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Die
Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung, einem
mikromechanischen Sensor und einem Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen
Vorrichtung nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche.
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Es
ist beispielsweise aus der
DE
102 10 335 A1 oder aus der
DE 421 57 22 A1 ein Membransensor bekannt,
bei dem durch Abscheidung der Membranmaterialien, beispielsweise
aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Polysilizium oder aus Metallen
auf einem Siliziumwafer und anschließende lokale nass- oder trockenchemische Ätzung des
Siliziums von der Rückseite
bis zur Membran ein Sensor zur Erfassung einer Zustandsgröße eines
Fluids hergestellt wird, bei dem die Membran in Kontakt mit dem
Fluid vorgesehen ist.
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Bei
diesen Sensortypen mit einem direkten Medienkontakt, wie den eingangs
erwähnten
Luftmassesensoren oder Luftgütesensoren,
ist die Membran mit einer Dicke im Mikrometerbereich und lateralen
Dimensionen von einigen hundert Mikrometern bis zu mehreren Millimetern
direkt dem strömenden Fluid,
also z.B. dem Medium Luft, ausgesetzt, so dass trotz der Verwendung
von Filtern Partikel, wie z.B. Staub, zur Beschädigung der Membran führen können. Die
Stabilität
der Membranen gegen Partikelbeschuss wird durch die statistische
Lebensdauer in einer Luftströmung
mit einer definierten Staubmenge bestimmt. Dabei ließe sich
zwar eine Erhöhung der
Stabilität
durch Erhöhung
der Membrandicke erreichen, jedoch führt eine Erhöhung der
Dicke zur Zunahme der Wärmeleitfähigkeit
und damit zur Verschlechterung der Funktionalität des Sensors. Die in der Regel
vorhandene Vorspannung der Membran kann nicht ausreichend abgesenkt
werden, da die Membran unter allen Betriebsbedingungen im Zugspannungsbereich
bleiben muss, um ein Aufwölben zu
verhindern. Beim Stand der Technik ist die Sicherstellung der Stabilität der Membran,
beispielsweise gegenüber Überdruck
oder gegenüber
einem direkten Beschuss mit Partikeln, was z.B. im Ansaugkanal eines
Motors vorkommen kann, eine große
Herausforderung. Bedingt durch das Freilegen der Membranen durch Ätzen von
Silizium von der Rückseite
des Wafers, entstehen beim Übergang
vom Volumen-Silizium auf die Membranrückseite steile Silizium-Kanten,
welche die Einspannung der Membran definieren. Diese steilen Kanten
bewirken, dass die hochflexible Membran an einem unflexiblen, starren
Rand verankert ist. Diese Unflexibilität der Aufhängung führt bei mechanischer Belastung,
z.B. durch einen Druckstoß oder
Einschläge
von kleinen Teilchen an den Membranrändern, zu einem ungünstigen
Abknicken der Membran und im Extremfall zur Beschädigung und
zum Ausfall des ganzen Bauelements.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung,
das Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung
und der mikromechanische Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen der
nebengeordneten Ansprüche
hat demgegenüber den
Vorteil, dass die Membran eine erheblich größere Stabilität bei vorausgesetzten
gleichen sonstigen Bedingungen wie thermische Leitfähigkeit
der Membran und dergleichen gegenüber den Membransensoren des
Standes der Technik aufweist. Es ist hierdurch möglich, mikromechanische Vorrichtungen bzw.
einen mikromechanischen Sensor, insbesondere Luftmassensensor, Luftgütesensor
oder CO2-Sensor, mit einer vergrößerten Lebensdauer
herzustellen, was von großem
Vorteil ist. Besonders bevorzugt ist, dass die Membran im wesentlichen
aus einer dielektrischen Schicht, insbesondere eine aus Halbleiteroxid-
und Halbleiternitrid bestehenden Schicht, aufgebaut ist, was den
besonderen Vorteil einer geringen thermischen Leitfähigkeit
der Membran bewirkt, wodurch bei gleicher vorausgesetzter thermischer
Leitfähigkeit
die Membran vergleichsweise dick und damit mechanisch stabil und
mit einer großen Lebensdauer
ausgestattet werden kann. Es ist ferner bevorzugt, dass die Verstärkungsschicht
im wesentlichen aus vergleichsweise duktilem Material, insbesondere
Metall, vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, mit einem besonders
einfachen Herstellungsverfahren die Verstärkungsschicht in die erfindungsgemäße mikromechanische
Vorrichtung zu integrieren, so dass das Herstellungsverfahren erfindungsgemäß besonders
einfach und kostengünstig
ist. Ferner ist bevorzugt, dass eine Änderung der Dicke der Verstärkungsschicht
im Bereich des Membranrands im Vergleich zur Dicke der Membran allmählich vorgesehen
ist, was bedeutet, dass der Übergangsbereich von „keiner
Verstärkungsschicht" auf die volle Dicke der
Verstärkungsschicht
in einem Bereich erfolgt, der jedenfalls nicht deutlich kleiner
ist als die Dicke der Membran, sondern der erfindungsgemäß im Bereich der
Membrandicke liegt oder sogar deutlich größer sein kann als die Membrandicke.
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Weitere
Gegenstände
der vorliegenden Erfindung sind ein mikromechanischer Sensor mit
einer erfindungsgemäßen mikromechanischen
Vorrichtung, wobei ein solcher Sensor insbesondere als Luftmassesensor,
Luftgütesensor
oder CO2-Sensor vorgesehen ist. Weiterhin
ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
einer erfindungsgemäßen mikromechanischen
Vorrichtung, wobei besonders bevorzugt ist, dass zur Realisierung
eines vergrößerten Übergangsradius
zwischen dem Membranmaterial und dem Substratmaterial eine isotrope Ätzung des
Substratmaterials durchgeführt
wird. Besonders bevorzugt ist ferner, dass zur Herstellung der Verstärkungsschicht
diese zunächst
ganzflächig
aufgebracht und anschließend wenigstens
im Inneren der Membran im wesentlichen gemäß dem in der Halbleiter-Mikroelektronik
bekannten LOCOS-Prozess (local oxidation of silicon) umgewandelt
und entfernt wird, insbesondere mittels eines thermischen Schrittes
oxidiert und das Oxid entfernt wird. Mit diesen Maßnahmen
ist es mit besonders einfachen Mitteln und damit herstellungstechnisch
kostengünstig
möglich,
sowohl einen vergrößerten Übergangsradius
durch die isotrope Ätzung zu
erreichen, als auch eine im Vergleich zur Dicke der Membran allmählichen Übergang
von der vollen Dicke der Verstärkungsschicht
auf einen Bereich der Membran, in dem die Verstärkungsschicht nicht mehr vorhanden
ist, zu erzielen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1 einen
Querschnitt einer mikromechanischen Vorrichtung gemäß dem Stand
der Technik nach der Erzeugung der Membran durch einen anisotropen Ätzschritt,
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2 die
Vorrichtung gemäß 1 bei
mechanischer Belastung,
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3 den
Querschnitt durch eine erfindungsgemäße mikromechanische Struktur
gemäß einer
ersten Ausführungsform
nach dem abschließenden
isotropen Ätzschritt,
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4 die
Vorrichtung gemäß 3 bei
mechanischer Belastung,
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5 den
Membranrandbereich einer mikromechanischen Vorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform,
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6 eine
Vorläuferstruktur
der Vorrichtung gemäß 5,
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7 und 8 mikromechanische
Strukturen gemäß einer
dritten und vierten Ausführungsform der
Erfindung.
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In
den
1 und
2 ist eine Vorläuferstruktur
gemäß dem Stand
der Technik abgebildet, wobei in an sich bekannter Weise auf einem
Substrat
10 eine Membran
20 erzeugt wird, wobei
die Membran
20 aus einer Mehrzahl von in den
1 und
2 lediglich
angedeuteten Schichten, insbesondere dielektrischen Schichten, besteht,
wobei eine zur Freilegung der Membran
20 in das Substratmaterial
10,
insbesondere von der Rückseite
des Substratmaterials
10, eingebrachte Kaverne
11 mittels
eines nasschemischen Ätzverfahrens
hergestellt wird. Ein solches Ätzverfahren
ist aus den hiermit als Referenz eingeführten Schriften
DE 421 57 22A1 bzw.
DE 102 10 335 A1 bekannt.
Bei einem solchen Ätzverfahren
ergeben sich auf der dem Substratmaterial
10 zugewandten
Seite der Membran
20 Flanken
12 mit einer charakteristischen
Neigung von 54 ° gegenüber der
Membran
20. An der in den
1 und
2 mit
einem Pfeil und einem Kreis bezeichneten Übergangsbereich zwischen dem
Substratmaterial
10 und der Membran
20 gibt es
hierbei einen vergleichsweisen spitzen Winkel, d. h. vergleichsweise
kleine Übergangsradien
zwischen der Membran
20 und dem Substratmaterial
10.
An dieser Stelle können Kerbwirkungen
zu einem Verschleiß führen, der
sich auf die Lebensdauer der Membran
20 und damit des gesamten
Sensors bzw. der gesamten mikromechanischen Vorrichtung
1 nachteilig
auswirkt. Ein solcher mechanischer Stress ist in der
2 mittels
eines Pfeils in der Mitte der Membran
20 angedeutet. Ebenso
ist in der
2 die Reaktion der Membran
20 auf den
mechanischen Stress angedeutet, nämlich mit einem Abknicken der
vergleichsweise leicht auslenkbaren Membran
20 in ihrem
Randbereich
30.
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In
den 3 und 4 ist eine erfindungsgemäße mikromechanische
Vorrichtung 1 gemäß einer
ersten Ausführungsform
dargestellt, bei der nach dem in den 1 und 2 dargestellten
anisotropen Ätzschritt
ein nachfolgender isotroper Ätzschritt erfolgt
ist, was zu einer Abrundung des Übergangsbereichs
zwischen der Membran 20 und dem Substratmaterial 10 führt. Bei
einem in 4 angedeuteten mechanischen
Stress (Pfeil in der Mitte der Membran 20) kommt es im
Bereich des Membranrandes 30 erfindungsgemäß nicht
zu einem Knick, sondern zu einem allmählichen Übergang bzw. zu einer allmählichen
Krümmung
der Membran, so dass lokale Spannungsspitzen und damit lokale Ermüdungserscheinungen
bei lang andauerndem Betrieb bzw. Gebrauch der Membran vermieden
werden bzw. ein solcher Verschleiss hinausgezögert wird.
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Als
Substratmaterial
10 kommt erfindungsgemäß insbesondere ein Halbleitermaterial,
besonders bevorzugt Silizium, in Frage, und als Membranmaterial
20 kommt
erfindungsgemäß eine dielektrische
Membran bzw. eine Membran
20 aus dielektrischen Materialschichten
in Frage. Diese haben den Vorteil einer sehr geringen thermischen
Leitfähigkeit, was
für die
erfindungsgemäß bevorzugten
Anwendungen wie Luftmassensensoren, Luftgütesensoren und dergleichen
von besonderem Vorteil ist. Die
1 bis
4 sind
lediglich schematisch zu verstehen, wobei auf die Darstellung sämtlicher
Sensorbereiche, die beispielsweise als Widerstände einer Temperatursensierung
auf der Membran bzw. als Heizelemente auf der Membran vorgesehen
sind, entsprechend verzichtet wurde. Solche Sensorbereiche bzw.
Sensorelemente sind erfindungsgemäß auf der dem Substratmaterial
10 abgewandten
Seite der Membran
20 auf dieser aufgebracht. Im Hinblick
auf weitere Details der erfindungsgemäßen mikromechanischen Vorrichtung
bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung der mikromechanischen Vorrichtung wird auf die Offenbarungen
der bereits zitierten Schriften
DE 102 10 335 A1 bzw.
DE 421 57 22 A1 verwiesen,
die hiermit als Referenz eingeführt werden.
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In
den 5 und 6 ist eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen mikromechanischen
Vorrichtung 1 dargestellt, wobei der Einfachheit halber
lediglich einer der lateralen Membranränder 30 der Membran 20 zusammen
mit einem Teil des Substratmaterials 10 dargestellt ist.
In 6 ist eine Vorläuferstruktur der in der 5 dargestellten zweiten
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen mikromechanischen
Vorrichtung 1 dargestellt. Der Aufbau von Membransensoren
in der Technologie der Siliziummikromechanik beruht im allgemeinen auf
einer definierten Abfolge von dielektrischen Schichten, z.B. Siliziumoxid
oder Siliziumnitrid. Optional kann bei der Herstellung der Membran 20 auch Silizium
und optional Materialien zur Widerstandsmessung, wie z.B. Platin,
Nickel, Polysilizium oder dergleichen, Verwendung finden. Die Schichtenabfolge
in der Membran ist zum einen bestimmt durch die Anforderung des
Produkts, beispielsweise bezüglich der
Wärmeleitfähigkeit
oder der Wärmekapazität, und zum
anderen durch die Anforderung an die mechanische Stabilität der Membran 20.
Erfindungsgemäß soll die
Stabilität
von Membranen 20 gegenüber bekannten
Membransensoren gegenüber
sowohl statischer als auch dynamischer Belastung der Membran 20 erhöht werden.
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Bei
der zweiten Ausführungsform
der mikromechanischen Vorrichtung 1, wie sie in 5 abgebildet
ist, umfasst die Membran 20 beispielhaft eine Abfolge aus
einer ersten Schicht 21 aus Siliziumnitrid, einer zweiten
Schicht 22 aus Siliziumoxid, einer dritten Schicht 23 aus
Siliziumnitrid und einer vierten Schicht 24 aus Siliziumoxid.
Im Randbereich 30 der Membran 20 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist
es nun gemäß der zweiten
Ausführungsform
vorgesehen, dass zwischen der ersten Schicht 21 und der
zweiten Schicht 22 eine Verstärkungsschicht 31 eingeführt ist,
die erfindungsgemäß insbesondere aus
Polysilizium besteht. Selbstverständlich ist es erfindungsgemäß möglich, dass
die Schichten 21 bis 24 aus anderen Materialien
bestehen bzw. dass anstelle von vier Schichten lediglich drei Schichten
vorgesehen sind bzw. dass die Verstärkungsschicht 31 nicht
zwischen der ersten und zweiten Schicht 21, 22, sondern
zwischen der zweiten und dritten 22, 23 oder zwischen
der dritten und vierten Schicht 23, 24 oder sowohl
zwischen der zweiten und dritten als auch zwischen der dritten und
vierten Schicht angeordnet ist.
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In 6 ist
die Vorläuferstruktur
zur Herstellung der zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt.
Auf die erste Schicht 21 wird ganzflächig die Verstärkungsschicht 31 beispielhaft
in Polysilizium aufgebracht. Anschließend wird eine Maskierungsschicht 26 aufgebracht, die
lediglich den Randbereich 30 der Membran 20 abdeckt.
In einem nachfolgenden thermischen Schritt wird der nicht von der
Maskenschicht 26 abgedeckte Bereich der Verstärkungsschicht 31,
beispielsweise thermisch oxidiert (beispielsweise mittels des sogenannten
LOCOS-Prozesses). Anschließend
wird mittels Ätzverfahren
sowohl die Maskierungsschicht 26, die beispielsweise aus
Siliziumnitrid besteht, als auch der oxidierte Bereich 27 bzw.
das Oxid 27 weggeätzt,
so dass auf der ersten Schicht 21 der Membran 20 lediglich
noch die Verstärkungsschicht 31 verbleibt,
worauf die zweite, dritte und vierte Schicht 22, 23, 24 der
Membran 20 abgeschieden werden kann. Hierbei bildet der
oxidierte Bereich 27 in der in 6 abgebildeten
Vorläuferstruktur
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 einen
sogenannten inversen Vogelschnabel (vgl. den Pfeil mit dem Bezugszeichen
S in der 6), wodurch ein allmählicher Übergangsbereich 33 gebildet
wird, in welchem die Dicke der Verstärkungsschicht 31 von
ihrer maximalen Dicke 32 auf null zurückgeht. Dieser Übergangsbereich 33 weist
erfindungsgemäß eine Ausdehnung
in lateraler, d. h. in Richtung der Ebene der Membran 20 verlaufenden,
Richtung auf, die zumindest nicht wesentlich geringer als die Dicke
der Membran 20 ist. Der Übergangsbereich 33 entspricht
daher zumindest einem Drittel der Membrandicke, bevorzugt jedoch
wenigstens die Membrandicke oder sogar ein vielfaches der Membrandicke.
Hierdurch kommt es im Bereich der Verstärkungsschicht 31 nicht
zu abrupten Dickenänderungen
des Materials, so dass sich mechanischer Stress, der im Randbereich 30 in
die Membran 20 eingekoppelt wird, über einen größeren lateralen
Bereich der Membran 20 verteilt und somit die Lebensdauer
der Membran 20 erhöht.
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In
den 7 und 8 ist eine dritte Ausführungsform
bzw. eine vierte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen mikromechanischen
Vorrichtung 1 dargestellt, wobei wiederum auf dem Substratmaterial 10 die
Membran 20 vorgesehen ist, wobei die Membran 20 eine
Funktionsschicht 25 aufweist ist, in welcher sich die Sensorbereiche
des Membransensors, d. h. beispielsweise die Heizelemente oder die Temperatursensoren
oder dergleichen, befinden. Die Funktionsschicht 25 ist
oberhalb einer mit dem Bezugszeichen 29 versehenen sogenannten ONO-Schicht
(Oxid-Nitrid-Oxid-Schicht), beispielsweise einer Kombination aus
mehreren Schichten ähnlich
der zweiten, dritten und vierten Schicht 22, 23, 24 vorgesehen,
wobei die ONO-Schicht Teil der Membran 20 ist.
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Auf
der Funktionsschicht 25 der Membran 20 ist bei
der dritten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 (7)
eine Passivierungsschicht 34 und die Verstärkungsschicht 31 im
Bereich des Membranrandes 30 vorgesehen, woran sich eine Deckschicht 36 der
Membran 20, insbesondere aus Siliziumoxid, anschließt.
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In
der vierten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1,
die in 8 dargestellt ist, ist auf der Funktionsschicht 25 zunächst die Deckschicht 36,
vorzugsweise aus Siliziumoxid, angeordnet und sodann im Randbereich 30 der
Membran 20 die Verstärkungsschicht 31 und
lokal darüber die
Passivierungsschicht 34 angeordnet.
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Bei
der Verstärkungsschicht 31 der
dritten und vierten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
handelt es sich erfindungsgemäß insbesondere
um ein Metall, bevorzugt um Aluminium, die Randverstärkungen
im Bereich des Membranrandes 30 realisiert. In diesen Ausführungsformen der
Verstärkungsschicht 31 ist
es möglich,
abruptere Übergänge der
Dicke 32 der Verstärkungsschicht 31 (als
bei der zweiten Ausführungsform)
zu akzeptieren, weil die vergleichsweise große Duktilität des Materials der Verstärkungsschicht 31,
insbesondere Metall, dafür
sorgt, dass Spannungen im Bereich des Membranrandes 30,
die durch auftreffende Fluidpartikel hervorgerufen werden, weitgehend
abgefedert werden.
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Ein
nachfolgender isotroper Ätzschritt
kann weiterhin dafür
sorgen, dass im Bereich des Übergangs
zwischen dem Substratmaterial 10 und der Membran 20 die Übergangsradien 35 vergrößert werden.