-
Die
Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement, insbesondere
in MEMS-Bauweise (Micro Electro Mechanical System), welches miniaturisiert
mittels Dünnschichtverfahren
auf der Oberfläche
eines Substrates hergestellt wird, und dessen Verwendung.
-
Ein
als Mikrofon ausgebildetes MEMS-Bauelement ist beispielsweise aus
US 5490220 A bekannt.
Zur Herstellung eines solchen Mikrofons wird auf einem Substrat
ein Dünnschichtaufbau
erzeugt, der zumindest eine in den Dünnschichtaufbau eingebettete
Membran umfasst. Diese wird in einem späteren Verfahrensschritt aus
ihrer Einbettung befreit, indem die sie umhüllenden beziehungsweise einschließenden Opferschichten
durch Ätzen
entfernt werden.
-
Das
Funktionsprinzip vieler MEMS Bauelemente basiert auf einem Kondensator,
dessen Kapazität
mit einer auslenkenden Membran variiert. Dementsprechend ist neben
der elektrisch leitfähigen Membran
noch eine weitere leitfähige
Schicht als Gegenelektrode auf dem Substrat vorgesehen, die innerhalb
des gleichen Schichtaufbaus verwirklicht sein kann.
-
Zur
elektrischen Signalverarbeitung eines solchen MEMS-Bauelements sind
integrierte Schaltungen in Form von Halbleiterbauelementen erforderlich,
wobei bekannte MEMS-Bauelemente
typisch in ein gemeinsames Package mit einem IC Bauelement eingebaut
sind und so Hybridbauelemente darstellen. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, ein MEMS-Bauelement
zusammen mit einem IC-Bauelement in einem Modul zu integrieren oder
das MEMS-Bauelement direkt auf einem IC Bauelement zu erzeugen oder
mit einem solchen zu verbinden.
-
Aus
der US 2004/0155306A1 ist ein MEMS-Bauelement bekannt, welches eine
freischwingende metallische Membran umfasst, die durch einen Luftspalt
von einer darunter auf dem Substrat angeordneten Betriebselektrode
getrennt ist. Zur Herstellung wird zunächst eine Opferschicht über dem
Substrat erzeugt und so strukturiert, dass zumindest ein Anschlussgebiet
für die
Membran im Substrat offen liegt. Anschließend wird die Membran großflächig erzeugt
und strukturiert. Durch ein in der Membran vorhandenes Lochmuster
wird die Opferschicht darunter weggeätzt, wobei der Luftspalt entsteht.
-
Aus
der US 2004/0126921A1 ist ein MEMS-Schalter bekannt, bei dem eine
metallische Membran durch einen Luftspalt getrennt über Schalt- und
Antriebselektroden auf einem Substrat gespannt ist. Die elektrische
Verbindung der Membran zu einer im Substrat angeordneten Schaltungsanordnung
erfolgt über
Vias, die in einer dielektrischen Schicht durch Ätzen und Auffüllen mit
Metall erzeugt sind. Der Luftspalt unterhalb der Membran wird durch Ätzen einer
Opferschicht durch die mit einem Lochmuster versehene Membran hindurch
erzeugt. Der Luftspalt und damit der Abstand der Membran von der
Antriebs- und Schaltelektrode
wird durch Variation der Dicke der dielektrischen Schicht eingestellt, auf
der die Membran ein- oder
beidseitig aufliegt.
-
Bei
MEMS-Bauelementen tritt allgemein das Problem auf, dass der aus
unterschiedlichen Materialschichten bestehende Schichtaufbau für das MEMS-Bauelement
herstellungsbedingte oder thermomechanisch erzeugte Spannungen aufweisen kann,
die das mechanische Verhalten der Membran ungünstig beeinflussen. Hinzu kommt,
dass MEMS-Bauelemente vorzugsweise mit standardisierten Dünnschichtverfahren
hergestellt werden. Eine ungünstig
verspannte Membran kann zu einer Fehlfunktion und ein zu kleiner
Luftspalt zu einem Totalausfall des MEMS-Bauelements führen.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein mikromechanisches und
insbesondere ein MEMS-Bauelement anzugeben, welches bezüglich dieser
genannten Nachteile verbessert ist.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
mikromechanisches Bauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung
des Bauelements und seine Verwendung sind weiteren Ansprüchen zu
entnehmen.
-
Grundlegende
Idee der Erfindung ist es, ein mikromechanisches Bauelement mit
einer freischwingenden Membran in einen Mehrschichtaufbau zu integrieren,
der eine geringere mechanische Verspannung und ein verbessertes
thermomechanisches Verhalten zeigt. Dazu wird ein Mehrschichtaufbau
vorgeschlagen, der eine alternierende Abfolge von strukturierten
Metallschichten und Zwischenschichten aufweist, wobei zumindest
zwei Metallschichten vorgesehen sind. Aus dem Mehrschichtaufbau
ist ein Stapel strukturiert, in dem über einer unteren Metallschicht
eine der darüber
liegenden Metallschichten an einer Seite über den Stapel hinaus verlängert ist
und so eine freischwingende Membran ausbildet. Im Sinne der Erfindung
soll unter Membran auch ein auslenkbarer Balken verstanden werden.
-
Der
Mehrschichtaufbau kann jeweils gleich dicke Metall- und Zwischenschichten
umfassen. Möglich
ist es jedoch auch, die einzelnen Schichten insbesondere bezüglich der
Schichtdicke zu variieren, um thermische Verspannungen zu kompensieren.
Zu den verbesserten mechanischen Eigenschaften des mikromechanischen
Bauelements trägt
auch bei, dass über
die Anzahl der alternierenden Metall- und Zwischenschichten eine
weitere Möglichkeit
besteht, die Höhe
des Stapels, den Abstand der Membran von der Substratoberfläche, die
Stabilität
des Stapels und die Verspannung innerhalb des Stapels über einen
großen
Bereich hinweg zu variieren und damit zu optimieren.
-
Der
Stapel mit dem Mehrschichtaufbau ist auf einem Substrat angeordnet,
in dem zumindest eine elektrische Schaltungsanordnung vorgesehen ist.
Die elektrische Anbindung der als Metallschicht ausgeführten Membran
gelingt über
die Zwischenschichten, die in einer Ausführung ein Dielektrikum umfassen,
in das elektrisch leitende Verbindungsstrukturen und insbesondere
VIAS eingebettet sind. Neben der elektrischen Verbindung der einzelnen Metallschichten,
die damit auch deren elektrischen Anschluss an die Schaltungsanordnung
im Substrat garantiert, wird mit den Verbindungsstrukturen außerdem eine
Strukturverstärkung
des Mehrschichtaufbaus geschaffen, welche eine hohe mechanische
Stabilität
bei geringer thermomechanischer Verspannung aufweist.
-
Die
Schaltungsanordnung im Substrat kann eine integrierte Schaltung
umfassen. Insbesondere kann das Substrat ein IC-Bauelement sein, auf dessen Oberfläche Elektroden
und der Mehrschichtaufbau für
das mikromechanische Bauelement angeordnet sind. Das IC-Bauelement
kann eine integrierte Schaltungsanordnung umfassen, die für die elektrische
Ansteuerung des mikromechanischen Bauelements, das Auswerten von
elektrischen Signalen eines als Sensor ausgebildeten Bauelements
und die Antriebs- und Schaltfunktionen für ein als MEMS-Schalter ausgebildetes
mikromechanisches Bauelement ausgelegt ist.
-
Das
mikromechanische Bauelement kann beispielsweise mittels Standard-Dünnschichtverfahren
aufgebaut werden, wie sie in der CMOS-Technik Verwendung finden.
Es können
Standardschichtdicken erzeugt werden, wobei vorteilhaft über die
Anzahl der alternierenden Schichten im Mehrschichtaufbau die Höhendimension
des Bauelements optimiert werden kann. Die Membran kann im Mehrschichtaufbau
beispielsweise die dritte oder vierte Metallschicht über dem
Substrat sein. Oberhalb dieser zur Membran verlängerten Metallschicht kann
der Mehrschichtaufbau weitere alternierende Schichten umfassen.
Vorteilhaft ist es beispielsweise, die zur Membran verlän gerte Metallschicht
an einer Position im Mehrschichtaufbau anzuordnen, die im Stapel
zumindest bezüglich
der Massenbelastungen und/oder der thermomechanischen Verspannungen
oberhalb und unterhalb dieser Metallschicht symmetrisch ist. Eine
symmetrische oder zumindest ausgleichende Massenbelastung kann auch
dadurch erreicht werden, dass eine oder mehrere der über der Membran-Metallschicht
angeordneten Schichten dicker ausgeführt ist, als die unterhalb
der Membran-Metallschicht angeordneten.
-
Vorteilhaft
ist es, zumindest die zur Membran verlängerte Metallschicht zwischen
einer oberen und einer unteren Passivierungsschicht einzubetten,
um sie insbesondere gegenüber
dem abschließenden Ätzprozess
zur Freilegung der Membran zu schützen. Des weiteren kann die
Passivierungsschicht zum Schutz der Membran vor Korrosion dienen.
Die Passivierungsschicht kann auch dazu dienen, die mechanische
Vorspannung der Membran einzustellen beziehungsweise eine herstellungsbedingte
unerwünschte
Vorspannung auszugleichen. Dazu kann die Dicke der Passivierungsschichten
variiert werden und insbesondere unterschiedliche Dicken für die untere
und die obere Passivierungsschicht eingestellt werden. Möglich ist
es auch, zwischen Membran und Passivierungsschicht zusätzliche
Anpassungsschichten einzuführen.
In diesem Fall ist es möglich, bei
einheitlicher gleich bleibender Schichtdicke der Passivierungsschichten
nur die Dicke einer oder beider Anpassungsschichten zu variieren.
-
Die
Membran weist vorteilhaft ein Muster von Durchbrechungen auf. Dies
ermöglicht
es, den Mehrschichtaufbau inklusive der zur Membran verlängerten
Metallschicht als kompakten Verbund aufzubauen und erst anschließend den
Luftspalt zwischen Membran und Substratoberfläche in einem Ätzschritt freizulegen,
der durch das Lochmuster innerhalb der Membran geführt wird.
-
Ein
mikromechanisches Bauelement kann einen einzelnen Stapel aufweisen,
in dem die Membran eine verlängerte
Metallschicht darstellt. Die Membran kann dann zungenförmig ausgebildet
sein, wobei das freie Ende der Zunge frei schwingen kann. Möglich ist
es auch, einen zweiten Stapel vorzusehen, wobei die Membran ebenfalls
vorzugsweise zungenförmig
ausgebildet und mit beiden Enden integrierter Bestandteil des jeweiligen
Stapels ist. Eine nur einseitig befestigte beziehungsweise in einen Stapel
integrierte Membran hat den Vorteil, dass sie eine geringere Auslenkungskraft
benötigt
als eine Membran, die beidseitig in einem Stapel befestigt ist.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung überspannt
die Membran einen Hohlraum innerhalb eines Stapels. Sie ist dabei
entlang ihres gesamten Außenumfangs
innerhalb dieses einen Stapels fixiert. Diese Ausführung hat
den Vorteil, dass der Luftspalt zwischen Membran und Substratoberfläche ein
geschlossener Hohlraum ist, dessen Füllung kontrolliert werden kann.
Möglich
ist es beispielsweise, in diesem Hohlraum einen bestimmten Druck
einzustellen, der höher
oder niedriger als der Umgebungsdruck sein kann. Möglich ist
es auch, den Hohlraum mit einem speziellen und vorzugsweise inerten
Gas zu befüllen.
-
Eine
weitere Ausgestaltung eines mikromechanischen Bauelements umfasst
eine nur einseitig in einem Stapel fixierte zungenförmige Membran,
die an ihrem freien Ende eine Massenbelastung aufweist. Dies kann
eine Massenbelastung mit einer oder mehreren zusätzlichen Schichten sein, die
ausschließlich
am freien Ende auf der Membran aufgebracht sind. Möglich ist
es auch, diese zusätzliche Massenbelastung
auf einer Schichtebene unterhalb der Membran jedoch mit der Membran
verbunden vorzusehen. Mit dieser Massenbelastung ist es möglich, die
mechanischen Eigenschaften der Membran zu beeinflussen und auf einen
gewünschten
Wert einzustellen. Wird die Massenbelastung unterhalb der Membran
vorgesehen, so kann dadurch der Luftspalt verringert werden. Vorzugsweise
sind auch die zur Massenbelastung erforderlichen Schichten mit einem
Lochmuster versehen, um darunter den Luftspalt durch Wegätzen einer
darunter angebrachten Opferschicht zu schaffen.
-
Die
Massenbelastung kann auch in Form eines Mehrschichtaufbaus aufgebracht
werden, vorzugsweise mit dem selben Aufbau wie der Mehrschichtaufbau
in den Stapeln. Dies ermöglicht
eine integrierte Herstellung der Massenbelastung zusammen mit der
Strukturierung des Stapels.
-
In
einer Ausführung
weisen sämtliche
Metallschichten in den Stapeln an ihren Seitenkanten ein Passivierung
auf. Diese kann in Form eines Dielektrikums ausgeführt sein,
die beim Stapelaufbau für
jede Metallschicht erzeugt und strukturiert ist. Möglich ist es
auch, eine Isolierung vorzusehen, die an den gesamten Seitenwänden der
Stapel angeordnet ist. Eine solche Isolierung kann beispielsweise
in Form von Spacer-Strukturen
erzeugt werden, indem eine Hilfsschicht in entsprechender Dicke
kantenbedeckend abgeschieden und anisotrop zurückgeätzt wird, wobei ausschließlich an
vertikalen Strukturkanten die Spacer verbleiben.
-
Die
Materialien für
den Mehrschichtaufbau, also Dielektrikum, Membran und gegebenenfalls Passivierungsschicht
sind vorzugsweise mit dem CMOS-Prozess kompatibel. Geeignete Dielektrika sind
beispielsweise ausgewählt
aus einem Oxid, einem Nitrid oder einem Oxinitrid. Titannitrid stellt
das bevorzugte für
die Passivierungsschicht verwendete Material dar. Es hat sehr gute
Passivierungseigenschaften, lässt
sich gut strukturieren und ist selektiv gegen Oxid ätzbar. Dieser
Punkt ist besonders wichtig, da als bevorzugte Opferschicht Oxid
eingesetzt wird, welches vorteilhaft selektiv gegen die Passivierungsschicht ätzbar ist.
Eine selektive Ätzbarkeit
gegen das Dielektrikum der Zwischenschicht ist ebenfalls von Vorteil.
-
Für die Metallschichten
des Mehrschichtaufbaus sind beliebige elektrisch leitende, mit Dünnschichtverfahren
gut erzeugbare Metalle geeignet, insbesondere die bereits in der
CMOS-Technik verwendeten
Aluminium und Kupfer.
-
Das
Bauelement kann oberhalb der Membran im Abstand zu dieser mit einer
Abdeckung versehen sein. Die Abdeckung kann mit dem Stapel abschließen und
wird vorzugsweise bis auf die Oberfläche des Substrats gezogen.
So ist es möglich,
eine luft- und feuchtigkeitsdichte
Einbettung des Bauelements zu schaffen. Möglich ist es jedoch auch, in
der Abdeckung durchgehende Löcher
oder Öffnungen vorzusehen,
so dass zwar ein mechanischer Schutz der Membran gegeben ist, aber
ein Austausch mit der Umgebungsluft und somit auch ein Druckausgleich
möglich
ist. Eine solche Abdeckung kann für Bauelemente eingesetzt werden,
die als Drucksensoren oder auch als mikromechanisches Mikrofon ausgestaltet
sind.
-
Die
freischwingende Membran des Bauelements dient dazu, eine Kraft,
einen Druckunterschied oder eine Schwingung aufzunehmen und diese über einen
elektrischen Parameter abzulesen, der sich mit dem verringerten
Abstand der Membran zur Oberfläche
des Substrats verändert.
Gegebenenfalls kann der gewünschte
Messwert nach einer Linearisierung über eine Schaltungsanordnung,
beispielsweise über eine
integrierte Schaltung ausgegeben werden. Vorzugsweise arbeitet das
mikromechanische Bauelement kapazitiv, wobei sich durch Auslenkung
der Membran eine Kapazität
zwischen der Membran und einer auf der Oberfläche des Substrats angeordneten Gegenelektrode
verändert.
-
Möglich ist
es jedoch auch, das Bauelement als mikromechanischen Schalter auszuführen. In
diesem Fall kann vorgesehen sein, auf der Oberfläche des Substrats eine Antriebselektrode
vorzusehen, mit der eine Auslenkung der Membran zum Beispiel mittels
elektrostatischer Anziehung bewirkt werden kann. Erfolgt die Auslenkung
bis zu einem Umklapppunkt, dominiert die elektrostatische Anziehung
die Rückstellkraft
und die Membran schließt
den Kontakt, wobei der Schalter geschlossen wird.
-
Anwendungen,
die ein Messsignal proportional zur Auslenkung der Membran liefern,
sind beispielsweise Beschleunigungssensoren, wie sie beispielsweise
in modernen Kraftfahrzeugen, für
Navigationseinrichtungen und sicherheitstechnische Einrichtungen
eingesetzt werden.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren
näher erläutert. Die
Figuren sind nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt, sodass
den Figuren weder absolute noch relative Bemessungen entnommen werden
können.
Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet.
-
1 zeigt
im schematischen Querschnitt ein mikromechanisches Bauelement mit
einem Mehrschichtaufbau aus zwei Zwischenschichten und zwei Metallschichten,
-
2 zeigt
ein Bauelement mit vier Metallschichten, und einer Massenbelastung
auf der Membran,
-
3 zeigt
ein Bauelement mit vier Metallschichten, bei dem die oberste als
Membran ausgebildet ist,
-
4 zeigt
eine Membran im schematischen Querschnitt,
-
5 zeigt
ein Bauelement mit zwischen zwei Stapeln verspannter Membran,
-
6 zeigt
eine Variante mit direkt auf der Membran aufliegender Abdeckung,
-
7 zeigt
eine Membran in der Draufsicht,
-
8 zeigt
eine Membran mit Anpassungs- und Passivierungsschichten in schematischer
Draufsicht,
-
9 zeigt verschiedene Verfahrensstufen bei
der Herstellung eines Bauelements.
-
1 zeigt
einen Ausschnitt aus einer einfachen Ausführungsform eines mikromechanischen Bauelements.
Dieses ist auf einem Substrat SU aufgebaut, welches eine Schaltungsanordnung
IC (nicht dargestellt) umfasst und beispielsweise selbst ein IC-Bauelement
ist. Der mikromechanische Teil des Aufbaus ist in einem Mehrschichtaufbau
MA realisiert, der in 1 eine erste Zwischenschicht
ZS1, eine erste Metallschicht MS1, eine zweite Zwischenschicht ZS2
und eine zweite Metallschicht MS2 umfasst. Jede Metallschicht kann
für sich
wiederum mehrere Schichten umfassen und außerdem oben und/oder unten
Passivierungs- und Stresskompensationsschichten aufweisen. Die zweite
Metallschicht MS2 überragt
seitlich den Stapel des Mehrschichtaufbaus und ist zu einer Membran
MB verlängert,
die von der Oberfläche
des Substrats SU durch einen Luftspalt getrennt ist. Im Falle einer
Anwendung des Bauelements als Sensor stellt dieser Luftspalt die
maximale Auslenkung der Membran dar. Wird das Bauelement als Schalter
eingesetzt, so entspricht der Luftspalt der Schalterstrecke.
-
Im
lichten Abstand oberhalb der Membran MB ist eine Abdeckung AB angeordnet,
die hier ein Lochmuster aufweist und aus einem dielektrischen Material
ausgebildet ist, vorzugsweise aus Siliziumnitrid. Die Abdeckung
ruht entweder auf dem Stapel, oder wie in der Figur dargestellt,
auf Stützelementen SE,
die ebenfalls mittels Dünnschicht
strukturiert seitlich des Stapels beziehungsweise des Mehrschichtaufbaus
MA angeordnet sind.
-
Die
elektrische Verbindung der Schaltungsanordnung im Substrat mit den
Metallschichten und insbesondere mit der Membran MB erfolgt über Verbindungsstrukturen
VS, die zum Beispiel im Querschnitt runde Durchkontaktierungen oder
Vias durch die Zwischenschicht darstellen und insbesondere aus Wolfram
ausgebildet sind. Auf der Oberfläche des
Substrats unterhalb des Mehrschichtaufbaus ist eine Kontaktfläche zum
elektrischen Anschluss der Membran vorgesehen (nicht dargestellt).
Weiterhin ist zumindest eine Sensor- oder Schaltelektrode im Bereich
des Luftspalts angeordnet, die zur Aufnahme eines Messwerts oder
zum Herstellen eines Gegenkontakts für ein als Schalter eingesetztes
Bauelement dient.
-
2 zeigt
ausschnittsweise eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Im
Unterschied zur Ausführung
nach 1 ist der Mehrschichtaufbau oberhalb der zur Membran
MB verlängerten
Metallschicht MS3 hier durch eine weitere Zwischenschicht ZS4 und
eine weitere Metallschicht MS4 fortgesetzt. Auf diese Weise können auf
die Membran einwirkende Spannungen innerhalb des Mehrschichtaufbaus MA
ausgeglichen werden, da der Aufbau symmetrischer bezüglich der
Membran ausgeführt
ist.
-
Des
weiteren ist hier am freien Ende der Membran MB eine Massenbelastung
ML angeordnet, die hier unterhalb der Membran als weiterer Mehrschichtaufbau
jedoch mit einer geringeren Anzahl an Schichten im Aufbau realisiert
ist. Es ist aber auch möglich,
die Massenbelastung ML alternativ oder zusätzlich oberhalb der Membran
anzuordnen, wobei sie in diesem Fall dann insgesamt eine größere Anzahl
an Einzelschichten als der Mehrschichtaufbau aufweisen kann. Im
ersten Fall verbleibt zwischen der Massenbelastung ML und der Oberfläche des
Substrats immer noch ein Luftspalt, der eine Auslenkung der Membran
in Richtung Substrat ermöglicht,
wobei in einer Anwendung als Schalter ein elektrischer Kontakt zu
einem auf der Oberfläche
des Substrats SU angeordneten Schaltkontakt SK hergestellt werden kann.
Möglich
ist auch eine rein kapazitiv wirkende Metallisierung, die auch bei
Auslenkung keinen direkten elektrischen Kontakt mit der Membran
hat. Schaltkontakt oder kapazitiv wirkende Metallisierung sind natürlich auch
in der Ausführung
nach 1 vorgesehen, dort aber nicht explizit dargestellt.
-
Auch
hier ist eine Abdeckung AB dargestellt, die auf dem Mehrschichtaufbau
beziehungsweise auf dessen oberster Schicht aufliegen kann. Im Unterschied
zum Ausführungsbeispiel
nach 1 ist die ursprünglich mit einem Lochmuster
versehene Abdeckung geschlossen. Auch hier können seitliche Stützelemente
SE vorgesehen sein, die rund um den gesamten Mehrschichtaufbau und
die Membran geführt sein
können
und somit zusammen mit der Abdeckung AB ein Gehäuse für den mikromechanischen Mehrschichtaufbau
darstellen können.
-
In 3 ist
ausschnittsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel im schematischen
Querschnitt dargestellt, bei dem die vom Substrat ab gezählt vierte
Metallschicht MS4 zur Membran verlängert ist. Wie dargestellt
kann die Membran eine größere Schichtdicke
als die übrigen
im Mehrschichtaufbau eingesetzten Metallschichten MS1 bis MS3 aufweisen. Auch
auf diese Weise wird eine verspannungsfreiere Membran erhalten,
selbst wenn diese wie hier als oberste Schicht des Mehrschichtaufbaus
realisiert ist. Die Abdeckung ist im lichten Abstand zur Membran
angeordnet und mit einem Lochmuster versehen. Dieses garantiert,
dass zum einen ein Luftdruckausgleich erfolgen kann und dass zum
anderen ein Freiätzen
der Membran durch Herauslösen
von Opferschichten erfolgen kann. Diese Opferschichten werden während vorausgehender
Verfahrensschritte bei der Herstellung mit erzeugt, sodass stets
ein kompakter Schichtaufbau ohne Zwischenräume gegeben ist. Zum Freiätzen des
Luftspalts unterhalb der Membran ist ebenfalls ein Ätzmittelzugang
zum späteren Luftspalt
vorgesehen, beispielsweise durch ein weiteres Lochmuster innerhalb
des freischwingenden Endes der Membran.
-
4 zeigt
anhand eines schematischen Querschnitts durch eine Membran eine
weitere Ausgestaltung, die zum einen eine gegen Ätzangriffe geschützte und
zum anderen in ihren mecha nischen Eigenschaften verbesserte und
optimierte Membran darstellt. Oberhalb und unterhalb der den Kern
der Membran bildenden Metallschicht MS sind zumindest eine obere
Passivierungsschicht PS und eine untere Passivierungsschicht PS' vorgesehen. Diese bestehen
jeweils aus einem inerten und gegen das zum Wegätzen der Opferschichten eingesetzte Ätzmittel
resistenten Material. Über
ein geeignetes Schichtmaterial und eine zum Beispiel unterschiedliche
Wahl der Schichtdicken für
obere und untere Passivierungsschicht PS kann bereits eine mechanische
Anpassung erfolgen. Möglich
ist es jedoch auch, zwischen Passivierungsschicht PS und Metallschicht
MS jeweils eine obere beziehungsweise untere Anpassungsschicht AS,
AS vorzusehen. Bei gleicher Schichtdicke von oberer und unterer
Passivierungsschicht kann die Anpassung durch Variation der Schichtdicke
der Anpassungsschicht ein- oder beidseitig erfolgen. Möglich ist
es auch, eine solche Anpassungsschicht nur einseitig zu erzeugen.
-
In
der dargestellten Ausführung
ist die Membran beiderseits durch eine seitliche Passivierung SP geschützt, die
eine mögliche
aber nicht notwendige Ausgestaltung der Erfindung darstellt. Diese
seitliche Passivierung kann auch in Form einer Spacer-Struktur erzeugt
sein.
-
5 zeigt
eine weitere Ausgestaltung eines mikromechanischen Bauelements,
bei der die Membran MB als dritte Metallschicht MS3 im Mehrschichtaufbau
realisiert ist, welcher zu zwei Stapeln strukturiert ist, zwischen
denen die Membran MB verspannt ist. Durch die Verspannung an beiden
Enden ist die Membran mechanisch stabilisiert. Oberhalb der dritten
Metallschicht MS3 ist der Mehrschichtaufbau noch durch eine Zwischenschicht
ZS4 und eine obere Metallschicht MS4 erweitert. Die Abdeckung AB
ist hier geschlossen ausgebildet und liegt direkt auf der obersten
Metallschicht MS4 auf.
-
6 zeigt
einen ähnlichen
Aufbau wie die 5 mit dem Unterschied, dass
hier die Abdeckung auf der als Membran MB fungierenden Metallschicht MS4
direkt aufliegt.
-
Nicht
dargestellt in den 5 und 6 ist eine
Verkapselung des Mehrschichtaufbaus, die beispielsweise wie in 1 durch
Stützelemente
oder bis zur Oberfläche
des Substrats gezogene Abdeckschichten erreicht werden kann.
-
7 zeigt
eine als Membran verwendete Metallschicht in der Draufsicht. Die
Membran weist einen durchgehend geschlossenen Teil auf, der Teil eines
Mehrschichtaufbaus ist. In dem dem Stapel des Mehrschichtaufbaus überragenden
freischwingenden Teil ist die Membran mit einem Lochmuster LM versehen.
Dieses dient dazu, freien Zugang des Ätzmittels zu einer darunter
liegenden herauszulösenden
Opferschicht zu schaffen, um damit den Luftspalt herzustellen. Für Ausführungen
entsprechend der 5 oder 6 ist auf
der rechten Seite ein weiterer Bereich ohne Lochmuster vorgesehen,
damit die Membran an beiden Enden in einen Stapel eingespannt werden
kann.
-
8 zeigt
eine mögliche
Anordnung von Passivierungsschichten in dem Bereich der Membran,
der mit einem Lochmuster versehen ist. Die innerste mit 1 bezeichnete
Fläche
entspricht den Außenabmessungen
des mit Lochmuster versehenen freischwingenden Teils der Membran.
Die Fläche 2 zeigt
die Abmessungen von oberer und unterer Passivierungsschicht, die
in dem Bereich ebenfalls mit einem Lochmuster versehen ist, um Zugang
für das Ätzmittel
zu darunter liegenden Schichten zu ermöglichen. Eine dritte Fläche 3 gibt
einen Bereich der Passivierungsschicht an, der nicht mit Lochmuster versehen
ist. Möglich
ist es jedoch auch, dass die Bereiche 2 und 3 größenmäßig identisch
sind.
-
Im
Folgenden wird die Herstellung eines mikromechanischen Bauelements
anhand von 9 mittels schematisch dargestellter
verschiedener Verfahrensstufen erläutert. Ausgehend von einem
Substrat SU mit darin integrierter Schaltungsanordnung wird zunächst eine
erste Zwischenschicht ZS1 erzeugt. Im Bereich des später daraus
zu strukturierenden Stapels werden Öffnungen OE in der Zwischenschicht
ZS1 erzeugt, in denen die Oberfläche
des Substrats SU freigelegt wird (siehe 9A).
-
9b zeigt
die Anordnung nach der Abscheidung eines Metalls selektiv in den Öffnungen OE.
Dies kann beispielsweise durch selektive Wolfram-Abscheidung ausschließlich im
inneren der Öffnungen
erfolgen. Möglich
ist es jedoch auch, ganzflächig
ein Metall abzuscheiden und die Anordnung planar zurückzuätzen oder
mittels chemisch/mechanischen Polierens zu planarisieren.
-
Im
nächsten
Schritt wird ganzflächig
eine erste Metallschicht MS1 aufgebracht und strukturiert, sodass
im Bereich des Stapels über
den Verbindungsstrukturen VS und im Bereich einer späteren Massenbelastung
ML eine Metallfläche
verbleibt. 9c zeigt die Anordnung auf dieser
Verfahrensstufe.
-
Anschließend werden
abwechselnd Zwischenschichten ZS inklusive darin angeordneter Verbindungsstrukturen
VS sowie weitere Metallschichten MS erzeugt, bis der in 9d aus
drei Zwischenschichten und zwei dazwischen angeordneten Metallschichten
bestehende Mehrschichtaufbau erhalten wird. Zwischen dem flächenmäßig durch
die Größe der Metallschichten
definierten Stapel (in der Figur links dargestellt) und dem durch
eine Opferschicht von der Substratoberfläche getrennten Aufbau für die Massenbelastung
(in der Figur rechts dargestellt) ist der Zwischenraum außerhalb
des Stapels mit weiterem Opfermaterial aufgefüllt, beispielsweise Siliziumoxid,
sodass eine mit der Oberfläche
der dritten Zwischenschicht ZS3 des Mehrschichtaufbaus abschließende planare
Oberfläche
des Aufbaus erhalten wird. 9d zeigt
die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
-
Anschließend wird
die zur Membran verlängerte
Metallschicht (in der Figur die dritte Metallschicht MS3) erzeugt.
Da diese Metallschicht zumindest in eine untere und eine obere Passivierungsschicht
eingebettet ist, wird zunächst
eine erste Passivierungsschicht, dann die Metallschicht und schließlich eine
zweite Passivierungsschicht erzeugt und strukturiert. Die Strukturierung
kann für
jede einzelne Schicht separat erfolgen, kann jedoch auch mit einer
einzigen Maske in einem einzigen Schritt durchgeführt werden. 9e zeigt
die Anordnung mit fertiger zur Membran verlängerter dritter Metallschicht MS3,
in der allerdings die relativ dünnen
Passivierungsschichten nicht eingezeichnet sind.
-
Anschließend wird
der Mehrschichtaufbau im Bereich des Stapels um weitere Schichten
ergänzt,
hier um eine vierte Zwischenschicht ZS4 und eine vierte Metallschicht
MS4. Im Bereich des Stapels sind nun alle Metallschichten durch
die Verbindungsstrukturen in den Zwischenschichten ZS elektrisch
miteinander verbunden, wobei gleichzeitig auch die Stabilität des Stapels
erhöht
wird. Die vierte Zwischenschicht ZS4 erstreckt sich auch oberhalb der
Membran MB, wo sie später
als Opferschicht dient. 9f zeigt
die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
-
Im
nächsten
Schritt wird eine Abdeckschicht AS ganzflächig abgeschieden, aus der
die spätere Abdeckung
strukturiert wird. Die Abdeckschicht kann aus einem beliebigen mechanisch
stabilen dielektrischen Material bestehen, beispielsweise aus Nitrid und
insbesondere aus Siliziumnitrid. Mithilfe einer Fotoresistmaske
wird nun in einem ersten Schritt die Abdeckschicht AS geätzt und
dort das Lochmuster erzeugt. Anschließend erfolgt ein Ätzen der
Opferschichten, die insbesondere aus dem gleichen Material wie die
Zwischenschichten ZS bestehen, und insbesondere aus Oxid ausgebildet
sind. Diese Ätzung kann
in zwei Schritten durchgeführt
werden, wobei zunächst
anisotrop in Verlängerung
des Lochmusters in der Fotoresistmaske ins Oxid geätzt wird,
wobei die Ätzung
im Oxid oder an der Substratoberfläche gestoppt wird. Dies erfolgt
sowohl im Bereich des Luftspalts unter der Membran als auch im Bereich
der Massenbelastung, unter der sich ebenfalls eine zu entfernende
Opferschicht befindet. In einem zweiten Ätzschritt wird anschließend isotrop
geätzt,
um die vertikalen Ätzlöcher seitlich
in das Dielektrikum der Opferschicht hinein zu verbreitern und schließlich zu einem
einzigen durchgehenden Hohlraum oder Luftspalt zu vereinigen. Die Ätzung wird
so lange durchgeführt,
bis sämtliches
Opfermaterial entfernt ist. 9I zeigt
die Anordnung, bei der unterhalb der Membran und zwischen Membran
und Abdeckung entsprechende Luftspalte LS entstanden sind. Außer im Bereich
der Luftspalte wird das Opfermaterial auch außerhalb des Stapels entfernt,
wobei die Strukturierung jedoch so geführt werden kann, dass geeignete
Stützelemente
für die
Abdeckung verbleiben (in der Figur nicht dargestellt). Nach dem Ätzschritt
wird die Fotomaske entfernt.
-
Soll
die Abdeckung einen Luft- und Druckausgleich mit der Umgebung ermöglichen,
so ist das Verfahren an dieser Stelle beendet. Ist jedoch eine geschlossene
Abdeckung AB gewünscht
oder erforderlich, so wird in einem abschließenden Schritt ganzflächig eine
weitere Abdeckschicht oberhalb der strukturierten Abdeckschicht
erzeugt, mit der das Lochmuster verschlossen wird. 9j zeigt
ausschnittsweise im Bereich von Stapel und Membran ein nach dieser
Verfahrensstufe fertiges Bauelement.
-
Für jede einzelne
Schicht gilt, dass die dafür verwendeten
Materialien und Verfahren vorzugsweise mit Standardverfahren der
CMOS-Technologie kompatibel sind. Entsprechend werden auch die Schichtdicken
im Bereich der üblicherweise
in CMOS-Technologie
eingesetzten Schichtdicken gewählt.
-
Die
Qualität
des Mehrschichtaufbaus steigt mit der Planarität der Schichten. Sofern das
jeweilige Schichtabscheideverfahren nicht zu einer planen Oberfläche führt, kann
die Oberfläche nachträglich noch
planarisiert werden, beispielsweise durch chemisch mechanisches
polieren (CMP) oder durch Hilfsschichten, die eine Planarisierung
erzeugen und dann mit der gleichen Ätzrate wie die einzuebnende Schicht
zurückgeätzt werden.
Alle Zwischenräume, die
später
mit Luft gefüllt
sind, werden während
der Herstellung mit Opfermaterial aufgefüllt, wozu vorzugsweise das
Material der Zwischenschichten verwendet wird. Ein Lochmuster wird
im Bereich späterer
Luftspalte durchgehend durch alle nicht aus Opfermaterial bestehende
Schichten erzeugt, um den ungehinderten Zutritt des Ätzmittels
von oben zu ermöglichen.
Zum Ätzen
von insbesondere Oxid kann trockene/wasserfreie oder gasförmige Flusssäure verwendet
werden, mit der ein schnelles Entfernen von oxidischen Opferschichten
möglich
ist. Möglich ist
es jedoch auch, Plasmaätzverfahren
einzusetzen. Weiterhin ist es möglich,
ein Plasmaätzverfahren
als anisotropen und ein „Nassätzverfahren" als isotropen Ätzschritt
zu kombinieren. Möglich
ist es auch, als Opferschichten organische Schichten zu verwenden, und
diese dann in einem Sauerstoffplasma zu entfernen. Im vorgeschlagenen
Aufbau können
auch für
die Zwischenschicht organische Dielektrika verwendet werden.
-
Die
seitlichen Passivierungsschichten können zumindest im Bereich der
Membran MB mit einer Spacer-Technik erzeugt werden. Möglich ist
es jedoch auch, die obere Passivierungsschicht oberhalb der Membran
entsprechend zu strukturieren, dass sie seitlich nur noch überlappt,
wie dies beispielsweise in 8 dargestellt
ist.
-
Die
Erfindung wurde nur anhand weniger Ausführungsbeispiele dargestellt
und ist aber nicht auf diese begrenzt. Für die Erfindung unerheblich
ist die genaue Anzahl der für
den Mehrschichtaufbau verwendeten Schichten und die Anordnung der Membran
innerhalb dieses Schichtaufbaus. Bevorzugt sind jedoch stets symmetrische
oder annähernd symmetrische
Aufbauten, sodass sich die Membran in der „Mitte" des Mehrschichtaufbaus befindet. Bezüglich der
eingesetzten Materialien besteht für die Funktion des Bauelements
weitgehende Auswahlfreiheit, jedoch ist dabei die entsprechende
Kompatibilität
zu beachten beziehungsweise von Vorteil.
-
Das
Substratmaterial kann ein Trägermaterial
oder ein Halbleiterbauelement sein, das eine Schaltungsanordnung,
also eine integrierte Schaltung umfasst. Für einzelne Schritte oder für einen Großteil des
vorgeschlagenen Aufbaus können
an sich bekannte Verfahrensschritte eingesetzt werden. Wesentlich
ist jedoch stets, dass die Stapel des Mehrschichtaufbaus zumindest
zwei Metallschichten umfassen, von denen die zur Membran verlängerte Metallschicht
eine obere Schicht darstellt. Vorteilhaft sind auch die genannten
Anpass- und Passivierungsschichten, die die Eigenschaften des fertigen
Bauelements positiv beeinflussen.
-
- SU
- Substrat
- ZS1...ZS4
- Zwischenschichten
- MS1...MS4
- Metallschichten
- VS
- Verbindungsstrukturen
- MB
- Membran
- AB
- Abdeckung
- SE
- Stützelement
- MA
- Mehrschichtaufbau
- SP
- Spacer
oder seitliche Passivierung
- AS,AS'
- Anpassungsschichten
- PS,PS'
- Passivierungsschichten
- LM
- Lochmuster
- AS
- Abdeckschicht
- OS
- Opferschicht
- LS
- Luftspalt
- PM
- Photomaske
- OE
- Öffnungen
- ML
- Massenbelastung
- SK
- Schaltkontakt
- 1,2,3
- Flächenbereiche