallinem oder polykristallinem Silizium aus, das im hier dargestellten Ausführungsbeispiel als erste Opferschicht fungiert. Wie bei dem in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel wird auf dem Substrat 1 eine Schicht 2 aus einem dielektrischen Material abgeschieden, wie z. B. aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder einer Kombination dieser Materialien. Anschließend wird die Schicht 2 strukturiert. Dabei wird hier allerdings nur eine Öffnung 3 erzeugt, die später als unterer Ätzzugang zum Freilegen der Membran dienen soll. Über der so strukturierten Schicht 2 wird eine Schicht aus Silizium, Silizium-Germanium oder auch Germanium abgeschieden und strukturiert, so dass lediglich zwei Bereiche 4 und 12 dieser Schicht verbleiben. Der Schichtbereich 4 schließt sich an die Öffnung 3 in der unteren Schicht 2 an und fungiert als zweite Opferschicht. Der Schichtbereich 12 bildet den ersten Schenkel eines Thermopiles. Darüber wird eine obere Schicht 6 aus einem dielektrischen Material, wie Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder einer Kombination dieser Materialien, abgeschieden. 6 zeigt den Schichtaufbau des Bauelements nach Strukturierung dieser oberen Schicht 6. Dabei wurde eine Öffnung 7 erzeugt, die den oberen Ätzzugang zum Freilegen der Membran bilden soll. Erfindungsgemäß ist die Öffnungen 7 in der oberen Schicht 6 so angeordnet, dass sie mit der Öffnung 3 in der unteren Schicht 2 über den Schichtbereich 4 verbunden ist aber gegenüber der Öffnung 3 in der unteren Schicht 2 versetzt angeordnet ist. Neben der Öffnung 7 wurde noch eine Öffnung 13 erzeugt, die den Kontaktbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Schenkel des Thermopiles bilden soll.
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7 zeigt den Schichtaufbau des Bauelements nachdem der zweite Schenkel 14 des Thermopiles abgeschieden und strukturiert worden ist. Er erstreckt sich über den gesamten Kontaktbereich und verschließt so die Öffnung 13 in der oberen Schicht 6. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wurde der zweite Schenkel 14 aus Aluminium gebildet, das in dem anschließenden Ätzschritt zum Freilegen der Membran nicht angegriffen wird.
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Wie bei dem in Verbindung mit den 1 bis 5 erläuterten Ausführungsbeispiel wird ein Ätzmedium mit einer hohen Selektivität gegenüber den Materialien der oberen Schicht 6 und unteren Schicht 2 verwendet. Das Ätzmedium dringt daher in die Öffnung 7 in der oberen Schicht ein und greift lediglich das Material des Schichtbereichs 4 an. Dadurch entsteht zunächst ein Zugangskanal 8 zum Substrat 1, über den dann anschließend auch das Substratmaterial entfernt und eine Kavernen 10 erzeugt wird bzw. die Membran 9 freigelegt wird, was in 8 dargestellt ist.
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Auch hier wird über der Membran 9 und dem Thermopile eine Verschlussschicht 11 bzw. eine entsprechende Schichtfolge abgeschieden. Dabei entsteht eine geschlossene Oberfläche, auf der eine weitere Prozessierung möglich ist, beispielsweise Lithographie. 9 zeigt den Schichtaufbau des Bauelements, nachdem eine Öffnung 15 für die Bondlands des Thermopiles in der Verschlussschicht 11 erzeugt worden ist.
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Bei der in den 10 bis 12 dargestellten Variante wurde der zweite Schenkel 14 des Thermopiles aus Polysilizium realisiert. Um zu verhindern, dass diese Struktur beim Freilegen der Membran angegriffen wird, wurde eine Passivierschicht 16 über dem Schichtsystem 5 und dem zweiten Schenkel 14 des Thermopiles erzeugt und strukturiert. Als Materialien für die Passivierschicht 16 kommen wieder ein Oxid und/oder ein Nitrid in Frage, die nicht von dem beim Freilegen der Membran verwendeten Ätzmedium angegriffen werden. Die Passivierschicht 16 wurde im Bereich der Öffnung 7 in der oberen Schicht geöffnet, um den oberen Ätzzugang zu erhalten. Außerdem wurde ein Kontaktloch zur elektrischen Kontaktierung des zweiten Schenkels 14 des Thermopiles erzeugt. In einem weiteren Prozessschritt wurde dieses Kontaktloch mit Hilfe einer Metallbahn 17 wieder verschlossen, was in 10 dargestellt ist.
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11 zeigt den Schichtaufbau des Bauelements nach dem Freilegen der Membran 9 in einem Ätzschritt, wie er in Verbindung mit den 4 und 8 erläutert worden ist, und 12 zeigt das Bauelement nach dem Aufbringen einer Verschlussschicht 11, was bereits in Verbindung mit den 5 und 9 erläutert worden ist.
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Wie bei den voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen geht auch die in den 13 bis 19 dargestellte Verfahrensvariante zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einer Membran von einem Substrat 1 aus monokristallinem oder polykristallinem Silizium aus, das als erste Opferschicht fungiert. Auf diesem Substrat 1 wird mindestens eine Schicht 2 aus einem dielektrischen Material abgeschieden, wie z. B. aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder einer Kombination dieser Materialien, oder auch ein Schichtsystem, das später einen Teil der freigestellten Membran bildet und funktionale Leiterbahnen aus Silizium, Metallen, etc. sowie weitere Schichten umfassen kann. Anschließend wird die Schicht 2 strukturiert, wobei mehrere Öffnungen 3 erzeugt werden, die später als unterer Ätzzugang zum Freilegen der Membran bzw. Membranen dienen sollen. Über der strukturierten Schicht 2 wird eine zweite Opferschicht 4 abgeschieden, die im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ebenfalls aus Silizium, Silizium-Germanium oder auch Germanium besteht. Diese Materialien können mit demselben plasmalosen Ätzmedium entfernt werden wie das Substratmaterial, beispielsweise mit Chlortrifluorid. Die Schichtdicke der zweiten Opferschicht 4 beträgt zwischen 50 nm und 2 μm.
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13 zeigt den Schichtaufbau des Bauelements, nachdem eine Passivierschicht 20, beispielsweise aus Nitrid, auf der zweiten Opferschicht 4 konform abgeschieden und mit herkömmlicher Technologie strukturiert worden ist. Die Aufsicht auf die Oberfläche des Schichtaufbaus verdeutlicht, dass sich die verbleibenden Bereiche der Passivierschicht 20 und die Öffnungen 3 in der unteren Schicht 2 überschneiden.
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Die Strukturierung der zweiten Opferschicht 4 erfolgt im hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch thermische Oxidation. Dabei wird die zweite Opferschicht 4 bis auf die von der Passivierschicht 20 bedeckten Bereiche komplett aufoxidiert, was in 14 dargestellt ist. An dieser Stelle sei erwähnt, dass auch andere Verfahren zur Strukturierung der zweiten Opferschicht eingesetzt werden können.
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Über der strukturierten zweiten Opferschicht 4, die durch die strukturierte Passivierschicht 20 abgedeckt ist, wird nun eine vorzugsweise dielektrische obere Schicht 6 oder ein entsprechendes Schichtsystem abgeschieden, beispielsweise TEOS-Oxide, Spin-On-Gläser, Polymide, etc., wobei sich ein glättendes Verhalten beim Abscheiden positiv auswirkt. Dieser Schichtaufbau wird dann abgedünnt, bis der Bereich der zweiten Opferschicht 4 offen liegt, der auf der unteren Schicht 2 angeordnet ist. 15, die den Schichtaufbau nach dem Abdünnen zeigt, verdeutlicht, dass die auf den Flanken der Öffnungen 3 abgeschiedenen Teile der zweiten Opferschicht 4 eine direkte, d. h. im Wesentlichen senkrechte, Verbindung zwischen der Substratoberfläche und der Oberfläche des Schichtaufbaus herstellen.
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16 zeigt den Schichtaufbau nach einem Gasphasen-Ätzschritt, beispielsweise mit ClF3, XeF2, etc., bei dem zunächst die zweite Opferschicht 4 entfernt wurde. Dabei ist ein vertikaler Zugangskanal 21 entstanden, über den dann der Ätzangriff auf das Substrat 1 erfolgen konnte. Auf diese Weise wurde eine Kaverne 10 im Substrat erzeugt und so die Membran 9 freigelegt. Wesentlich ist, dass die lateralen Abmessungen, d. h. der Durchmesser bzw. die Querschnittsfläche, des Zugangskanals 21 durch die Schichtdicke der zweiten Opferschicht 4 im Flankenbereich der Öffnungen 3 bestimmt wird und nicht durch die Strukturierung einer Maskierschicht. Dementsprechend werden die lateralen Abmessungen hier auch nicht durch die Auflösung des Lithographieverfahrens, d. h. die minimale Strukturbreite der Lithographie, limitiert. Deshalb können die Zugangskanäle so dimensioniert werden, dass ein gasförmiges Ätzmedium ungehindert eindringen kann, während das Eindringen von Flüssigkeiten, je nach Oberflächenspannung, weitgehend unterbunden wird. Derartige Zugangskanäle haben in der Regel einen Durchmesser von bis zu 200 nm.
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Die wie voranstehend beschriebene, perforierte freitragende Membran 9 kann mit bekannten Verfahren weiterprozessiert werden. 17 zeigt eine solche Membran 9, die mit Öffnungen 22 versehen worden ist. Die Kaverne 10 dient hier als Flüssigkeitskanal und die Öffnungen 22 dienen als Zugang für die Flüssigkeit. Durch die nicht verschlossenen Zugangskanäle 21 können Gase, die in der Flüssigkeit gelöst sind, entweichen, ohne dass auch die Flüssigkeit über diese Zugangskanäle 21 entweichen kann.
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Eine andere Möglichkeit der Weiterprozessierung des in 16 dargestellten Bauelements ist in 18 dargestellt. Hier wurden die Zugangskanäle 21 durch ganzflächige Abscheidung, beispielsweise von PECVD-Oxid, verschlossen. Aufgrund der geringen Abmessungen der Zugangskanäle 21 ist hierfür nur eine geringe Schichtdicke erforderlich. Der beim Abscheiden eingestellte Druck kann als Referenzdruck dienen und die thermische Isolation erhöhen. Auch hier ist eine Weiterprozessierung inklusive Lithographie möglich.
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In Verbindung mit 19 wird schließlich noch eine Möglichkeit aufgezeigt, um den Endpunkt beim Abdünnen des Schichtaufbaus – was voranstehend in Verbindung mit 15 beschrieben worden ist – besser einstellen zu können. Dazu wird beim Strukturieren der zweiten Opferschicht 4 ein größerer Opferschichtbereich 23 außerhalb des Membranbereichs erzeugt, der beim Abdünnen mit Hilfe von Plasmaprozessen eine messbare Verfärbung des Plasmas verursacht. Diese Verfärbung kann dann als Stopp-Signal verwendet werden. Beim nachfolgenden Freiätzen der Zugangskanäle und der Kaverne 10 wird auch der Opferschichtbereich 23 vollständig entfernt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substrat – erste Opferschicht
- 2
- untere Schicht
- 3
- Öffnung (untere Schicht)
- 4
- zweite Opferschicht
- 5
- Schichtsystem
- 6
- obere Schicht
- 7
- Öffnung (obere Schicht)
- 8
- Zugangskanal
- 9
- Membran
- 10
- Kaverne
- 11
- Verschlussschicht
- 12
- erster Schenkel – Thermopile
- 13
- Öffnung – Kontaktierung
- 14
- zweiter Schenkel – Thermopile
- 15
- Öffnung – Bondlands
- 16
- Passivierschicht
- 17
- Metallbahn
- 20
- Passivierschicht
- 21
- Zugangskanal (16)
- 22
- Öffnung (17)
- 23
- Opferschichtbereich (19)
