DE102005029802A1 - Micromechanical sensor fabricating method, involves providing connecting bars between two diaphragm layers by structuring reactive layer and covering structures in reactive layer, and forming cavern under one diaphragm layer - Google Patents

Micromechanical sensor fabricating method, involves providing connecting bars between two diaphragm layers by structuring reactive layer and covering structures in reactive layer, and forming cavern under one diaphragm layer Download PDF

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Heribert Weber
Hans Artmann
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Abstract

The method involves applying diaphragm layers (110, 150) on a semiconductor substrate, and forming passage openings (120, 160) in the respective diaphragm layers (110, 150). A reactive layer (130) is applied on the diaphragm layer (110). Connecting bars (140) are provided between the diaphragm layers (110, 150) by structuring the reactive layer and covering the structures in the reactive layer by a covering material. A cavern (170) is formed under the diaphragm layer (110) by an etching process. An independent claim is also included for a micromechanical sensor comprising a diaphragm and a cavern.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einer Doppelmembran sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes mikromechanisches Bauelement nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The The invention is based on a method for producing a micromechanical Component with a double membrane and one after this process manufactured micromechanical device according to the preamble the independent one Claims.

Aus dem Stand der Technik beispielsweise aus der DE 197 10 55 9 A1 sind Verfahren zur bulk-mikromechanischen Herstellung von dünnen dielektrischen Membranen bekannt, die durch die Ätzung eines Siliziumträgers von der Rückseite erzeugt werden. Derartig hergestellte dünne, dielektrische Membranen besitzen eine gute thermische Isolation, was hinsichtlich der Leistungsaufnahme von in der Membran integrierten Heizelementen und der Messempfindlichkeit des Membransensorselements von Vorteil ist. Nachteilig wirkt sich hier jedoch die geringe mechanische Stabilität der Membran und die Einschränkungen bei der Aufbau- und Verbindungstechnik aus.From the prior art, for example, from the DE 197 10 55 9 A1 Methods are known for the bulk micromechanical production of thin dielectric membranes, which are produced by the etching of a silicon substrate from the rear side. Such thin dielectric membranes produced have good thermal insulation, which is advantageous in terms of the power consumption of membrane-integrated heating elements and the measuring sensitivity of the membrane sensor element. The disadvantage here, however, affects the low mechanical stability of the membrane and the limitations in the construction and connection technology.

Eine Möglichkeit, Membranen mit oberflächenmikromechanischen Herstellungsverfahren zu erzeugen, zeigt die DE 101 14 036 A1 . In dem in dieser Schrift beschriebenen Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren wird vorgeschlagen, in einem ersten Schritt in einem Halbleitersubstrat Öffnungen einzubringen. Nach dem Einbringen der Öffnungen erfolgt eine Temperaturnachbehandlung, bei der die Öffnungen zu Hohlräumen in der Tiefe des Substrats umgewandelt werden.One way to produce membranes with surface micromechanical manufacturing process, shows the DE 101 14 036 A1 , In the method for producing micromechanical sensors described in this document, it is proposed to introduce openings in a semiconductor substrate in a first step. After the openings have been introduced, a temperature aftertreatment takes place in which the openings are converted into cavities in the depth of the substrate.

Aus der nicht vorveröffentlichten Schrift DE 10 2005 00 754 0 A1 ist die Herstellung eines mikromechanischen Membransensors mit einer Doppelmembran bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein mikromechanischer Membransensor hergestellt, der eine erste Membran und eine im Wesentlichen über der ersten Membran liegende zweite Membran aufweist. Zwischen den beiden Membranen wird ein Hohlraum erzeugt, so dass die erste und die zweite Membran keine direkte Verbindung aufweist.From the not previously published font DE 10 2005 00 754 0 A1 the production of a micromechanical membrane sensor with a double membrane is known. In this method, a micromechanical membrane sensor is produced which has a first membrane and a second membrane lying substantially above the first membrane. A cavity is created between the two membranes so that the first and second membranes have no direct connection.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einer Membran und einer Kaverne bzw. ein durch dieses Verfahren hergestelltes mikromechanisches Bauelement beschrieben. Zur Herstellung des Bauelements sind dabei die Verfahrensschritte

  • – Ausbringen einer ersten Membranschicht auf ein (Halbleiter-)Substrat
  • – Erzeugen wenigstens einer ersten Durchgangsöffnung in der ersten Membranschicht und
  • – Aufbringen einer Opferschicht auf die erste Membranschicht und
  • – Aufbringen einer zweiten Membranschicht und
  • – Erzeugen wenigstens einer zweiten Durchgangsöffnung in der zweiten Membranschicht
  • – Erzeugen von Verbindungsstegen zwischen der ersten und der zweiten Membranschicht und
  • – Erzeugen einer Kaverne unterhalb der ersten Membranschicht durch einen Ätzprozess
vorgesehen.The present invention describes a method for producing a micromechanical component with a membrane and a cavity or a micromechanical component produced by this method. For the production of the device are the process steps
  • - Applying a first membrane layer on a (semiconductor) substrate
  • - Producing at least a first passage opening in the first membrane layer and
  • - Applying a sacrificial layer on the first membrane layer and
  • - Applying a second membrane layer and
  • - Producing at least one second passage opening in the second membrane layer
  • - Creating connecting webs between the first and the second membrane layer and
  • - Generating a cavern below the first membrane layer by an etching process
intended.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Verbindungsstege zwischen den beiden Membranschichten durch eine Strukturierung der Opferschicht und einer Verfüllung der so erzeugten Strukturen hergestellt werden. Der Vorteil bei einer derartigen Realisierung einer miteinander verbundenen Doppelmembran besteht darin, dass diese Doppelmembran eine erhöhte mechanische Stabilität aufweist.Of the Essence of the invention is that the connecting webs between the two membrane layers by structuring the sacrificial layer and a backfilling the structures thus produced are produced. The advantage with Such a realization of an interconnected double membrane is that this double membrane has an increased mechanical stability.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Material der Opferschicht zwischen der ersten und der zweiten Membranschicht im Bereich oberhalb der Kaverne weitestgehend entfernt wird. Optional kann weiterhin vorgesehen sein, dass durch das Entfernen des Materials der Opferschicht wenigstens ein Hohlraum zwischen der ersten und der zweiten Membranschicht erzeugt wird. Durch einen derartigen Aufbau einer Doppelmembran, die durch Verbindungsstege verbunden und zwischen denen idealerweise, jedoch nicht zwingend, ein luftleerer Raum besteht, kann eine Membran mit erhöhter mechanischer Stabilität und hoher thermischer Isolation erzeugt werden. Bei dem Entfernen des Materials der Opferschicht ist insbesondere vorgesehen, dass dieses durch eine erste Durchgangsöffnung in der ersten Membranschicht bzw. zweite Durchgangsöffnung in der zweiten Membranschicht erfolgt. Optional kann auch vorgesehen sein, dass mehrere Hohlräume zwischen der ersten und der zweiten Membranschicht erzeugt werden, deren laterale bzw. seitliche Ausdehnung von den Verbindungsstegen begrenzt werden. Durch die erste Durchgangsöffnung in der ersten Membranschicht kann ein Ätzangriff auf das Substrat erfolgen.In A particular embodiment of the invention is provided that the material of the sacrificial layer between the first and the second Membrane layer in the area above the cavern removed as far as possible becomes. Optionally, it can furthermore be provided that by removal the material of the sacrificial layer at least one cavity between the first and second membrane layer is generated. Through a Such a construction of a double membrane by connecting webs between and ideally between, but not necessarily, an evacuated space can be a membrane with increased mechanical stability and high thermal insulation. When removing the material of the sacrificial layer is provided in particular that this through a first passage opening in the first membrane layer or second passage opening takes place in the second membrane layer. Optionally, it can also be provided that several cavities be produced between the first and the second membrane layer, whose Lateral or lateral extent bounded by the connecting webs become. Through the first passage opening in the first membrane layer can an etching attack done on the substrate.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strukturen in der Opferschicht durch eine Oxidation oder durch ein zusätzliches Einbringen von Verfüllungsmaterial verfüllt werden.In a development of the invention is provided that the structures in the sacrificial layer by oxidation or by an additional Introduction of filling material filled become.

Nach der Erzeugung der Kaverne kann vorgesehen sein, die zweite Durchgangsöffnung zu verschließen.To the generation of the cavern can be provided, the second passage opening to close.

Vorteilhafterweise wird die zweite Membranschicht und/oder die Opferschicht vor Aufbringung der zweiten Membranschicht planarisiert. Durch diesen Planarisierungsschritt kann die Membranoberfläche mit einer ebenen Oberflächenstruktur hergestellt werden, so dass weitere Schichten auf der Membran definierter abgeschieden werden können.advantageously, is the second membrane layer and / or the sacrificial layer before application of the planarized second membrane layer. Through this planarization step can the membrane surface with a flat surface structure be prepared so that more layers defined on the membrane can be separated.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Material der Opferschicht und das Material des Substrats durch einen Gasphasenätzprozess herausgelöst wird. Als möglicher Gasphasenätzprozess ist dabei ein ClF3-Ätzprozess vorgesehen.In a further embodiment of the invention it is provided that the material of the sacrificial layer and the material of the substrate is dissolved out by a gas phase etching process. As a possible Gasphasenätzprozess while a ClF 3 Ätzprozess is provided.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Substrat ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, aufweist. Für die erste und/oder die zweite Membranschicht ist optional Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid und/oder ein anderes dielektrisches Material vorgesehen. Alternativ kann für die erste und/oder zweite Membranschicht auch ein Schichtstapel bestehend aus einem Dielektrikum/Silizium/Dielektrikum eingesetzt werden, bei dem darauf zu achten ist, dass im Bereich der Ätzzugänge kein offen liegendes Silizium vorhanden ist. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass wenigstens eine der beiden Membranschichten eine Kombination aus den genannten Materialien aufweist. Vorteilhafterweise hat sich als Opferschicht Polysilizium als geeignet erwiesen. Für die Verfüllung der Strukturen in der Opferschicht ist als Verfüllungsmaterial Siliziumoxid, Siliziumnitrid, ein dielektrisches Material und/oder Silizium vorgesehen.In A development of the invention is provided that the substrate a semiconductor material, in particular silicon. For the first and / or the second membrane layer is optionally silicon, silicon oxide, silicon nitride and / or another dielectric material. Alternatively, you can for the first and / or second membrane layer and a layer stack consisting be used from a dielectric / silicon / dielectric, in which care must be taken that in the area of the Ätzzugänge no there is open silicon. In addition, can also be provided be that at least one of the two membrane layers a combination comprising the materials mentioned. Advantageously, it has As a sacrificial layer polysilicon proved to be suitable. For the backfilling of Structures in the sacrificial layer is silicon oxide as filling material, Silicon nitride, a dielectric material and / or silicon provided.

Vorteilhafterweise sind die beiden Membranschichten aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Verbindungsstege aus einem Isolationsmaterial bestehen.advantageously, the two membrane layers are made of an electrically non-conductive material. Alternatively, it can also be provided that the connecting webs consist of an insulating material.

Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass der durch das Herauslösen des Materials der Opferschicht erzeugte, wenigstens eine Hohlraum zwischen der ersten und der zweiten Membranschicht in lateraler Ausdehnung durch einen Verbindungssteg begrenzt wird. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass dieser Verbindungssteg eine zusammenhängende Struktur oberhalb der Kaverne darstellt, wobei in einer weiteren Ausgestaltung auch eine Lage außerhalb des Kavernenbereichs denkbar ist.advantageously, it is envisaged that by the dissolution of the material of the sacrificial layer generated, at least one cavity between the first and the second Membrane layer limited in lateral extent by a connecting web becomes. It is provided in particular that this connecting web a coherent one Structure above the cavern represents, where in another Design also a location outside the cavern area is conceivable.

Weiterhin ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, die Durchgangsöffnungen bzw. den Ätzzugang zur Kaverne in den Membranschichten erst nach der Erzeugung des Schichtstapels aus ersten Membranschicht, Opferschicht und zweiter Membranschicht zu bilden. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Verbindungsstege vor, während oder nach der Erzeugung der Durchgangsöffnungen bzw. des Ätzzugangs erzeugt werden.Farther is provided in one embodiment of the invention, the passage openings or the etching access to the cavern in the membrane layers only after the generation of the Layer stack of first membrane layer, sacrificial layer and second membrane layer to build. It can be provided in particular that the connecting webs before, while or after the production of the passage openings or the Ätzzugangs be generated.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.Further Benefits emerge from the following description of exemplary embodiments or from the dependent ones Claims.

Zeichnungendrawings

In den 1a bis 1d ist schematisch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren dargestellt. Die 2a, 2b, 3a, 3b, 4a und 4b zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten mikromechanischen Bauelements. In den 5a bis 5d ist ein spezielles Verfahren zur Reduzierung bzw. zum Verschließen eines Ätzzugangs dargestellt.In the 1a to 1d is schematically illustrated the manufacturing method according to the invention. The 2a . 2 B . 3a . 3b . 4a and 4b show different embodiments of a micromechanical device produced by the method according to the invention. In the 5a to 5d a special method for reducing or closing an etch access is shown.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements ist vorgesehen, auf ein Halbleitersubstrat 100 eine erste Membranschicht 110 aufzubringen. Im Folgenden soll davon ausgegangen werden, dass das Substrat 100 aus Silizium besteht, wobei durchaus auch andere Halbleitermaterialien verwendet werden können. Die erste Membranschicht 110 kann dabei aus einer Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid/Siliziumnitrid/Siliziumoxid oder einer weiteren Kombinationen dieser oder anderer dielektrischer Schichten bestehen. Alternativ kann für die erste und/oder zweite Membranschicht auch ein Schichtstapel bestehend aus einem Dielektrikum/Silizium/Dielektrikum eingesetzt werden.To produce a micromechanical component according to the invention, provision is made for a semiconductor substrate 100 a first membrane layer 110 applied. In the following, it should be assumed that the substrate 100 is made of silicon, although quite other semiconductor materials can be used. The first membrane layer 110 may consist of a silicon oxide, silicon nitride, silicon oxide / silicon nitride / silicon oxide or a further combination of these or other dielectric layers. Alternatively, a layer stack consisting of a dielectric / silicon / dielectric can also be used for the first and / or second membrane layer.

In die erste Membranschicht 110 wird, wie in 1a gezeigt, wenigstens eine Öffnung 120 geätzt, durch die zu einem späteren Zeitpunkt ein Ätzangriff auf das Substrat 100, beispielsweise durch ClF3, erfolgen kann.In the first membrane layer 110 will, as in 1a shown at least one opening 120 etched, by which at a later time an etching attack on the substrate 100 , For example, by ClF 3 , can be done.

Wie weiterhin in 1b dargestellt, wird auf die erste Membranschicht 110 eine Opferschicht 130 abgeschieden, beispielsweise aus Polysilizium und/oder epitaktisch aufgewachsenem Polysilizium, deren Dicke den späteren Abstand der beiden Membranschichten definiert. In die Opferschicht werden nun Strukturen 140 getrencht, welche auf der ersten Membranschicht 110 enden. Durch eine thermische Oxidation bzw. durch Abscheiden von Verfüllungsmaterial wie Siliziumoxid mittels bekannter Verfahren werden die so entstandenen Trenchgräben 140 passiviert bzw. komplett aufgefüllt. Die in den Trenchgräben entstandenen Oxidstrukturen bilden später die Verbindungsstege 140 zwischen den Membranschichten 110 und 150 sowie die Umrandung der Membranstruktur. Zusätzlich kann die verwendete Oxidschicht als Teil der zweiten Membranschicht 150 verwendet werden, welche im nächsten Prozessschritt beispielsweise ebenfalls epitaktisch, aufgebracht wird. Diese zweite Membranschicht 150 kann wiederum aus einem Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid/Siliziumnitrid/Siliziumoxid oder einer weiteren Kombinationen dieser oder anderer dielektrischer Schichten bestehen. In die zweite Membranschicht 150 werden zweite Durchgangsöffnungen 160 geätzt, welche von oben einen Ätzangriff auf die Opferschicht durch einen Gasphasenätzprozess wie ClF3 ermöglichen. Die Anzahl, Größe, Form und Verteilung der ersten und zweiten Durchgangsöffnungen 120 bzw. 160 können beliebig gewählt und auf das optimale Design der Membranstruktur abgestimmt sein.As continues in 1b is shown on the first membrane layer 110 a sacrificial layer 130 deposited, for example, polysilicon and / or epitaxially grown polysilicon whose thickness defines the later distance of the two membrane layers. In the sacrificial layer are now structures 140 trimmed, which on the first membrane layer 110 end up. By a thermal oxidation or by deposition of filling material such as silica by known methods, the resulting trenches 140 passivated or completely filled. The oxide structures formed in the trench trenches later form the connecting webs 140 between the membrane layers 110 and 150 as well as the border of the membrane structure. In addition, the oxide layer used may be part of the second membrane layer 150 used, which in the next process step, for example, also epitaxially, up is brought. This second membrane layer 150 may in turn consist of a silicon oxide, silicon nitride, silicon oxide / silicon nitride / silicon oxide or other combinations of these or other dielectric layers. In the second membrane layer 150 become second passages 160 etched, which allow an etching attack on the sacrificial layer from above by a gas phase etching process such as ClF 3 . The number, size, shape and distribution of the first and second through holes 120 respectively. 160 can be chosen arbitrarily and adapted to the optimal design of the membrane structure.

Ausgehend von dem Schichtaufbau, wie er in 1c dargestellt wird, kann der Gasphasenätzprozess derart durchgeführt werden, dass ein mikromechanisches Bauelement nach 1d erzeugt wird. Durch die zweiten Durchgangsöffnungen 160 wird in dem Gasphasenätzprozess zunächst das Material der Opferschicht 130 an den durch die Verbindungsstege 140 begrenzten Hohlräumen 180 herausgelöst. Durch eine Fortführung des Gasphasenätzprozesses erfolgt durch die erste Durchgangsöffnung 120 eine Kavernenbildung im Substrat 100. Dabei wird das Material des Halbleitersubstrats 100 durch die erste und zweite Durchgangsöffnung derart entfernt, dass eine Kaverne 170 entsteht.Starting from the layer structure, as in 1c is shown, the gas phase etching process can be performed such that a micromechanical device after 1d is produced. Through the second passage openings 160 At first, the material of the sacrificial layer is in the gas phase etching process 130 to the through the connecting webs 140 limited cavities 180 removed. By continuing the gas phase etching process takes place through the first passage opening 120 a cavitation in the substrate 100 , In this case, the material of the semiconductor substrate 100 through the first and second through-holes such that a cavern 170 arises.

In den 2 bis 5 sind verschiedene mögliche Ausgestaltungen der Verbindungsstege 140 und der ersten und zweiten Durchgangsöffnungen 120 bzw. 160 beispielhaft dargestellt. So zeigt 2a eine mögliche Ausgestaltung, bei der lediglich eine erste Durchgangsöffnung 120 in der ersten Membranschicht 110 vorgesehen ist. Durch den nachfolgenden Ätzvorgang des Gasphasenätzens befindet sich die erste Zugangsöffnung 120 mittig über der zu erzeugenden Kaverne 170. Wie im Querschnitt der 2a dargestellt, sind in der zweiten Membranschicht 150 mehrere zweite Durchgangsöffnungen 160 vorgesehen. Durch diese Öffnungen 160 wird das Opfermaterial der Opferschicht 130 entfernt, so dass Hohlräume 180 entstehen. Diese Hohlräume sind in lateraler Ausdehnung durch die Verbindungsstege 140 begrenzt. Die Begrenzung dieser Hohlräume durch die Verbindungsstege 140 ist auch in der Aufsicht in 2b zu erkennen. Während jede einzelne, durch die Verbindungsstege 140 abgetrennte Kammer eine zweite Durchgangsöffnung 160 aufweist, ist nur eine bzw. sind nur wenige erste Durchgangsöffnungen 120 in der ersten Membranschicht 110 vorgesehen.In the 2 to 5 are various possible embodiments of the connecting webs 140 and the first and second through holes 120 respectively. 160 exemplified. So shows 2a a possible embodiment in which only a first passage opening 120 in the first membrane layer 110 is provided. By the subsequent etching of the gas phase etching is the first access opening 120 in the middle above the cavern to be created 170 , As in the cross section of 2a are shown in the second membrane layer 150 several second passages 160 intended. Through these openings 160 becomes the sacrificial material of the sacrificial layer 130 removed, leaving cavities 180 arise. These cavities are in lateral extension through the connecting webs 140 limited. The limitation of these cavities through the connecting webs 140 is also in the supervision in 2 B to recognize. While each one, through the connecting bridges 140 separated chamber a second through hole 160 is only one or are only a few first through holes 120 in the first membrane layer 110 intended.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel, wie es in 3a und der Aufsicht 3b dargestellt ist, zeigt das Herauslösen des Opfermaterials zwischen der ersten Membranschicht 110 und der zweiten Membranschicht 150 von der Rückseite 300 der Doppelmembranstruktur. Die Anordnung der ersten und zweiten Durchgangsöffnungen, d.h. der Ätzzugangslöcher, wurde hierbei so gewählt, dass in der zweiten Membranschicht 150 nur einige wenige, mittig angeordnete zweite Durchgangsöffnungen 320 bestehen, durch die lokal das Opfermaterial in der Opferschicht 130 entfernt wird. Nach Entfernen des Opfermaterials unmittelbar unterhalb der zweiten Durchgangsöffnung 320 erzeugt der Gasphasenätzprozess einen Ätzangriff auf das Halbleitermaterial des Substrats 100. Bei weiterem Ätzfortschritt werden im Substrat 100 nach und nach von der Rückseite 300 der Membranstruktur die ersten Durchgangsöffnungen 310 bzw. die Ätzzugänge in der ersten Membranschicht 110 freigelegt. Durch dieses Freilegen kann ein Ätzangriff auf das Opfermaterial zwischen der ersten Membranschicht 110 und der zweiten Membranschicht 150 erfolgen.Another embodiment, as it is in 3a and the supervision 3b shows the dissolution of the sacrificial material between the first membrane layer 110 and the second membrane layer 150 from the back 300 the double membrane structure. The arrangement of the first and second through openings, ie the etching access holes, was in this case selected so that in the second membrane layer 150 only a few, centrally arranged second passage openings 320 through which locally the sacrificial material in the sacrificial layer 130 Will get removed. After removal of the sacrificial material immediately below the second passage opening 320 The gas phase etching process generates an etching attack on the semiconductor material of the substrate 100 , Upon further etching progress will be in the substrate 100 gradually from the back 300 the membrane structure, the first through holes 310 or the Ätzzugänge in the first membrane layer 110 exposed. By this exposure, an etching attack on the sacrificial material between the first membrane layer 110 and the second membrane layer 150 respectively.

Der Vorteil bei der Ausgestaltung nach 3 besteht darin, dass eine geringere Topologieausbildung auf der Membranoberseite zu erreichen ist. Dies hat Vorteile, da für geschlossene Membranen jedes Zugangsloch an der Membranoberfläche verschlossen werden muss. Da bei einem Verschluss der Zugangsöffnungen Topologieunterschiede auf der Membranoberfläche sehr störend wirken können, z.B. wenn in späteren Herstellungsschritten dünne Metallleiterbahnen auf die Membran aufgebracht werden sollen, kann dieses prozesstechnische Problem im Wesentlichen durch Ätzen des Opfermaterials von der Rückseite 300 der Membranstruktur umgangen werden.The advantage in the design after 3 is that a lower topology training on the top of the membrane can be achieved. This has advantages, since for closed membranes each access hole must be closed at the membrane surface. Since topology differences on the membrane surface can have a very disturbing effect upon closure of the access openings, eg if thin metal conductor tracks are to be applied to the membrane in later production steps, this process-related problem can be essentially achieved by etching the sacrificial material from the rear side 300 the membrane structure are bypassed.

In der Aufsicht der 3b ist zu erkennen, dass zwischen der ersten Membranschicht 110 und der zweiten Membranschicht 150 ein im Wesentlichen einziger durchgehender Hohlraum 180 erzeugbar ist, wobei einzelne Oxidsäulen 140 die Verbindung zwischen der ersten Membranschicht 110 und der zweiten Membranschicht 120 herstellen. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass am Rande des Hohlraums 180 die Oxidstrukturen 140 die laterale Ausdehnung des Hohlraums 180 in der Opferschicht 130 begrenzen.In the supervision of the 3b it can be seen that between the first membrane layer 110 and the second membrane layer 150 a substantially single continuous cavity 180 is producible, with individual oxide columns 140 the connection between the first membrane layer 110 and the second membrane layer 120 produce. In addition, it can be seen that on the edge of the cavity 180 the oxide structures 140 the lateral extent of the cavity 180 in the sacrificial layer 130 limit.

Ein Entfernen des Opfermaterials der Opferschicht 130 im Membranbereich, d.h. zwischen der ersten Membranschicht 110 und der zweiten Membranschicht 150 oberhalb der Kaverne 170 ist erforderlich, um eine gute thermische Isolation der Membran zu ermöglichen. Die dabei freigestellten Verbindungsstege 140 zwischen den beiden Membranschichten wirken versteifend und ermöglichen eine Membranstruktur mit hoher mechanischer Belastbarkeit.Removing the sacrificial material of the sacrificial layer 130 in the membrane region, ie between the first membrane layer 110 and the second membrane layer 150 above the cavern 170 is required to allow good thermal insulation of the membrane. The thereby released connecting webs 140 between the two membrane layers act stiffening and allow a membrane structure with high mechanical strength.

Den Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels zeigt 4a. Bei dieser Variante der erfindungsgemäßen Doppelmembran befinden sich die Ätzzugangslöcher, die durch die zweiten Durchgangsöffnungen 420 in der zweiten Membranschicht 150 realisiert sind am Membranrand. Die ersten Durchgangsöffnungen 410 sind dagegen eher mittig in der ersten Membranschicht 110 oberhalb der Kaverne 170 vorgesehen. Insgesamt beginnt die Ätzfront bei einer derartigen Ausgestaltung zwischen erster und zweiter Membranschicht am Membranrand, bevor sie sich weiter zwischen den Verbindungsstegen 140 hindurch in Richtung der Mitte der Membranschichten bewegt. Nachdem die Ätzfront zur ersten Durchgangsöffnung 410 gelangt ist, greift diese das Halbleitermaterial im Substrat 100 an. Durch ein derartiges Verfahren erhält man Membranen mit guter Kontrollmöglichkeit der Unterätzung im Halbleitersubstrat 100 und eine plane Oberfläche im Membranmittenbereich. In der Aufsicht der 4b ist eine weitere Möglichkeit der Anordnung der Verbindungsstege 140 dargestellt.The cross section of another embodiment shows 4a , In this variant of the double membrane according to the invention, the etching access holes are through the second through gang openings 420 in the second membrane layer 150 are realized at the edge of the membrane. The first passages 410 On the other hand, they are more in the middle of the first membrane layer 110 above the cavern 170 intended. Overall, the etching front begins in such an embodiment between the first and second membrane layer at the edge of the membrane, before they continue between the connecting webs 140 moved towards the center of the membrane layers. After the etching front to the first through hole 410 has reached, this attacks the semiconductor material in the substrate 100 at. Such a process gives membranes with good control of undercutting in the semiconductor substrate 100 and a flat surface in the membrane center region. In the supervision of the 4b is another way of arranging the connecting webs 140 shown.

Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Ausgestaltung der Verbindungsstege 140 gemäß dem Ausführungsbeispielen der 2, 3 und 4 untereinander austauschbar bzw. kombinierbar sind und weitere, nicht aufgezeigte Formen und Strukturen für die Verbindungsstege 140 möglich sind.It should be expressly understood that the configuration of the connecting webs 140 according to the embodiments of the 2 . 3 and 4 interchangeable or combinable and other, not shown forms and structures for the connecting webs 140 possible are.

Um die beschriebene Doppelmembran zu realisieren, gibt es eine Vielzahl von Designvarianten, die hier nicht abschließend behandelt werden können. Bevorzugt werden jedoch die Ätzzugänge an der Membranoberseite, d.h. die zweiten Durchgangsöffnungen 160, nach erfolgter Gasphasenätzung zur Realisierung weiterer funktioneller Schichten auf der Membran verschlossen. Die Dicke der Verschlussschicht richtet sich zum einen nach der Konformität des Schichtwachstums und zum anderen nach der Größe der Ätzöffnungen. In den 5a bis 5d wird eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Doppelmembran gezeigt, bei der der Querschnitt der Ätzzugänge durch eine thermische Oxidation stark verringert bzw. die Öffnungen ganz verschlossen werden. Wie bereits bei den 1a bis 1d beschrieben, wird zunächst auf ein Halbleitersubstrat 100 eine erste Membranschicht 110 aufgebracht. In dieser ersten Membranschicht 110 werden erste Durchgangsöffnungen 510 eingebracht, unter denen später die Kaverne 170 erzeugt wird. Auf die erste Membranschicht 110 und in die ersten Durchgangsöffnungen 510 wird eine Opferschicht 130 aus einem Opfermaterial aufgebracht. Zur Erzeugung der Strukturen 535 in der Opferschicht 130 wird eine Lack- oder Hardmaske 530 aufgebracht, die zur Definition der Strukturen 535 verwendet wird. Optional kann auch vorgesehen sein, die Lack- oder Hardmaske 530 auf die zweite Membranschicht 150 aufzubringen, so dass die Strukturen durch die zweite Membranschicht 150 hindurch getrencht werden. Dabei bilden die Trenchstrukturen 535 gleichzeitig die zweiten Durchgangsöffnungen 160 in der zweiten Membranschicht 150.To realize the double membrane described, there are a variety of design variants that can not be treated here. However, the etching accesses on the upper side of the membrane, ie the second through-openings, are preferred 160 , closed after completion of the gas phase etching for the realization of further functional layers on the membrane. The thickness of the sealing layer depends on the one hand on the conformity of the layer growth and on the other on the size of the etching openings. In the 5a to 5d a further variant of the double membrane according to the invention is shown in which the cross section of the Ätzzugänge greatly reduced by thermal oxidation or the openings are completely closed. As already with the 1a to 1d described, is first applied to a semiconductor substrate 100 a first membrane layer 110 applied. In this first membrane layer 110 become first passages 510 introduced, among which later the cavern 170 is produced. On the first membrane layer 110 and in the first passages 510 becomes a sacrificial layer 130 applied from a sacrificial material. To create the structures 535 in the sacrificial layer 130 becomes a paint or hard mask 530 applied to the definition of structures 535 is used. Optionally, also be provided, the paint or hard mask 530 on the second membrane layer 150 apply, so that the structures through the second membrane layer 150 be trimmed through. The trench structures form 535 at the same time the second through holes 160 in the second membrane layer 150 ,

Wie schon erwähnt, werden die Oxidstrukturen, bei denen z.B. eine Hardmaske zur Definition der Trenchstrukturen 535 eingesetzt wird, durch eine thermische Oxidation bzw. durch das Verfüllen mit Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Kombinationen beider Komponenten verschlossen. Sieht man nun vereinzelt breitere, wohl definierte Trenchstrukturen 520 vor, beispielsweise in der Mitte der Membran, werden diese beim Verschlussprozess nicht vollständig verschlossen. Somit kann ein mit Oxid 545 ausgekleideter Ätzzugang 520 hergestellt werden, bei dem sich zwischen der Oxidstruktur 540 und der darin befindlichen Oxidauskleidung 545 ein Ring 547 aus dem Opfermaterial, z.B. Polysilizium, befindet. Dieser kann im späteren Gasphasenätzprozess nicht angegriffen werden, da er komplett von den Oxidstrukturen 540 und 545 und der Membranschichten 110 und 150 umschlossen ist. Nach erfolgter Gasphasenätzung wird dann, beispielsweise durch eine thermische Oxidation, der Opferring aufoxidiert und der Querschnitt des Ätzzugangs 550 verringert bzw. ganz verschlossen (siehe 5d mit den Bezugszeichen 550 und 525).As already mentioned, the oxide structures, for example, a hard mask to define the trench structures 535 is used, closed by a thermal oxidation or by filling with silicon oxide, silicon nitride or combinations of both components. Occasionally, you can see wider, well-defined trench structures 520 in front, for example in the middle of the membrane, they are not completely closed during the sealing process. Thus, one with oxide 545 lined etch access 520 be prepared, in which between the oxide structure 540 and the oxide lining therein 545 a ring 547 from the sacrificial material, eg polysilicon. This can not be attacked in the later Gasphasenätzprozess, since it completely from the oxide structures 540 and 545 and the membrane layers 110 and 150 is enclosed. After the gas phase etching is then oxidized, for example, by a thermal oxidation, the sacrificial ring and the cross section of the Ätzzugangs 550 reduced or completely closed (see 5d with the reference numerals 550 and 525 ).

Wie bei jedem Herstellungsprozess, bei dem eine (thermische) Oxidation verwendet wird, ist weiter davon auszugehen, dass die Außenwand der Kaverne 170 mit einer Oxidschicht 560 bedeckt wird. Vorteilhaft wirkt sich eine thermischen Oxidation dadurch aus, dass in dem beschriebenen Verfahren der Ätzzugang 520 verengt werden kann und später abgeschiedene Schichten nicht zwingend eine gewisse Dicke haben müssen, um die Ätzzugänge verschließen zu können.As with any manufacturing process that uses (thermal) oxidation, it is further assumed that the outer wall of the cavern 170 with an oxide layer 560 is covered. A thermal oxidation advantageously has the effect that the etching access in the described method 520 can be narrowed and later deposited layers not necessarily have a certain thickness in order to close the Ätzzugänge can.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist auch denkbar, dass nach dem Auffüllen der Trenchstrukturen mit Oxid, die Oberfläche der Membran mit bekannten Verfahren planarisiert wird. Dies führt zu einer nochmaligen Verringerung der Topologie an der Membranoberfläche. Optional kann bei dieser Variante die zweite Membranschicht 150 erst später, d.h. nach der Planarisierung, aufgebracht werden.In the illustrated embodiments, it is also conceivable that after filling the trench structures with oxide, the surface of the membrane is planarized by known methods. This leads to a further reduction of the topology at the membrane surface. Optionally, in this variant, the second membrane layer 150 be applied later, ie after the planarization.

Werden zwischen der ersten und zweiten Membranschicht durch Oxidstrukturen eingeschlossene Siliziumbereiche realisiert, die keine Ätzzugänge von der Vorder- oder Rückseite besitzen, so kann bei der vorgeschlagenen Doppelmembran auch die Möglichkeit bestehen, Bereiche innerhalb der Membran zu definieren, die lokal eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit besitzen können, als der Rest der Membran.Become between the first and second membrane layers by oxide structures enclosed silicon areas realized that no Ätzzugänge of the front or back own, so in the proposed double membrane also the possibility to define areas within the membrane that are local a much higher one thermal conductivity can own as the rest of the membrane.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Durchgangsöffnungen bzw. der Ätzzugang zur Kaverne in den Membranschichten erst nach Erzeugung des Schichtstapels, bestehend aus der ersten Membranschicht, der Opferschicht und der zweiten Membranschicht erzeugt werden. Dabei kann durchaus auch vorgesehen sein, dass die Verbindungsstege vor, während oder nach der Erzeugung der Durchgangsöffnungen in den Membranschichten erzeugt werden. In einer besonderen Ausführung der Erfindung werden nur diejenigen Durchgangsöffnungen nach Erzeugung des Schichtstapels erzeugt, die durch beide Membranschichten gehen und zur Herauslösung des Substratmaterials zur Bildung der Kaverne dienen.In a further embodiment, it is provided that the passage openings or the etching access to the cavern in the membrane layers only after the formation of the layer stack, best are generated from the first membrane layer, the sacrificial layer and the second membrane layer. It may well be provided that the connecting webs are generated before, during or after the production of the passage openings in the membrane layers. In a particular embodiment of the invention, only those passage openings are produced after the formation of the layer stack, which pass through both membrane layers and serve to dissolve out the substrate material to form the cavern.

Claims (11)

Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einer Membran und einer Kaverne, wobei zur Herstellung des Bauelements die Verfahrensschritte – Aufbringen einer ersten Membranschicht (110) auf ein Substrat (100), und – Erzeugen wenigstens einer ersten Durchgangsöffnung (120, 310, 410) in der ersten Membranschicht (110), und – Aufbringen einer Opferschicht (130) auf die erste Membranschicht (110), und – Aufbringen einer zweiten Membranschicht (150), und – Erzeugen wenigstens einer zweiten Durchgangsöffnung (160, 320, 420, 520) in der zweiten Membranschicht (150), und – Erzeugen von Verbindungsstege (140, 540) zwischen der ersten und der zweiten Membranschicht, und – Erzeugen der Kaverne (170) unterhalb der ersten Membranschicht (110) durch einen Ätzprozess, vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstege (140) durch eine Strukturierung der Opferschicht (130) und eine Verfüllung der Strukturen erzeugt werden.Method for producing a micromechanical component having a membrane and a cavern, wherein for the production of the component the method steps - application of a first membrane layer ( 110 ) on a substrate ( 100 ), and - generating at least one first passage opening ( 120 . 310 . 410 ) in the first membrane layer ( 110 ), and - applying a sacrificial layer ( 130 ) on the first membrane layer ( 110 ), and - applying a second membrane layer ( 150 ), and - generating at least one second passage opening ( 160 . 320 . 420 . 520 ) in the second membrane layer ( 150 ), and - creating connecting bridges ( 140 . 540 ) between the first and the second membrane layer, and - generating the cavern ( 170 ) below the first membrane layer ( 110 ) are provided by an etching process, characterized in that the connecting webs ( 140 ) by structuring the sacrificial layer ( 130 ) and a backfilling of the structures are generated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Opferschicht zwischen der ersten und der zweiten Membranschicht im Bereich oberhalb der Kaverne weitestgehend entfernt wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass das Material der Opferschicht durch eine erste Durchgangsöffnung entfernt wird und/oder wenigstens ein Hohlraum (180) zwischen der ersten und der zweiten Membranschicht erzeugt wird.A method according to claim 1, characterized in that the material of the sacrificial layer between the first and the second membrane layer in the region above the cavern is largely removed, in particular provided that the material of the sacrificial layer is removed by a first passage opening and / or at least one Cavity ( 180 ) is generated between the first and second membrane layers. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen durch eine Oxidation oder durch ein Einbringen von Verfüllungsmaterial verfüllt werden.Method according to claim 1, characterized in that that the structures by an oxidation or by an introduction filled by backfill material. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder die zweiten Durchgangsöffnungen nach Erzeugung des Schichtstapels bestehend aus der ersten Membranschicht, der Opferschicht und der zweiten Membranschicht erzeugt werden, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Verbindungsstege vor, während oder nach der Erzeugung der Durchgangsöffnungen erzeugt werden.Method according to claim 1, characterized in that that the first and / or the second passage openings after the generation of the Layer stack consisting of the first membrane layer, the sacrificial layer and the second membrane layer are produced, in particular it is provided that the connecting webs before, during or after the production the passage openings be generated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erzeugen der Kaverne ein Oxidationsschritt durchgeführt wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass durch diesen Oxidationsschritt der Ätzzugang, der durch die Durchgangsöffnungen in den beiden Membranschichten gebildet wird, zur Kaverne reduziert oder verschlossen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that after generating the cavern, an oxidation step carried out is, in particular, provided that by this oxidation step the etching access, through the through holes is formed in the two membrane layers, reduced to the cavern or is closed. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Durchgangsöffnung nach Erzeugung der Kaverne verschlossen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the second passage opening closed after generation of the cavern becomes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die zweite Membranschicht und/oder – die Opferschicht vor dem Aufbringen der zweiten Membranschicht planarisiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized marked that - the second membrane layer and / or - the sacrificial layer before the Applying the second membrane layer is planarized. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Opferschicht und des Substrats durch einen Gasphasenätzprozess, insbesondere durch einen ClF3-Ätzprozess, herausgelöst wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the material of the sacrificial layer and the substrate by a Gasphasenätzprozess, in particular by a ClF 3 etching process, is dissolved out. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Substrat ein Halbleitermaterial insbesondere Silizium, und/oder – die erste und/oder die zweite Membranschicht – Siliziumoxid und/oder – Siliziumnitrid, und/oder – Silizium, und/oder – ein dielektrisches Material und/oder – die Opferschicht Polysilizium und/oder – das Verfüllungsmaterial – Siliziumoxid und/oder – Siliziumnitrid und/oder – ein dielektrisches Material und/oder – Silizium aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized marked that - the Substrate, a semiconductor material, in particular silicon, and / or - the first and / or the second membrane layer - Silicon oxide and / or Silicon nitride, and or Silicon, and or - one dielectric material and / or - The sacrificial layer polysilicon and or - the backfilling material - Silica and or - Silicon nitride and or - one dielectric material and / or - Silicon having. Mikromechanisches Bauelement, herstellbar nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Membran und einer unterhalb der Membran befindlichen Kaverne, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran oberhalb der Kaverne (170) aus zwei einzelnen Membranschichten (110, 150) besteht, die mittels Verbindungsstegen (140) verbunden und stabilisiert wird.Micromechanical component, producible according to one of claims 1 to 8, with a membrane and a cavity located below the membrane, characterized in that the membrane above the cavity ( 170 ) from two individual membrane layers ( 110 . 150 ), which by means of connecting webs ( 140 ) is connected and stabilized. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der ersten und der zweiten Membranschicht wenigstens ein Hohlraum (180) befindet, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der wenigstens eine Hohlraum in lateraler Ausdehnung durch einen Verbindungssteg begrenzt wird.Micromechanical component according to An claim 9, characterized in that between the first and the second membrane layer at least one cavity ( 180 ), wherein it is provided in particular that the at least one cavity is limited in lateral extent by a connecting web.
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