DE102005061148A1

DE102005061148A1 - Mikromechanische Struktur mit einem Substrat und einem Thermoelement, Temperatur und/oder Strahlungssensor und Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur

Info

Publication number: DE102005061148A1
Application number: DE102005061148A
Authority: DE
Inventors: Holger Höfer; Axel Grosse
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2007-06-28
Also published as: WO2007071525A1; US20090168836A1; JP2009520961A; EP1966574A1

Abstract

Es wird eine mikromechanische Struktur, ein Temperatur- und/oder Strahlungssensor und ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur vorgeschlagen, wobei die mikromechanische Struktur ein Substrat und ein einen Referenzkontakt und einen Messkontakt aufweisendes Thermoelement umfasst, wobei das Substrat eine Hauptsubstratebene aufweist, wobei das Thermoelement zwischen dem Referenzkontakt und dem Messkontakt ein erstes Material und zwischen dem Messkontakt und einem weiteren Referenzkontakt ein zweites Material aufweist, wobei zwischen dem Referenzkontakt und dem Messkontakt in einer Richtung senkrecht zur Hauptsubstratebene entweder das erste Material oberhalb des zweiten Materials angeordnet ist oder das zweite Material oberhalb des ersten Materials angeordnet ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Struktur nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der Offenlegungsschrift DE 102 43 012 A1 ist eine Vorrichtung zur Wärmededektion, insbesondere ein Infrarotsensor, bekannt, bei dem oberhalb eines Substrats ein wärmesensierendes Element auf einer Membran angeordnet ist. Hierbei ist als wärmesensierendes Element beispielsweise ein Thermoelement etwa in Form eines mikromechanischen Thermopile vorgesehen. Solche Thermoelemente bzw. Thermopiles basieren in der Regel auf einem Membranprinzip, d. h. die heißen Kontakte liegen zur thermischen und elektrischen Entkopplung auf einer Membran auf, welche vergleichsweise dünn vorgesehen ist. Dies ist mit dem gravierenden Nachteil verbunden, dass eine schlechte Stabilität, eine mangelhafte Risserkennung und eine geringe Dichte der Thermoelemente vorliegt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur, der Temperatur- und/oder Strahlungssensor und das Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß den nebengeordneten Patentansprüchen hat dem gegenüber den Vorteil, dass die bekannten Nachteile des Standes der Technik vermieden oder zumindest reduziert werden und dennoch eine vergleichsweise kompakte und kostengünstig herstellbare mikromechanische Struktur möglich ist. Hierdurch ist es besonders vorteilhaft vorgesehen, dass auf eine durchgehende Membran im Bereich der Thermoelemente bzw. des Thermoelements der mikromechanischen Struktur verzichtet werden kann. Die beiden Schenkel eines Thermoelements liegen erfindungsgemäß nicht nebeneinander, d. h. im wesentlichen in einer Ebene parallel zur Hauptsubstratebene der mikromechanischen Struktur, sondern im wesentlichen 90° dazu verkippt, d. h. die Schenkel liegen im Vergleich zur Hauptsubstratebene senkrecht übereinander, so dass sich gegenüber dem Stand der Technik bei im wesentlichen gleichem Materialquerschnitt (in Richtung der Haupterstreckung der Schenkel des Thermoele ments) der Schenkel eines Thermoelements (beispielsweise eine Dicke eines Polysiliziumschenkels von einigen μm bis einigen zehn μm, insbesondere etwa 10 μm, und eine Breite von einigen hundert Nanometer bis einigen μm, insbesondere etwa 1,5 μm) ein erheblich reduzierter Flächenbedarf parallel zur Hauptsubstratebene ergibt. Die beiden Schenkel eines solchen Thermoelements haben den erheblichen Vorteil, dass aufgrund ihrer größeren Dicke in einer Richtung senkrecht zur Hauptsubstratebene eine erheblich höhere Strukturstabilität gegenüber mechanischen Belastungen vorliegt. Im Falle eines Defektes, beispielsweise eines Risses, gibt es eine direkte Auswirkung auf die elektrischen Eigenschaften des jeweiligen Thermoelements, so dass eine direkte Fehlererkennung möglich ist. Dies erhöht dramatisch die Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur. Die im Vergleich zur gegenüber der herkömmlichen Thermopile-Auslegung gestiegene Dicke der Schenkel eines Thermopiles bewirkt, dass eine deutlich höhere Absorption von Strahlungswärme bzw. generell von Wärme mit der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur möglich ist, so dass signifikant die Notwendigkeit eines zusätzlichen Wärmeabsorbers reduziert ist. Die beiden Schenkel werden im folgenden als erstes bzw. zweites Material bezeichnet (nämlich abhängig davon, ob sie vom Referenzkontakt zum Messkontakt (erstes Material) oder ob sie vom Messkontakt zu einem weiteren bzw. nächsten Referenzkontakt (zweites Material) weisen) oder auch als dem Substrat nächstliegendes bzw. fernliegendes Material (abhängig vom Aufbau des Thermoelementes).

Besonders bevorzugt ist erfindungsgemäß, dass sich das Thermoelement zwischen dem Referenzkontakt und dem Messkontakt in einer Haupterstreckungsrichtung zumindest Abschnittsweise parallel zur Hauptsubstratebene erstreckt, wobei die mikromechanische Struktur ferner eine Mehrzahl von Thermoelementen aufweist, wobei die Thermolemente untereinander senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung wenigstens teilweise bzw. abschnittsweise mechanisch unverbunden vorgesehen sind. Ein solches zumindest teilweise membranlos vorgesehenes Thermopile gemäß der vorliegenden Erfindung vermeidet darüber hinaus in größerem Umfang parasitäre Wärmeableitungsmöglichkeiten.

Besonders bevorzugt ist, dass die Messkontakte der Thermoelemente im wesentlichen frei hängend vorgesehen sind. Hierdurch wird eine weitere Reduzierung von Möglichkeiten zur parasitären Wärmeableitung erreicht. Hierdurch kann insgesamt die Genauigkeit der mikromechanischen Struktur als Temperatur und/oder Strahlungssensor vergrößert werden. Ferner kann es bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Messkontakte der Thermoelemente parallel zur Hauptsubstratebene miteinander membranartig verbunden vorgesehen sind und/oder dass die Messkontakte der Thermoelemente in Richtung senkrecht zur Hauptsubstratebene mit dem Substrat mechanisch verbunden vorgesehen sind. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, eine höhere Stabilität der mikromechanischen Struktur zu erzielen. Weiterhin ist es hierdurch erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, die Anzahl der Prozessschritte zur Herstellung der mikromechanischen Struktur zu reduzieren und dadurch die Herstellungskosten der mikromechanischen Struktur zu verringern.

Erfindungsgemäß ist weiterhin bevorzugt, dass das erste Material ein Halbleitermaterial und das zweite Material ein Metall umfasst oder dass das erste Material ein Metall und das zweite Material ein Halbleitermaterial umfasst oder dass das erste Material ein bevorzugt dotiertes Halbleitermaterial und das zweite Material ein unterschiedlich zum ersten Material dotiertes Halbleitermaterial umfasst. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, die für die Funktion des Thermoelements wichtige Materialkombination an den jeweiligen Anwendungszweck angepaßt vorzusehen

Bevorzugt ist erfindungsgemäß ferner, dass das Thermoelement zwischen dem Referenzkontakt und dem Messkontakt im Vergleich zur Hauptsubstratebene schräg verlaufend derart vorgesehen ist, dass der Messkontakt weiter von dem Substrat entfernt ist als der Referenzkontakt. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, eine bessere Wärmeisolierung durch einen größeren Abstand des Messkontaktes zum Substratmaterial in einfacher und kostengünstiger Weise ohne vergrößerte Schichtdicken bei der Herstellung der mikromechanischen Struktur zu realisieren.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Temperatur- und/oder Strahlungssensor, welcher eine erfindungsgemäße mikromechanische Struktur umfasst. Ein solcher Sensor ist besonders kostengünstig und robust herstellbar und weist weiterhin eine besonders hohe Empfindlichkeit auf. Ein weitere Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen mikro mechanischen Struktur oder eines erfindungsgemäßen Temperatur- und/oder Strahlungssensors, wobei in einem ersten Schritt oberhalb des Substrats das erste Material oder das zweite Material als das dem Substrat nächstliegende Material aufgebracht wird und dass in einem zweiten Schritt oberhalb des dem Substrat nächstliegenden Materials das zweite Material oder das erste Material als das dem Substrat fernliegende Material aufgebracht wird. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vergleichsweise einfach möglich, ein in einer Richtung senkrecht zur Hauptsubstratebene aufgebautes Thermoelement zur realisieren.

Ferner ist bevorzugt, dass zwischen der Aufbringung des dem Substrat nächstliegenden Material und der Aufbringung des dem Substrat fernliegenden Materials eine zweite Isolationsschicht zumindest teilweise zwischen das erste und das zweite Material aufgebracht wird. Hierdurch ist es besonders einfach und wirtschaftlich, dass senkrecht zur Erstreckung der Hauptsubstratebene aufgebaute Thermoelement zu realisieren.

Erfindungsgemäß ist ferner bevorzugt, dass zeitlich vor dem ersten Schritt eine erste Isolationsschicht zwischen dem Substrat und dem dem Substrat nächstliegenden Material aufgebracht wird, wobei die erste Isolationsschicht zeitlich nach dem ersten Schritt wenigstens teilweise wieder entfernt wird. Hierdurch ist eine besonders einfache Isolierung des Thermoelements gegenüber dem Substrat dadurch möglich, dass zwischen dem Substrat und dem Thermoelement eine Opferschicht vorgesehen ist, die im weiteren Verlauf des Herstellungsverfahrens wieder entfernt wird.

Erfindungsgemäß ist weiterhin bevorzugt, dass während oder nach der Entfernung der ersten Isolationsschicht wenigstens ein an die erste Isolationsschicht angrenzender Teil des Substrats entfernt wird. Hierdurch ist eine weitere Besserung der Isolierung des Thermoelements gegenüber dem Substrat erfindungsgemäß möglich.

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

Es zeigen
1 bis 3 eine erste Ausführungsform der mikromechanischen Struktur,
4 bis 7 eine zweite Ausführungsform der mikromechanischen Struktur,
8 bis 10 eine dritte Ausführungsform der mikromechanischen Struktur,
11 bis 14 eine vierte Ausführungsform der mikromechanischen Struktur,
15 bis 17 eine fünfte Ausführungsform der mikromechanischen Struktur und
18 Vorläuferstrukturen einer sechsten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur.
In 1 bis 3 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur 10 dargestellt, wobei lediglich die 1i, 1l bzw. 2 und 3 die fertige Struktur 10 darstellen und die restlichen Abbildungen Vorläuferstrukturen der mikromechanischen Struktur 10 darstellen. Die 1a bis 1l stellen Schnittdarstellungen entlang der Schnittlinie L-L aus 2 dar. Auf ein Substrat 20 (1a), welches insbesondere als ein Siliziumsubstrat oder als ein anderes Halbleitersubstrat vorgesehen ist, wird eine Beschichtung mit isolierendem Material einer geeigneten Dicke aufgebracht (1b). Das isolierende Material wird nachfolgend insbesondere auch als erste Isolationsschicht 40 bezeichnet und ist beispielsweise als Siliziumoxid oder dergleichen Material, insbesondere als Halbleiteroxid bzw. als Halbleiternitrid, vorgesehen. Auf die erste Isolationsschicht 40 wird ein dem Substrat 20 nächstliegendes Material 41 aufgebracht (1c), beispielsweise in Form von dotiertem Polysilizium. Anschließend erfolgt insbesondere ein chemisch-mechanischer Polierschritt. Im Anschluss daran wird eine strukturierte Ätzung des dem Substrat 20 nächstliegenden Materials 41 durchgeführt (1d). Im Anschluss daran werden die herausgeätzten Zwischenräume mit einem isolierenden Material 50, beispielsweise Oxid bzw. Siliziumoxid, aufgefüllt und die Struktur planarisiert (1e). Daraufhin wird in einem wieteren Schritt ein nachfolgend als zweite Isolationsschicht 42 bezeichnete Schicht aus isolierendem Material aufgebracht, welches gemäß der ersten Ausführungsform selektiv zum Material der ersten Isolationsschicht 40 ätzbar ist (1f). Bei dem Material der zweiten Isolationsschicht 42 handelt es sich beispielsweise um ein Siliziumnitrid, wenn das Material der ersten Isolationsschicht 40 ein Siliziumoxid ist. Nachfolgend wird die zweite Isolationsschicht 42 strukturiert (1g) wobei auch ein Schutz des Sensorrandes stehen bleiben kann. Anschließend daran wird eine Metallisierungsschicht als ein dem Substrat 20 fernliegendes Material 43 aufgebracht (1h).
In einem weiteren Schritt wird das Material der ersten Isolationsschicht 40 und das Material 50 mittels eines Ätzschrittes (beispielsweise Gasphasenätzen) entfernt (1i). Eine erste Variante der ersten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 10 ist damit fertiggestellt.
Zur Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Substrat 20 und dem dem Substrat 20 nächstliegendem Material 41 kann für eine weitere Variante der ersten Ausführungsform in einem weiteren Prozessschritt (1j) eine Passivierschicht 51 aufgebracht werden, welche an bestimmten Stellen (vgl. Bezugszeichen 51a) in einem weiteren Prozessschritt (1k) geöffnet wird, beispielsweise mittels eines Oxid-RIE-Ätzschrittes, so dass anschließend eine selektive Ätzung eines Teils des Substrats 20 ohne Auswirkungen auf die zuvor erstellten Teile der mikromechanischen Struktur erfolgen kann. Anschließend wird die Passivierschicht 51 wieder entfernt und es ergibt sich ein größerer Abstand 56 zwischen dem Substrat 20 und dem dem Substrat 20 nächstliegenden Material 41 (1l). Das Wegätzen eines Teils des Substrats 20 im Schritt gemäß 1l kann beispielsweise mittels eines CIF₃-Ätzvorgangs oder eines XeF₂-Ätzvorgangs erfolgen.
Die in 1e dargestellte Auffüllung der herausgeätzten Zwischenräume mittels des isolierenden Materials (50) kann auch mittels einer Polysilizium-Schicht erfolgen, sofern vorher eine Passivierschicht, beispielsweise aus Oxidmaterial, zum Schutz der Strukturen der späteren Thermoelemente aufgebracht wurde (nicht dargestellt). Wenn zusätzlich ein entsprechend direkter Übergang (des Polysiliziummaterials) zum Substrat 20 hergestellt wird, vereinfachen sich nachfolgend die in den 1j, 1k und 1l dargestellten Schritte.
In 2 ist eine Draufsicht auf die erste Variante bzw. die zweite Variante der ersten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 10 dargestellt. Die mikromechanische Struktur 10 weist ein Thermoelement 30 auf, welches einen Referenzkontakt 35, einen Messkontakt 37 und ein erstes Material 36 zwischen dem Referenzkontakt 35 und dem Messkontakt 37 aufweist sowie ein zweites Material 38 zwischen dem Messkontakt 37 und einem weiteren Referenzkontakt 35' eines weiteren Thermoelements 31 aufweist. Das erste und zweite Material 36, 38 bildet jeweils ein Schenkel des Thermoelements 30 zwischen den Referenzkontakten 35 bzw. 35' und dem Messkontakt 37. Erfindungsgemäß sind die Schenkel 36, 38 übereinander in einer Richtung 22 senkrecht zur Hauptsubstratebene 21 angeordnet. Damit bildet im Beispiel der 2 das dem Substrat 20 nächstliegende Material 41 (1) das erste Material 36 und das dem Substrat 20 fernliegende Material 41 (1) bildet das zweite Material 38. Das Thermoelement 30 und das weitere Thermoelement 31 sowie ggf. eine Mehrzahl weiterer Thermoelemente 32, 33, 34 sind in gleicher Weise bzw. im wesentlichen identisch wie das Thermoelement 30 aufgebaut, jedoch parallel zu Hauptsubstratebene 21 nebeneinander angeordnet. Es kann bei den in 2 dargestellten Varianten der ersten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 10 vorgesehen sein, dass die Messkontakte 37 der Thermoelemente 30 bis 34 mittels einer Unterstützungsstruktur 55 (lediglich gestrichelt gezeichnet) mit dem Substrat 20 mechanisch verbunden vorgesehen sind. Die Unterstützungsstruktur 55 ist erfindungsgemäß insbesondere in Form einer Nitridschicht unterhalb des dem Substrat 20 nächstliegenden Materials 41 (besonders bevorzugt ein Polysiliziummaterial) realisiert. Hierdurch ist es möglich, dass die Unterstützungsstruktur 55 nicht durch die in 1i dargestellte Ätzung der ersten Isolationsschicht 40 entfernt wird. Zwischen der Unterstützungsstruktur 55 und den Referenzkontakten 35, 35' sind die Schenkel der Thermoelemente 30 bis 34 bzw. das erste bzw. zweite Material 36, 38 zumindest teilweise frei hängend vorgesehen. Wenn die Unterstützungsstruktur 55 nicht vorhanden ist, sind die Thermoelemente 30 im wesentlichen vollständig frei hängend über dem Substrat 20 angeordnet. Es ist klar, dass im Fall des Vorhandenseins der Unterstützungsstruktur 55 dieselbe in den Schnittdarstellungen der 1a bis 1i (gemäß der Schnittlinie L-L aus der 2) mitgedacht werden muss. In 1i ist dies mittels einer gestrichelten Linie angedeutet.
In 3 ist eine weitere Variante der ersten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 10 in einer Seitenansicht dargestellt. Die 3 ist im wesentlichen eine Schnittdarstellung entlang einer Haupterstreckungsrichtung 23 der Thermoelemente 30. Erkennbar ist, dass die Seite des Messkontaktes 37 der Schenkel der Thermoelemente vom Substrat 20 weg gebogen vorgesehen ist. Dies kann mittels einer Aufbringung der Schichten 41, 43 (dem Substrat 20 nächstliegendes bzw. fernliegendes Material) bzw. mit dem ersten bzw. zweiten Material 36, 38 derart erfolgen, dass in diesen Schichten mechanische Spannungen verbleiben, die zu einer entsprechenden Wegbiegung des Thermoelementes bzw. Teile des Thermoelementes 30 vom Substrat 20 führen. Bei dieser Variante der ersten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 10 können die in 1j, 1k und 1l dargestellten Schritte zur Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Substrat 20 und dem Messkontakt 37 weggelassen werden, weil mittels der Durchbiegung des Thermoelementes ein entsprechend großer Abstand bereits realisiert ist. Jedoch können auch die Maßnahmen eines Wegbiegens und einer Vergrößerung des Abstandes 56 durch Wegätzen von Teilen des Substrats 20 miteinander kombiniert werden.
In den 4 bis 7 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur 10 dargestellt, wobei lediglich die 7 bzw. 6d die fertige Struktur 10 darstellt und die restlichen Abbildungen Vorläuferstrukturen der mikromechanischen Struktur 10 darstellen. Die 4a bis 4g, 5a bis 5f und 6a bis 6d stellen Schnittdarstellungen entlang der Schnittlinie L-L aus 7 dar, wobei die 5a bis 5f zusätzlich (jeweils rechte Abbildung) Schnittdarstellungen entlang der Haupterstreckungsrichtung 23 des Thermoelements 30 aus 7 darstellen. Entsprechend der ersten Ausführungsform (1 bis 3) wird auch bei der zweiten Ausführungsform auf das Substrat 20 (4a) die erste Isolationsschicht 40 (beispielsweise eine Siliziumnitrid-Schicht) aufgebracht (4b) sowie darauf das dem Substrat 20 nächstliegende Material 41 (4c) aufgebracht. Hierbei handelt es sich insbesondere um mit einer ersten Ladungsträgerart (also entweder positiv oder negativ) dotiertes Polysiliziummaterial. Anschließend erfolgt insbesondere ein chemisch mechanischer Polierschritt. Auf das dem Substrat 20 nächstliegende Material 41 wird die zweite Isolationsschicht 42 abgeschieden (4d), beispielsweise ein Siliziumnitrid. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform muss die zweite Isolationsschicht 42 nicht selektiv zur ersten Isolationsschicht 40 ätzbar sein. Auf die zweite Isolationsschicht 42 wird das dem Substrat 20 fernliegende Material 43 abgeschieden (4e). Hierbei handelt es sich insbesondere um mit einer zweiten Ladungsträgerart (also entweder negativ oder positiv) dotiertes Polysiliziummaterial. Anschließend erfolgt insbesondere ein chemisch mechanischer Polierschritt. Nachfolgend erfolgt ein Ätzschritt (4f) zur Strukturierung sowohl des dem Substrat 20 nächstliegenden Materials 41 als auch des dem Substrat 20 fernliegenden Materials 43, beispielsweise mittels eines Trenchätzschrittes. Im Anschluss daran werden die herausgeätzten Zwischenräume mit dem isolierenden Material 50, beispielsweise Siliziumoxid, aufgefüllt und die Struktur planarisiert, wobei – ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform zur 1e beschrieben – auch eine Passivierungsschicht mit nachfolgendem Polysilizium Verwendung finden kann (4g). Danach anschließend wird eine Schicht eines weiteren isolierenden Materials 50a strukturiert aufgebracht (5a). Das weitere isolierende Material 50a muss gegenüber dem isolierenden Material 50 selektiv ätzbar sein. Mittels einer Lackschicht 50b (5b) und einer weiteren Ätzung durch das dem Substrat 20 fernliegende Material 43 sowie die zweite Isolationsschicht 42 hindurch (5c) ist es möglich, mittels einer Durchkontaktierung 50e den Messkontakt 37 zu realisieren. Hierzu wird eine Passivierschicht, z.B. eine Oxidschicht 50d zur Kontaktisolierung abgeschieden (5d) und in den Bereichen außerhalb der Durchkontaktierung 50e entfernt (5e), beispielsweise mittels einer Oxid-RIE-Ätzung. Eine den Messkontakt 37 realisierende strukturierte Kontaktmetallisierung 37a (beispielsweise mittels einer AlSiCu-Schicht (Aluminium-Silizium-Kupfer-Schicht)) verbindet elektrisch niederohmig das dem Substrat 20 nächstliegende Material 41 mit dem dem Substrat 20 fernliegenden Material 43 (5f). Mittels insbesondere eines Gasphasenätzschrittes wird das isolierende Material 50 (welches im Verfahrensschritt gemäß 4h aufgebracht wurde) entfernt (vgl. 6a).
Zur Einstellung eines vorgebbaren Abstandes 56 zwischen dem dem Substrat 20 nächstliegenden Material 41 und dem Substrat 20 (vgl. 6d) wird (anschließend an die Entfernung des isolierenden Materials 50 gemäß 6a) in einer zu den 1j, 1k und 1l analogen Weise die Passivierschicht 51 aufgebracht (6b), die Passivierschicht 51 selektiv entfernt (oder „geöffnet", 6c) und anschließend eine selektive Ätzung eines Teils des Substrats 20 ohne Auswirkungen auf die zuvor erstellten Teile der mikromechanischen Struktur 10 durchgeführt (6d) und schließlich die Passivierschicht 51 entfernt.
In 7 ist die mikromechanische Struktur in zur 2 analoger Weise in Draufsicht mit der Schnittlinie L-L und der Haupterstreckungsrichtung 23 des Thermoelements 30 dargestellt. Erkennbar ist der Referenzkontakt 35, der die Durchkontaktierung 50e umfassende Messkontakt 37 sowie die weiteren Thermoelemente 31 bis 34 in zur 2 analogen Weise. In 7 ist der Einfachheit halber eine Unterstützungsstruktur 55 gemäß 2 nicht dargestellt, aber in analoger Weise ebenfalls möglich.
In den 8 bis 10 ist eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur 10 dargestellt, wobei lediglich die 9, 10 bzw. 8j, 8i die fertige Struktur 10 darstellen und die restlichen Abbildungen Vorläuferstrukturen der mikromechanischen Struktur 10 darstellen. Die 8a bis 8j stellen Schnittdarstellungen entlang der Schnittlinie L-L aus den 9 bzw. 10 dar. Entsprechend der ersten Ausführungsform (1 bis 3) wird auch bei der dritten Ausführungsform auf das Substrat 20 (8a) die erste Isolationsschicht 40 (8b) aufgebracht. Bei der dritten Ausführungsform wird die erste Isolationsschicht 40 derart strukturiert aufgebracht, dass an wenigstens einer Stelle 40a eine Öffnung in der ersten Isolationsschicht 40 verbleibt. Entsprechend der ersten Ausführungsform (1 bis 3) wird auch bei der dritten Ausführungsform auf die erste Isolationsschicht 40 (und im Bereich der Öffnung 40a auf das Substrat 20) das dem Substrat 20 nächstliegende Material 41 aufgebracht (8c). Hierbei handelt es sich insbesondere um mit einer ersten Ladungsträgerart (also entweder positiv oder negativ) dotiertes Polysiliziummaterial. Anschließend erfolgt insbesondere ein chemisch mechanischer Polierschritt. Analog zu den Verfahrensschritten gemäß der ersten Ausführungsform (1d bis 1h) erfolgt auch bei der dritten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 10 eine strukturierte Ätzung (8d), das Auffüllen mit dem isolierenden Material 50 und Planarisierung (8e), das Aufbringen der zweiten Isolationsschicht 42 (8f), deren Strukturierung (8g) und das Aufbringen der Metallisierungsschicht als das dem Substrat 20 fernliegende Material 43 (8h).
Durch die Unterbrechung der ersten Isolationsschicht 40 an der Stelle 40a ist es bei der dritten Ausführungsform möglich, direkt eine Ätzung eines Teils des Substrats 20 durchzuführen, weil hierzu ein durchgehender Zugang 40b von ätzbarem Material oberhalb der Stelle 40a besteht (8h und 8i). Hierbei findet beispielsweise eine CIF₃-Ätzung oder eine XeF₂-Ätzung Anwendung. An dieser Stelle im Prozessablauf sind die verschiedenen Thermoelemente 30, 31, 32, 33 in Richtung senkrecht zu deren Haupterstreckungsrichtung 23 (und parallel zur Haupterstreckungsebene 21 des Substrats 20) noch verbunden, bilden also in gewisser Weise eine durchgehende Membran. Dies stellt eine Variante der dritten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 10 dar und ist in 10 in Draufsicht dargestellt.
Werden in einem weiteren Prozessschritt (8j), beispielsweise mittels einer Gasphasen-Ätzung, noch die die Thermoelemente 30, 31, 32, 33 verbindenden Materialteile (vormaliges isolierendes Material 50) entfernt, ergibt sich für jedes der Thermoelemente 30, 31, 32, 33 eine freitragende Struktur, was in 9 in Draufsicht dargestellt ist. Analog zu der ersten Ausführungsform (2 und 7) ist wiederum eine Variante mit oder ohne Unterstützungsstruktur 55 (in 9 und 10 lediglich gestrichelt dargestellt) möglich.
In den 11 bis 14 ist eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur 10 dargestellt, wobei lediglich die 14 bzw. 13d die fertige Struktur 10 darstellt und die restlichen Abbildungen Vorläuferstrukturen der mikromechanischen Struktur 10 darstellen. Die 11a bis 11g, 12a bis 12f und 13a bis 13d stellen Schnittdarstellungen entlang der Schnittlinie L-L aus 14 dar, wobei die 12a bis 12f zusätzlich (jeweils rechte Abbildung) Schnittdarstellungen entlang der Haupterstreckungsrichtung 23 des Thermoelements 30 aus 14 darstellen. Entsprechend der ersten Ausführungsform (1 bis 3) wird auch bei der vierten Ausführungsform auf das Substrat 20 (11a) die erste Isolationsschicht 40 (11b) aufgebracht. Bei der vierten Ausführungsform wird – wie bei der dritten Ausführungsform – die erste Isolationsschicht 40 derart strukturiert aufgebracht, dass an wenigstens einer Stelle 40a eine Öffnung in der ersten Isolationsschicht 40 verbleibt. Entsprechend der ersten Ausführungsform (1 bis 3) wird auch bei der vierten Ausführungsform auf die erste Isolationsschicht 40 (und im Bereich der Öffnung 40a auf das Substrat 20) das dem Substrat 20 nächstliegende Material 41 aufgebracht (11c). Hierbei handelt es sich insbesondere um mit einer ersten Ladungsträgerart (also entweder positiv oder negativ) dotiertes Polysiliziummaterial. Anschließend erfolgt insbesondere ein chemisch mechanischer Polierschritt. Analog zu den in den 4d bis 4g und 5a bis 5f dargestellten Prozessschritten zur zweiten Ausführungsform erfolgen nach der Aufbringung des dem Substrat 20 nächstliegenden Materials 41 bei der vierten Ausführungsform die Abscheidung der zweiten Isolationsschicht 42 (11d), die Abscheidung des dem Substrat 20 fernliegenden Materials 43 (11e), die Ätzung zur Strukturierung sowohl des dem Substrat 20 nächstliegenden Materials 41 als auch des dem Substrat 20 fernliegenden Materials 43 (11f), das Auffüllen mit dem isolierenden Material 50 (11g), das strukturierte Aufbringen des weiteren isolierenden Materials 50a (12a), das Aufbringen der Lackschicht 50b (12b), die Ätzung der Durchkontaktierung 50e (12c), die Abscheidung (12d) und teilweisen Entfernung (12e) der Passivierschicht 50d und das Aufbringen der den Messkontakt 37 realisierenden strukturierten Kontaktmetallisierung 37a (12f).
Daran anschließend wird mittels einer Passivierungsschicht 52 (beispielsweise eine Schutzlackschicht), der lediglich an der Stelle oberhalb der Stelle 40a geöffnet ist (13a), zunächst eine Durchätzung (beispielsweise mittels einer RIE-Ätzung (reactive ion etching) oder mittels einer Oxid-RIE-Ätzung) durch das dem Substrat 20 fernliegende Material 43 ausgeführt (13b) und anschließend – analog zu den in den 8i und 8j bezüglich der dritten Ausführungsform beschriebenen Verfahrensschritten – eine Ätzung eines Teils des Substrats 20 durchgeführt (13c) und ggf. noch die zwischen den Thermoelementen 30, 31, 32, 33 verbleibenden Materialteile (im wesentlichen der Isolationsschicht 50) entfernt (13d). Dies ist in Draufsicht in 14 dargestellt. Analog zu der ersten, zweiten bzw. dritten Ausführungsform (2, 7 bzw. 10) ist wiederum eine Variante mit oder ohne Unterstützungsstruktur 55 (in 14 lediglich gestrichelt dargestellt) möglich.
In den 15 bis 17 ist eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur 10 dargestellt, wobei lediglich die 17b die fertige Struktur 10 darstellt und die restlichen Abbildungen Vorläuferstrukturen der mikromechanischen Struktur 10 darstellen. Die 15a bis 15g, 16a bis 16f und 17a bis 17b stellen Schnittdarstellungen entlang der Schnittlinie L-L aus 14 dar, wobei die 16a bis 16f zusätzlich (jeweils rechte Abbildung) Schnittdarstellungen entlang der Haupterstreckungsrichtung 23 des Thermoelements 30 aus 14 darstellen. Die 15a bis 15g sowie 16a und 16b zur fünften Ausführungsform entsprechen den 11a bis 11g sowie 12a und 12b zur vierten Ausführungsform, weshalb auf die Erläuterungen hierzu verwiesen wird. Gegenüber den in den 12c bis 12f zur vierten Ausführungsform dargestellten Verfahrensschritten weist die fünfte Ausführungsform eine Modifikation derart auf, dass auf die in den 13a und 13b dargestellten Verfahrensschritte (Aufbringung der strukturierten Passivierungsschicht 52 und Durchätzung (beispielsweise mittels einer RIE-Ätzung (reactive ion etching) oder mittels einer Oxid-RIE-Ätzung) durch das dem Substrat 20 fernliegende Material 43) verzichtet werden kann, so dass das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der fünften Ausführungsform schneller und kostengünstiger durchgeführt werden kann. Hierzu wird die Lackschicht 50b derart strukturiert (16b), dass sie das dem Substrat 20 fernliegende Material 43 (im Gegensatz zu 12b) auch oberhalb der Stelle 40a freigibt. Während einer weiteren Ätzung durch das dem Substrat 20 fernliegende Material 43 und die zweite Isolationsschicht 42 hindurch (16c) ist es möglich, nicht nur die Durchkontaktierung 50e, sondern auch eine der 13b entsprechende Vorbereitung zur Ätzung eines Teils des Substrats 20 zu realisieren. Dies wird auch nicht durch die weiteren Verfahrensschritte gemäß den 16d bis 16f geändert, die den Verfahrensschritten der vierten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 10 gemäß 12d bis 12f entsprechen. Daher entsprechen die in den 17a und 17b dargestellten Verfahrensschritte (bzw. die mikromechanische Struktur in Schnittdarstellung gemäß 17b) den in den 13c und 13d dargestellten Verfahrensschritte (bzw. die mikromechanische Struktur in Schnittdarstellung gemäß 13d).
In der 18 ist eine sechste Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur 10 dargestellt, wobei lediglich die 18n bzw. 18q fertige Strukturen 10 darstellen und die restlichen Abbildungen Vorläuferstrukturen der mikromechanischen Struktur 10 darstellen. Die 18a bis 18q stellen im Wesentlichen Schnittdarstellungen entlang der Schnittlinie L-L aus 2 dar. Entsprechen der ersten Ausführungsform. Entsprechend der ersten Ausführungsform (1 bis 3) wird auch bei der sechsten Ausführungsform auf das Substrat 20 (18a) die erste Isolationsschicht 40 (beispielsweise eine Siliziumoxid-Schicht) aufgebracht (18b) sowie darauf das dem Substrat 20 nächstliegende Material 41 (18c) aufgebracht. Hierbei handelt es sich insbesondere um mit einer ersten Ladungsträgerart (also entweder positiv oder negativ) dotiertes Polysiliziummaterial. Anschließend erfolgt insbesondere ein chemisch mechanischer Polierschritt. Auf das dem Substrat 20 nächstliegende Material 41 wird die zweite Isolationsschicht 42 abgeschieden (18d), beispielsweise ein Siliziumnitrid. Im Anschluss daran wird eine strukturierte Ätzung des dem Substrat 20 nächstliegenden Materials 41 und der zweiten Isolationsschicht 42 durchgeführt (18e). Daran anschließend wird mittels der Passivierungsschicht 52 (beispielsweise eine Schutzlackschicht), die lediglich an denjenigen Stellen (Bezugszeichen 53) geöffnet ist, an denen nachfolgend ein Teil des Substrats 20 weggeätzt werden soll (18f), zunächst eine Durchätzung (beispiels weise mittels einer Oxid-RIE-Ätzung) durch die erste Isolationsschicht 40 ausgeführt (18g) und anschließend die Passivierungsschicht 52 wieder entfernt (18h). In analoger Weise zu den in den 1j bis 1l (zur ersten Ausführungsform) dargestellten Verfahrensschritten wird nachfolgend zur Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Substrat 20 und dem dem Substrat 20 nächstliegendem Material 41 die Passivierschicht 51 aufgebracht, welche an bestimmten Stellen (vgl. Bezugszeichen 51a) in einem weiteren Prozessschritt (18j) geöffnet wird, beispielsweise mittels Oxid-RIE-Ätzens. Daran anschließend kann eine selektive Ätzung eines Teils des Substrats 20 ohne Auswirkungen auf die zuvor erstellten Teile der mikromechanischen Struktur erfolgen kann (18k). Das Wegätzen eines Teils des Substrats 20 im Schritt gemäß 18k kann beispielsweise mittels eines CIF₃-Ätzvorgangs oder eines XeF₂-Ätzvorgangs erfolgen. Die Passivierschicht 51 wird anschließend wieder entfernt und es wird zwischen den Strukturen des dem Substrat 20 nächstliegenden Materials 41 die herausgeätzten Zwischenräume mit dem isolierenden Material 50, beispielsweise Oxid bzw. Siliziumoxid, aufgefüllt und die Struktur planarisiert (18l). In analoger Weise zu den in den 1g bis 1i (zur ersten Ausführungsform) dargestellten Verfahrensschritten wird nachfolgend die zweite Isolationsschicht 42 strukturiert (18m). Anschließend daran wird das dem Substrat 20 fernliegende Material 43 aufgebracht und strukturiert (18n), dieses ist beispielsweise in Form einer Metallierungsschicht, etwa aus AlSiCu-Material, vorgesehen.
Analog zur Beschreibung der dritten Ausführungsform (10 bzw. 8i), sind die Thermoelemente 30, 31, 32, 33, 34 in Richtung senkrecht zu deren Haupterstreckungsrichtung 23 (und parallel zur Haupterstreckungsebene 21 des Substrats 20) in diesem Stadium des Prozessablaufs (18n) der sechsten Ausführungsform noch verbunden, was einer Variante der sechsten Ausführungsform entspricht.
Zur Realisierung einer weiteren Variante der sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Struktur 10 wird eine selektiv zum isolierenden Material 50 ätzbare weitere Schicht (Bezugszeichen 54) aus isolierendem Material aufgebracht (18o) und derart strukturiert (18p), dass das zwischen den Thermoelementen 30, 31, 32, 33, 34 befindliche isolierende Material 50 zumindest teilweise offenliegt und in einem nachfolgenden Prozessschritt (18q), beispielsweise mittels eines Trenchätz-Prozesses entfernt werden kann.

Claims

Mikromechanische Struktur (10) mit einem Substrat (20) und einem einen Referenzkontakt (35) und einen Messkontakt (37) aufweisenden Thermoelement (30), wobei das Substrat (20) eine Hauptsubstratebene (21) aufweist, wobei das Thermoelement (30) zwischen dem Referenzkontakt (35) und dem Messkontakt (37) ein erstes Material (36) und zwischen dem Messkontakt (37) und einem weiteren Referenzkontakt (35') ein zweites Material (38) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Referenzkontakt (35) und dem Messkontakt (37) in einer Richtung (22) senkrecht zur Hauptsubstratebene (21) entweder das erste Material (36) oberhalb das zweiten Materials (38) angeordnet ist oder das zweite Material (38) oberhalb des ersten Materials (36) angeordnet ist.
Mikromechanische Struktur (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Thermoelement (30) zwischen dem Referenzkontakt (35) und dem Messkontakt (37) in einer Haupterstreckungsrichtung (23) zumindest abschnittweise parallel zur Hauptsubstratebene (21) erstreckt, wobei die mikromechanische Struktur (10) ferner eine Mehrzahl von Thermoelementen (30, 31, 32, 33, 34) aufweist, wobei die Thermoelemente (30, 31, 32, 33, 34) untereinander senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung (23) wenigstens teilweise mechanisch unverbunden vorgesehen sind.
Mikromechanische Struktur (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkontakte (37) der Thermoelemente (30, 31, 32, 33, 34) im wesentlichen freihängend vorgesehen sind.
Mikromechanische Struktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkontakte (37) der Thermoelemente (30, 31, 32, 33, 34) parallel zur Hauptsubstratebene (21) miteinander membranartig verbunden vorgesehen sind und/oder dass die Messkontakte (37) der Thermoelemente (30, 31, 32, 33, 34) in der Richtung (22) senkrecht zur Hauptsubstratebene (21) mit dem Substrat (20) mechanisch verbunden vorgesehen sind.
Mikromechanische Struktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material (36) ein Halbleitermaterial und das zweite Material (38) ein Metall umfasst oder dass das erste Material (36) ein Metall und das zweite Material (38) ein Halbleitermaterial umfasst oder dass das erste Material (36) ein bevorzugt dotiertes Halbleitermaterial und das zweite Material (38) ein unterschiedlich zum ersten Material (36) dotiertes Halbleitermaterial umfasst.
Mikromechanische Struktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement (30) zwischen dem Referenzkontakt (35) und dem Messkontakt (37) im Vergleich zur Hauptsubstratebene (21) schräg verlaufend derart vorgesehen ist, dass der Messkontakt (37) weiter von dem Substrat (20) entfernt ist als der Referenzkontakt (35).
Temperatur und/oder Strahlungssensor, umfassend eine Mikromechanische Struktur gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung einer Mikromechanischen Struktur (10) oder eines Temperatur- und/oder Strahlungssensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt oberhalb des Substrats (20) das erste Material (36) oder das zweite Material (38) als das dem Substrat (20) nächstliegende Material (41) aufgebracht wird und dass in einem zweiten Schritt oberhalb des dem Substrat (20) nächstliegenden Materials (41) das zweite Material (38) oder das erste Material (38) als das dem Substrat (20) fernliegende Material (43) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Aufbringung des dem Substrat (20) nächstliegenden Materials (41) und der Aufbringung des dem Substrat (20) fernliegenden Materials (43) eine zweite Isolationsschicht (42) zumindest teilweise zwischen das erste und zweite Material (36, 38) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich vor dem ersten Schritt eine erste Isolationsschicht (40) zwischen dem Substrat (20) und dem dem Substrat (20) nächstliegenden Material (41) aufgebracht wird, wobei die erste Isolationsschicht (40) zeitlich nach dem ersten Schritt wenigstens teilweise wieder entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass während oder nach der Entfernung der ersten Isolationsschicht (40) wenigstens ein an die erste Isolationsschicht (40) angrenzender Teil des Substrats (20) entfernt wird.