DE102005055478A1

DE102005055478A1 - Mikromechanische Struktur zum Empfang und/oder zur Erzeugung von akustischen Signalen, Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur und Verwendung einer mikromechanischen Struktur

Info

Publication number: DE102005055478A1
Application number: DE200510055478
Authority: DE
Inventors: Dietmar Krieg; Jochen Zöllin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-11-22
Filing date: 2005-11-22
Publication date: 2007-05-24

Abstract

Es wird eine mkromechanische Struktur, ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur und eine Verwendung einer mikromechanischen Struktur vorgeschlagen, wobei die mikromechanische Struktur zum Empfang und/oder zur Erzeugung von akustischen Signalen in einem die Struktur zumindest teilweise umgebenden Medium vorgesehen ist, wobei die Struktur eine im wesentlichen geschlossene und im wesentlichen eine erste Seite der Struktur bildende Membran aufweist, wobei die Struktur ein Gegenelement aufweist, wobei die Struktur ein eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite bildendes, im wesentlichen geschlossenes Substrat aufweist und wobei das Gegenelement zwischen der Membran und dem Substrat vorgesehen ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Struktur zum Empfang und/oder zur Erzeugung von akustischen Signalen in einem die Struktur zumindest teilweise umgebenden Medium gemäß der Gattung des Anspruchs 1.

Aus der US-Patentanmeldung US 2002/0151100 A1 geht ein monolitisch integrierter Drucksensor mit einer Mikrofonkavität hervor, wobei eine Rückplatte oberhalb einer in einer mittleren Ebene befindlichen akustischen Membran angeordnet ist, wobei die Membran oberhalb einer Kavität angeordnet ist, wobei die Kavität nach unten hin durch ein Substrat abgeschlossen wird. Hierbei ist es nachteilig, dass aufgrund der innenliegenden, akustischen Membran eine vergleichsweise hohe Dämpfung hervorgerufen wird, die mit einer vergleichsweise geringen akustischen Empfindlichkeit verbunden ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur zum Empfang und/oder zur Erzeugung von akustischen Signalen in einem die Struktur zumindest teilweise umgebenden Medium bzw. das Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur bzw. die Verwendung einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche hat dem gegenüber den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln eine Verbesserung der akustischen Eigenschaften der mikromechanischen Struktur möglich ist und dennoch die mikromechanische Struktur mittels vergleichsweise einfacher und robuster Herstellungsverfahren herstellbar ist.

Besonders bevorzugt ist, dass zwischen dem Membran und dem Gegenelement eine erste Kavität ausgebildet ist und dass zwischen dem Gegenelement und dem Substrat eine zweite Kavität ausgebildet ist bzw. dass das Gegenelement im Vergleich zur Membran eine um ein Mehrfaches größere Masse aufweist. Hierdurch ist es möglich, dass mit einfachen Mitteln eine weitere Verbesserung der akustischen Eigenschaften der mikromechanischen Struktur möglich ist. Alternativ zu einer im Vergleich zur Masse der Membran großen Masse des Gegenelements ist es zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften der mikromechanischen Struktur auch möglich, die Zugspannung in dem Gegenelement zu erhöhen.

Ferner ist bevorzugt, dass die mikromechanische Struktur zusammen mit einer elektronischen Schaltung monolithisch integriert vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, mittels einer s. g. Ein-Chip-Lösung eine komplette Einheit aus einer mikromechanischen Struktur zur Wandlung zwischen einem akustischen Signal und einem elektrischen Signal sowie einer elektronischen Schaltung zur Auswertung bzw. zur Bereitstellung der elektronischen Signale zusammenzufassen und hinsichtlich der Produktionskosten sowie hinsichtlich der Aufbau- und Verbindungstechnik besonders effizient einzusetzen.

Ferner ist bevorzugt, dass die Membran und das Gegenelement im wesentlichen aus Halbleitermaterial hergestellt vorgesehen ist, bevorzugt aus polykristallinem Halbleitermaterial. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass die akustischen Eigenschaften dem mikromechanischen Struktur insofern optimiert werden können, als lediglich in den Bereichen, in denen tatsächlich eine Elektrodenstruktur ausgebildet sein muss, eine Dotierung bzw. eine Metallisierung des Halbleitermaterials vorgenommen wird, so dass die Elektrodenstruktur realisiert werden kann.

Besonders bevorzugt ist es ferner, dass die Tiefe der zweiten Kavität in der Größenordnung der Tiefe des Substrats vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, dass Rückvolumen in der zweiten Kavität direkt unter der Rückplatte bzw. direkt unter dem Gegenelement unter Ausnutzung der gesamten Waferdicke zur realisieren. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass die gesamte Waferdicke mit einer Funktionalität belegt ist. Dies bringt es ferner mit sich, dass die mikromechanische Struktur ganz besonders miniaturisiert realisierbar ist.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur, wobei zur Herstellung der zweiten Kavität eine erste Opferschicht entweder auf ein Rohsubstrat strukturiert aufgebracht wird oder in das Rohsubstrat strukturiert eingebracht wird und eine erste Vorläuferstruktur erhalten wird, wobei anschließend zur Herstellung des Gegenelements eine erste Epitaxieschicht, zur Herstellung der ersten Kavität eine zweite Opferschicht und zur Herstellung der Membran eine zweite Epitaxieschicht auf die erste Vorläuferstruktur aufgebracht werden, wobei anschließend eine Ätzung der ersten und/oder der zweiten Opferschicht derart erfolgt, dass das Ätzmedium entweder durch die erste Kavität hindurch zur zweiten Kavität oder durch die zweite Kavität hindurch zur ersten Kavität geführt wird. Hierdurch in vergleichsweise besonders einfacher Weise möglich, die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur in einem Substratmaterial eines Rohwavers zu realisieren.

Besonders bevorzugt ist, dass nach der Herstellung der mikromechanischen Struktur eine elektronische Schaltung monolitisch integriert mit der mikromechanischen Struktur hergestellt wird, wobei die elektronische Schaltung entweder auf der ersten Seite oder auf der zweiten Seite angeordnet ist. Durch die monolitische Integration der elektronischen Schaltung ist es möglich, eine komplette Sensoreinheit bzw. eine komplette Mikrofoneinheit einstückig zu realisieren.

Besonders bevorzugt ist, dass Herstellung der mikromechanischen Struktur lediglich von der ersten Seite auszuführende Vorderseitenprozesse verwendet werden. Dies erleichtert die Handhabung bei der Herstellung der mikromechanischen Struktur und bewirkt somit, dass die Herstellung der mikromechanischen Struktur kostengünstiger erfolgen kann.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen
1 bis 5 schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur bzw. Vorläuferstrukturen der mikromechanischen Struktur während ihres Herstellungsverfahrens,
6 eine schematische Darstellung einer Aufbausituation der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur als SMD-Bauelement,
7 bis 10 schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur bzw. Vorläuferstrukturen während des Herstellungsprozesses der zweiten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur.
In den 1 bis 5, die im Folgenden gemeinsam beschrieben werden, ist eine erfindungsgemäße mikromechanische Struktur 10 gemäß einer ersten Ausführungsform bzw. Vorläuferstrukturen der mikromechanischen Struktur zur Darstellung des Herstellungsverfahrens der mikromechanischen Struktur 10 dargestellt.
Im unteren Teil der 1 ist eine Schnittdarstellung quer zur Haupterstreckungsebene (Substratebene) der mikromechanischen Struktur dargestellt. Im oberen Teil der 1 ist eine Draufsicht auf die mikromechanische Struktur 10 dargestellt. Erfindungsgemäß weist die mikromechanische Struktur 10 eine Membran 20, ein Gegenelement 30 und ein Substrat 40 auf. Zwischen der Membran 20 und dem Gegenelement 30 befindet sich eine erste Kavität 25. Zwischen dem Gegenelement 30 und dem Substrat 40 befindet sich eine zweite Kavität 35. Bei der ersten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 10 ist es vorgesehen, dass keinerlei Rückseitenprozesse zur Herstellung der mikromechanischen Struktur 10 notwendig sind. Die Membran 20 ist im wesentlichen durchgängig vorgesehen (d.h. sie weist keine oder nur zum Druckausgleich vorgesehene Löcher bzw. Öffnungen auf) und bildet eine erste Seite 11 der Struktur 10. Die Membran 20 ist beispielsweise etwa 0,5 μm hoch bzw. dick ausgeführt. Die erste Kavität 25 ist beispielsweise etwa 1 μm hoch ausgeführt. Das Gegenelement 30 ist beispielsweise etwa 3 μm hoch bzw. dick ausgeführt. Die zweite Kavität 35 ist beispielsweise etwa 3 μm hoch ausgeführt. Das Substrat 40 bildet eine zweite Seite 12 der Struktur 10, wobei die zweite Seite 12 gegenüberliegend zur ersten Seite 11 vorgesehen ist. Eine Dicke 40' des Substrats 40 ist im Vergleich zu einer Dicke 35' der zweiten Kavität 35 bei der ersten Ausführungsform vergleichsweise groß vorgesehen, d.h. das Substrat 40 ist erheblich dicker als die zweite Kavität 35.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der ersten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 10 ist in den 2 bis 5 mittels mehrerer Vorläuferstrukturen dargestellt. In 2 ist eine erste Vorläuferstruktur 120 der ersten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 10 dargestellt. Auf ein Rohsubstrat 100, welches im Fall der ersten Ausführungsform dem Substrat 40 (vgl. 1) entspricht und insbesondere als ein negativ dotierter Silizium-Wafer (1. Verfahrensschritt) vorgesehen ist, wird eine erste Opferschicht 110 epitaktisch oder mittels einem Abscheidungsverfahren, beispielsweise CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition), insbesondere mittels eines sogenannten PECVD-Verfahrens (Plasma enhanced Chemical Vapour Deposition) aufgebracht (2. Verfahrensschritt) und strukturiert (3. Verfahrensschritt). Die Dicke der ersten Opferschicht 110 beträgt insbesondere etwa 3 μm bis etwa 5 μm. Nach der Strukturierung der ersten Opferschicht 110 entspricht die erste Vorläuferstruktur 120 (2) der in 2 schematisch dargestellten Schnittdarstellung und der in 5 schematisch dargestellten Draufsicht. Der zentrale Bereich 112 der Opferschicht 110 entspricht im wesentlichen dem späteren Membranbereich. Vom zentralen Bereich 112 gehen im dargestellten Beispiel vier Hilfsstrukturen 111 aus, die in einem nachfolgend durchzuführenden Opferschichtätzprozess entfernt werden, um den Zugang zur zweiten Kavität 35 zu ermöglichen (s. unten). Die erste Opferschicht 110 ist erfindungsgemäß beispielsweise aus einem Siliziumgermaniummaterial (SiGe-Material) oder auch aus einem Siliziumoxidmaterial hergestellt.
Nach der Aufbringung der Strukturierung der ersten Opferschicht 110 ist es bei der ersten Ausführungsform vorgesehen, eine erste Epitaxieschicht 130 aus monokristallinem bzw. polykristallinem Silizium aufzubringen (4. Verfahrensschritt), was in 3 dargestellt ist. Hierbei ist das Epitaxieverfahren beispielsweise derart vorgesehen, dass in dem Bereich oberhalb des Rohsubstrats 100, welches insbesondere als ein negativ dotierter Siliziumwafer vorgesehen ist, sich einkristallines Siliziummaterial bildet und dass sich oberhalb der ersten Opferschicht 110 polykristallines Siliziummaterial im Bereich des Gegenelements 30 bildet. Die Grenzlinie zwischen dem inneren Bereich von polykristallinem und dem äußeren Bereich von monokristallinem Siliziummaterial ist in den 1, 3 und 4 mit dem Bezugszeichen 131 bezeichnet. Die erste Epitaxieschicht 130 weist oberhalb der ersten Opferschicht 110 insbesondere eine Dicke von beispielsweise 4 μm auf und ist bevorzugt in-situ-p-dotiert.
An die Aufbringung und ggf. Planarisierung der ersten Epitaxieschicht 130 wird diese zur Bildung von Verbindungsöffnungen 132 zwischen der ersten und der zweiten Kavität 25, 35 sowie zur Bildung einer Ausnehmung für die erste Kavität 25 strukturiert. Hierbei wird bevorzugt derart vorgegangen, dass in einem ersten Ätzschritt (5. Verfahrensschritt), bevorzugt ein anisotroper Trench-Ätzschritt, die Verbindungsöffnungen 132 nicht vollständig eingebracht werden, sondern lediglich bis zu einer um etwa die Tiefe der ersten Kavität 25 reduzierten Tiefe geäzt werden, was in 3 mittels kürzeren Stichen der insgesamt gestrichelt dargestellten Verbindungsöffnungen 132 dargestellt ist. In einem zweiten Ätzschritt (6. Verfahrensschritt), bevorzugt ebenfalls ein anisotroper Trench-Ätzschritt, werden (mit einer anderen Ätzmaske) die Verbindungsöffnungen 132 zusammen mit der Ausnehmung für die erste Kavität 25 in die erste Epitaxieschicht 130 eingebracht. Anschließend daran werden sowohl die Verbindungsöffnungen 132 als auch die erste Kavität mittels einer zweiten Opferschicht 140 wieder verfüllt (7. Verfahrensschritt) und die zweite Opferschicht ggf. mittels eines chemisch-mechanischen Planarisierungsverfahren (CM-Polishing) planarisiert. Als Material für die zweite Opferschicht 140 kommt insbesondere SiGe-Material in Frage.
In 4 ist eine weitere Vorläuferstruktur der ersten Ausführungsform der mikromechanischen Vorrichtung 10 dargestellt, bei der eine zweite Epitaxieschicht 150 oberhalb der zweiten Opferschicht 140 bzw. (im wesentlichen in den Bereichen außerhalb des Membranbereichs) oberhalb der ersten Epitaxieschicht 130 aufgebracht (8. Verfahrensschritt) dargestellt ist. Auch für diese zweite Epitaxieschicht 150 gilt, dass sie oberhalb der zweiten Opferschicht 140 im wesentlichen polykristallin und oberhalb von einkristallinen Bereichen der ersten Epitaxieschicht 130 im wesentlichen einkristallin ausgebildet ist.
Zur Fertigstellung der mikromechanischen Struktur 10 ist es weiterhin bei der zweiten Ausführungsform vorgesehen, dass eine, jedoch bevorzugt mehrere, Zugangsöffnungen 113 von der Oberfläche der erhaltenen Vorläuferstruktur bis zur ersten Opferschicht 110 eingebracht werden (14. Verfahrensschritt). Anschließend wird mittels eines geeigneten Ätzmediums (Ätzung des Materials einer oder mehrerer Opferschichten selektiv gegen die restlichen Materialien) oder mittels mehrerer, ggf. in mehreren auszuführenden Schritten zu verwendender, Ätzmedien eine Ätzung der ersten Opferschicht 110 zur Bildung der zweiten Kavität 35 und einer Ätzung der zweiten Opferschicht 140 zur Bildung der ersten Kavität 25 durchgeführt (15. Ver fahrensschritt). Hierbei werden die Hilfsstrukturen 111 entfernt. Bei der Entfernung der Opferschichten 110, 140 ist es gemäß der ersten Ausführungsform vorgesehen, dass das Ätzmedium durch die zweite Kavität 35 hindurch zur ersten Kavität 25 gelangt bzw. geführt wird. Dieser Sachverhalt ist in 4 mit mittels der Bezugszeichen 115 bzw. 145 versehenen Pfeilen schematisch dargestellt.
Zur Realisierung einer ersten Elektrodenstruktur in der Membran 20 wird eine Dotierung, bevorzugt eine n-Dotierung, in die zweite Epitaxieschicht 150 eingebracht (9. Verfahrensschritt). Dies kann innerhalb eines insbesondere nach dem 8. Verfahrensschritt (des Verfahrens zur Herstellung der mikromechanischen Struktur) durchzuführenden Verfahrens (13. Verfahrensschritt) zur Herstellung einer elektronischen Schaltung (ASIC, application specific integrated circuit) erfolgen. Zum elektrischen Anschluss des Gegenelements 30, d.h. zur Realisierung einer zweiten Elektrodenstruktur in dem Gegenelement 30 (welches aus einem in-situ-dotieren Material und damit insgesamt zur Verwendung als Elektrode vorgesehen ist) ist es vorgesehen, dass eine Öffnung 32 in der zweiten Epitaxieschicht 150 außerhalb des Bereichs der Membran 20 bis in die erste Epitaxieschicht 130 hinein eingebracht wird (10. Verfahrensschritt). Zum elektrischen Anschluss des Substrats 40, d.h. zur Realisierung einer dritten Elektrodenstruktur in dem Substrat 40 (welches aus einem dotieren Material und damit insgesamt zur Verwendung als Elektrode vorgesehen ist) ist es vorgesehen, dass eine Öffnung 42 in der zweiten und ersten Epitaxieschicht 150, 130 außerhalb des Bereichs der Membran 20 bis in den Rohwafer 100 hinein eingebracht wird (11. Verfahrensschritt). Beide Öffnungen 32 bzw. 42 werden anschließend zur Bildung bzw. zur Kontaktierung der jeweiligen zweiten bzw. dritten Elektrodenstruktur 31, 41 mit einem entsprechend leitfähigen Material, etwa ein hochdotiertes Polysilizium oder auch ein Metall, aufgefüllt bzw. zumindest beschichtet (12. Vefahrensschritt). Der 10., 11. und 12. Verfahrensschritt kann auch nach dem 14. und 15. Verfahrensschritt erfolgen. Es ist weiterhin möglich, dass der 11. Verfahrensschritt ausgelassen wird – d.h. dass kein elektrischer Anschluss des Substrats 40 durch Einbringen einer in der Regel etwa 7 μm bis etwa 10 μm tiefen Öffnung 42 in der zweiten und ersten Epitaxieschicht 150, 130 bis in den Rohwafer 100 hinein eingebracht wird – und statt einer elektrischen Kontaktierung des Substrats 40 von der ersten Seite 11 her eine elektrische Kontaktierung von der Substratrückseite (zweite Seite 12) erfolgt, so dass das Substrat 40 auf ein definiertes Potential gelegt werden kann. In diesem Fall ist beispielsweise eine direkte Kontaktierung des Substrats 40 etwa zu einem SMD-Gehäuse mit Hilfe eines leitfähigen Klebstoffes möglich.
Die gemäß der ersten Ausführungsform gemäß der aufgeführten Verfahrensschritte erhaltene mikromechanische Struktur kann ausschließlich mittels Vorderseitenprozessen, d.h. solchen Verfahrensschritten, die lediglich von der ersten Seite 11 aus ausgeführt werden, realisiert werden.
Bei der Herstellung der ersten Opferschicht 110 ist es vorgesehen, diese kompressiv aufzubringen, so dass die nachfolgend aufzubringende erste Epitaxieschicht 130 zur Bildung des Gegenelements 30 in dem Sinne vorgespannt ist, dass das Gegenelement 30 gewisse Zugspannungen aufweist. Hierdurch wird das Gegenelement 30, welches im folgenden auch als sogenannte Rückplatte 30 oder auch Backplate 30 genannt wird, mechanisch steifer, was es ermöglicht, diese Backplate 30 bei gleicher mechanischer Festigkeit dünner auszubilden als im stressfreien Fall. Dies ist im Fall der ersten Ausführungsform deshalb besonders nützlich, weil eine weniger dicke zweite Opferschicht 140 zur Verfüllung der Verbindungsöffnungen 132 bzw. zur Verfüllung der ersten Kavität 25 erforderlich ist (beispielsweise etwa 3 bis 5 μm bei einer Dicke der Backplate 30 von etwa 3 μm). Ohne eine mechanisch verspannte Backplate 30 wäre diese dicker auszuführen und damit auch die zweite Opferschicht 140 in größerer Dicke (beispielsweise 10 μm) erforderlich, was nur unter erheblichem Kosten- und/oder Zeitaufwand möglich wäre.
In 6 ist eine schematische Darstellung einer Aufbausituation der ersten bzw. zweiten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 10 als SMD-Bauelement 60 gezeigt. Die mikromechanische Struktur 10 weist die Membran 20, das Gegenelement 30 und das Substrat 40 auf und ist mittels einer Verbindung 63, beispielsweise ein Klebstoff oder eine Lötverbindung, mit einem SMD-Gehäuse 61 verbunden. Diese Verbindung 63 kann auch elektrisch leitfähig gestaltet sein und zur (teilweisen) Kontaktierung der mikromechanischen Struktur 10 dienen. Das Gehäuse 61 ist mittels einer Gehäuseabdeckung 62 abgedeckt und mit der mikromechanischen Struktur 10 abgedichtet vorgesehen. Mittels Bonddrähten 64 ist die mikromechanische Struktur 10 mit dem SMD-Gehäuse 61 verbunden, welches Kontaktflächen 65 zur Verbauung, beispielsweise, auf einer Leiterplatte (nicht dargestellt) aufweist. Eine Druckausgleichsöffnung 66 im SMD-Gehäuse 61 dient dem Druckausgleich zwischen beiden Seiten der Membran 20. Eine solche Druckausgleichsöffnung 66 ist jedoch nur dann notwendig, wenn keine Druckausgleichslöcher bzw. -öffnungen in der Membran 20 vorhanden sind.
In den 7 bis 10, die im Folgenden gemeinsam beschrieben werden, ist eine erfindungsgemäße mikromechanische Struktur 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform bzw. Vorläuferstrukturen der mikromechanischen Struktur zur Darstellung des Herstellungsverfahrens der mikromechanischen Struktur 10 dargestellt.
In 7 ist eine Schnittdarstellung quer zur Haupterstreckungsebene (Substratebene) der mikromechanischen Struktur 10 dargestellt. Erfindungsgemäß weist die mikromechanische Struktur 10 auch gemäß der zweiten Ausführungsform eine Membran 20, ein Gegenelement 30 und ein Substrat 40 auf. Zwischen der Membran 20 und dem Gegenelement 30 befindet sich eine erste Kavität 25. Zwischen dem Gegenelement 30 und dem Substrat 40 befindet sich eine zweite Kavität 35. Die Membran 20 ist im wesentlichen durchgängig vorgesehen (d.h. sie weist keine oder nur zum Druckausgleich vorgesehene Löcher bzw. Öffnungen auf) und bildet eine erste Seite 11 der Struktur 10. Bei der zweiten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 10 ist das Volumen der zweiten Kavität 35 bevorzugt unter Ausnutzung der gesamten Waferdicke des Rohsubstrats 200 realisiert. Damit ist in besonderem Maße möglich, die mikromechanische Struktur 10 gemäß der zweiten Ausführungsform sehr klein und kompakt auszulegen. Die Dicke 40' des Substrats 40 ist daher im Vergleich zu der Dicke 35' der zweiten Kavität 35 bei der zweiten Ausführungsform ungefähr in der gleichen Größenordnung, d.h. das Substrat 40 ist nicht erheblich dicker als die zweite Kavität 35.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der zweiten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 10 ist in den 8 bis 10 mittels mehrerer Vorläuferstrukturen dargestellt. In 8 ist eine erste Vorläuferstruktur 220 der zweiten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 10 dargestellt. In ein Rohsubstrat 200, welches im Fall der zweiten Ausführungsform nicht dem Substrat 40 (vgl. 7) entspricht, sondern größer bzw. dicker ist als das Substrat 40, wird eine erste Opferschicht 210 eingebracht und strukturiert (1. bis 5. Verfahrensschritt). Hierzu werden zunächst mittels eines anisotropen Trench-Ätzprozesses erste Trench-Ausnehmungen 211 in das Rohsubstrat 200 eingebracht (1. Verfahrensschritt).
Anschließend werden die Wände und Stirnseiten der ersten Trench-Ausnehmungen 211 bis zu einer gewissen Dicke und bevorzugt mittels eines Waferoxidationsverfahrens derart oxidiert (2. Verfahrensschritt), dass die entstehende Oxidschichten 213 eine ausreichende Stabilität für die weiteren Verfahrensschritte aufweisen. Mittels zweier weiterer Ätzschritte werden zunächst oberhalb der zwischen den ersten Trench-Ausnehmungen 211 stehen bleibenden Strukturen 215 (beispielswiese Wabenstrukturen) des Rohwafers 200 Öffungen 214 durch die mittels der Waferoxidation aus dem 2. Verfahrensschritt hergestellte Oxidschicht 213 erzeugt (3. Verfahrensschritt) und nachfolgend die derart geöffneten und seitlich jeweils durch eine der ersten Trench-Ausnehmungen 211 begrenzten Strukturen 215 innen so geätzt (4. Verfahrensschritt), dass lediglich die Oxidschicht 213 stehen bleibt. Nachfolgend wird im 5. Verfahrensschritt eine weitere Oxidschicht 216 derart aufgebracht, dass die Öffnungen 214 verschlossen werden. Bei dem Rohwafer 200 handelt es sich insbesondere um einen positiv dotierten Silizium-Wafer. Bei den Oxidschichten 213, 216 handelt es sich daher insbesondere um Siliziumoxid. Beim 3. Verfahrensschritt wird eine strukturierte Ätzung mit einem für Siliziumoxid effektiven Ätzmedium durchgeführt. Beim 4. Verfahrensschritt wird eine Ätzung mit einem für Silizium gegenüber Siliziumoxid selektiven Ätzmedium verwendet. Die Tiefe der ersten Opferschicht 210 kann einen wesentlichen Teil der Dicke des Rohwafers 200 ausmachen und beispielsweise ca. 400 μm betragen und einen Durchmesser von 1 mm aufweisen.
Parallel zur Erzeugung der ersten Trench-Ausnehmungen 211 (1. Verfahrensschritt) werden erfindungsgemäß bevorzugt auch zweite Trench-Ausnehmungen 212 erzeugt, die einer Durchkontaktierung zwischen der ersten zur zweiten Seite 11, 12 der mikromechanischen Struktur dienen. Zwischen den zweiten Trench-Ausnehmungen 212 bleibt das Material des Rohsubstrats 200 stehen, weil in die Oxidschicht 213 keine den Öffnungen 214 entsprechenden Öffnungen eingebracht werden. Zur Realisierung der Durchkontaktierung wird bevorzugt die auch zwischen den zweiten Trench-Ausnehmungen entstehende Oxidschicht 216 mittels eines weiteren Ätzschrittes (vergleichbar dem 3. Verfahrensschritt) geöffnet (6. Verfahrensschritt, Öffnung 217), wodurch ein elektrisch leitender Kontakt zwischen dem Substratmaterial (insbesondere p-dotiert) des Rohwafers 200 und weiteren auf die Struktur aufzubringenden Schichten erfolgen kann.
Gemäß der zweiten Ausführungsform ist es auch möglich, dass eine „fluidische Durchkontaktierung" realisiert wird. Hierzu wird zwischen den zweiten Trench-Ausnehmungen 212 das Material des Rohsubstrats 200 im 4. Verfahrensschritt weggeätzt, um dadurch eine für das die mikromechanische Struktur 10 umgebene Medium oder Fluid durchgängige Verbindung zu realisieren. Diese Bereiche einer fluidischen Durchkontaktierung sollten von ungeätzten Bereichen des Rohwafers 200 umgeben sein, um eine hohe Stabilität zu gewährleisten, beispielsweise durch eine Wabenstruktur.
Auf die in 8 dargestellte erste Vorläuferstruktur 220 mit den teilweise „ausgeräumten" Oxidschichten 213 als erste Opferschicht 210 wird nachfolgend in einem 7. Verfahrensschritt eine erste Epitaxieschicht 230 zur Herstellung des Gegenelements 30 aufgebracht, beispielsweise mit einer Höhe von 10 μm. Dies ist in 9 dargestellt. Zur Realisierung von Verbindungsöffnungen 232 (entsprechend der Verbindungsöffnungen 132 gemäß der ersten Ausführungsform, vgl. 1) wird bezüglich der Epitaxieschicht 230 eine analoge Abfolge von Verfahrensschritten durchgeführt wie der 1. bis 4. Verfahrensschritt, nämlich ein 8. bis 11. Verfahrensschritt: Zunächst wird mittels eines anisotropen Trench-Ätzprozesses dritte Trench-Ausnehmungen 231 (beispielsweise 1 μm breit) in die erste Epitaxieschicht 230 eingebracht (8. Verfahrensschritt). Hierbei ist darauf zu achten, dass das Gegenelement 30 zusammenhängend bleibt. Dies kann beispielsweise durch ein kreisrundes Lochmuster oder durch eine Wabenstruktur (bei der nicht jede Wabe genutzt wird) realisiert werden. Anschließend werden die Wände und Stirnseiten der dritten Trench-Ausnehmungen 231 zur Erzeugung von Oxidschichten 233 oxidiert (9. Verfahrensschritt). Mittels zweier weiterer Ätzschritte werden zunächst oberhalb der zwischen den dritten Trench-Ausnehmungen 231 stehen gebliebenen Strukturen 235 (beispielsweise Wabenstrukturen) Öffungen 234 durch die mittels der Waferoxidation aus dem 9. Verfahrensschritt hergestellte Oxidschicht 233 erzeugt (10. Verfahrensschritt) und nachfolgend die derart geöffneten und seitlich jeweils durch eine der dritten Trench-Ausnehmungen 231 begrenzten Strukturen 235 innen so geätzt (11. Verfahrensschritt), dass lediglich die Oxidschicht 233 stehen bleibt. Bei der Oxidschicht 233 handelt es sich insbesondere um Siliziumoxid. Beim 9. Verfahrensschritt wird eine strukturierte Ätzung mit einem für Siliziumoxid effektiven Ätzmedium durchgeführt. Beim 10. Verfahrensschritt wird eine Ätzung mit einem für Silizium gegenüber Siliziumoxid selektiven Ätzmedium verwendet.
Nachfolgend wird eine zweite Opferschicht 240, insbesondere eine SiGe-Schicht und bevorzugt ca. 1 μm bis 2 μm dick, aufgebracht (12. Verfahrensschritt) und strukturiert (13. Verfahrensschritt), wodurch die erste Kavität 25 bzw. die Membranaufhängung realisiert wird. Auf die zweite Opferschicht 240 wird eine zweite Epitaxieschicht 250, insbesondere in Form von epitaktisch aufgebrachtem Polysilizium, zur Bildung der Membran 20 aufgebracht und strukturiert (14. Verfahrensschritt). Das Strukturieren ist hierbei notwendig, um Zugangsöffnungen 251 durch die zweite Epitaxieschicht 250 hindurch zum Ätzen zunächst der zweiten Opferschicht 240 zu erhalten.
In einem 15. Verfahrensschritt wird die zweite Opferschicht 240 entfernt, bevorzugt mittels eines CIF₃-Ätzschritts zur Ätzung der SiGe-Schicht. Dies ist in 9 mit einem Pfeil und dem Bezugszeichen 245 dargestellt. In einem 16. Verfahrensschritt werden die Oxidränder bzw. Oxidschichten 213 bzw. 216 des 3. bzw. 5. Verfahrensschritts sowie die Oxidschichten 233 des 9. Verfahrensschritts entfernt, bevorzugt mittels einer HF-Ätzung. Dies ist in 9 mit einem Pfeil und dem Bezugszeichen 219 dargestellt. Damit wird die zweite Kavität 35 über die erste Kavität 25 geätzt, d.h. das Ätzmedium für die zweite Kavität 35 wird durch die erste Kavität 25 geführt. In einem 17. Verfahrensschritt wird in einem Temperschritt eine Reduktion der mechanischen Spannungen vorgenommen. In einer Abwandlung der Abfolge der Verfahrensschritte kann auch der 17. Verfahrensschritt vor dem 15. Verfahrensschritt durchgeführt werden oder es können der 15. und 16. Verfahrensschritt zwischen einem 23. und einem 24. Verfahrensschritt durchgeführt werden.
Zur monolithischen Integration einer elektronischen Schaltung auf dem Substrat der mikromechanischen Struktur 10 wird gemäß der zweiten Ausführungsform die zweite Seite 12 verwendet. Dies ist in 10 dargestellt. Die zweite Seite 12 ist gemäß der zweiten Ausführungsform bevorzugt die Wafervorderseite des Rohwafers 200. Diese Seite ist technologisch besser für den ASIC-Prozess zur Herstellung der elektronischen Schaltung geeignet als die Waferrückseite. Die auf der zweiten Seite 12 vorhandene Siliziumoxidschicht 301 wird zunächst strukturiert (18. Verfahrensschritt). Anschließend werden tiefe n-Dotierungen 302 eingebracht (19. Verfahrensschritt), die die im 1. Verfahrensschritt zur Durchkontaktierung erzeugten zweiten Trenchausnehmungen 212 berühren. Nachfolgend wird die Siliziumoxidschicht 301 entfernt (20. Verfahrensschritt). Im Bereich zwischen den n-Dotierungen 302 existiert nunmehr auf der zweiten Seite 12 ein Kontaktierungsbereich der abhängig von der Strukturierung der dritten Trench-Ausnehmungen 231 wahlweise mit dem Gegenelement 30 oder mit der Membran 20 elektrisch kontaktiert ist. Im 21. Verfahrensschritt kann daher ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Schaltung (ASIC, application specific integrated circuit) auf der zweiten Seite 12 durchgeführt werden, was mit Bereichen 305 in 10 angedeutet ist. In einem 22. Verfahrensschritt ist es vorgesehen, die zweite Seite 12 (d.h. die elektronische Schaltung) zu passivieren, beispielsweise mit Polymid, so dass auf eine zusätzliche Verpackung des Bauelements ggf. vollständig verzichtet werden kann. In einem 23. Verfahrensschritt ist es vorgesehen, Bond- bzw. Lötstellen, insbesondere auf der zweiten Seite 12, freizulegen, um die Kontaktierung der Struktur, beispielsweise mittels Flip-Chip-Technologie, zu ermöglichen. In einem 24. Verfahrensschritt wird auf der ersten Seite ein Schutz aufgebracht, beispielsweise mittels eines Dicklacks oder mittels eines aufgeklebten Kunststoffrings 259. Insgesamt ist die solcherart hergestellte mikromechanische Struktur SMD-fähig.
Erfindungsgemäß ist es sowohl gemäß der ersten als auch gemäß der zweiten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur auch möglich, dass eine Zwei-Chip-Lösung zum Empfang bzw. zur Erzeugung von akustischen Signalen in einem die Struktur umgebenden Medium Verwendung findet, d.h. dass keine elektronische Schaltung monolithisch integriert mit der mikromechanischen Struktur auf einem Substrat vorgesehen ist. Damit entfällt das integrierte ASIC-Herstellungsverfahren. Es ist bei einer solchen Zwei-Chip-Lösung möglich, dass das eine elektronische Schaltung tragende Bauelement beispielsweise in einer Ecke des die mikromechanische Struktur tragenden Substrats angeordnet ist, was schematisch in 1 mit dem Bezugszeichen 15 angedeutet ist.
Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur 10 kann sowohl als Mikrofon als auch als Lautsprecher benutzt werden. Insbesondere ist sowohl gemäß der ersten als auch gemäß der zweiten Ausführungsform sowohl die Membran 20 als auch das Gegenelement 30 und das Substrat 40 elektrisch (mittels einer Elektrodenstruktur) kontaktierbar.

Claims

Mikromechanische Struktur (10) zum Empfang und/oder zur Erzeugung von akustischen Signalen in einem die Struktur (10) zumindest teilweise umgebenden Medium, wobei die Struktur (10) eine im wesentlichen geschlossene und im wesentlichen eine erste Seite (11) der Struktur (10) bildende Membran (20) aufweist, wobei die Struktur (10) ein Gegenelement (30) aufweist, wobei die Struktur (10) ein, eine der ersten Seite (11) gegenüberliegende zweite Seite (12) bildendes, im wesentlichen geschlossenes Substrat (40) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenelement (30) zwischen der Membran (20) und dem Substrat (40) vorgesehen ist.
Mikromechanische Struktur (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Membran (20) und dem Gegenelement (30) eine erste Kavität (25) ausgebildet ist und dass zwischen dem Gegenelement (30) und dem Substrat (40) eine zweite Kavität (35) ausgebildet ist.
Mikromechanische Struktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenelement (30) im Vergleich zur Membran (20) eine um ein Mehrfaches größere Masse aufweist.
Mikromechanische Struktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur (10) zusammen mit einer elektronischen Schaltung (50) monolithisch integriert vorgesehen ist.
Mikromechanische Struktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (20) und das Gegenelement (30) im wesentlichen aus Halbleitermaterial hergestellt vorgesehen ist, bevorzugt aus polykristallinem Halbleitermaterial.
Mikromechanische Struktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (35') der zweiten Kavität (35) in der Größenordnung der Tiefe (40') des Substrats (40) vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der zweiten Kavität (35) eine erste Opferschicht (110, 210) entweder auf ein Rohsubstrat (100, 200) strukturiert aufgebracht wird oder in das Rohsubstrat (100, 200) strukturiert eingebracht wird und eine erste Vorläuferstruktur (120, 220) erhalten wird, dass anschließend zur Herstellung des Gegenelements (30) eine erste Epitaxieschicht (130, 230), zur Herstellung der ersten Kavität (25) eine zweite Opferschicht (140, 240) und zur Herstellung der Membran (20) eine zweite Epitaxieschicht (150, 250) auf die erste Vorläuferstruktur (120, 220) aufgebracht werden, wobei anschließend eine Ätzung der ersten und/oder zweiten Opferschicht (110, 140, 210, 240) derart erfolgt, dass das Ätzmedium entweder durch die erste Kavität (25) hindurch zur zweiten Kavität (35) oder durch die zweite Kavität (35) hindurch zur ersten Kavität (25) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Herstellung der mikromechanischen Struktur (10) eine elektronische Schaltung (15) monolithisch integriert mit der mikromechanischen Struktur (10) hergestellt wird, wobei die elektronische Schaltung (15) entweder auf der ersten Seite (11) oder auf der zweiten Seite (12) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der mikromechanischen Struktur (10) lediglich von der ersten Seite (11) auszuführende Vorderseitenprozesse verwendet werden.
Verwendung einer mikromechanischen Struktur (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 als Mikrofon und/oder als Lautsprecher.