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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement und von
einem Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements
mit den Merkmalen der Oberbegriffe der nebengeordneten Ansprüche.
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Bewegliche
Elemente in mikromechanischen Strukturen bzw. in mikroelektromechanischen
Strukturen bzw. Bauelementen (sogenannte MEMS-Bauelemente) können an
den festen Strukturen ankleben bzw. anhaften. Als auslösende Mechanismen
für das Zusammenkleben
bzw. Anhaften kommen u.a. mechanische Überlast, oder elektrostatische
Aufladung in Frage. Ein kritisches weil zumeist irreversibles Anhaften
wird vor allem über
chemische Bindungen vermittelt, beispielsweise van der Waals Wechselwirkungen,
ionische Wechselwirkungen, kovalente Bindungen oder metallische
Bindungen. Sich berührende
Oberflächen
mit hoher Oberflächenenergie – wie zum
Beispiel Silizium-Oberflächen
mit oder ohne einer Deckschicht aus OH-Gruppen oder aber mit oder ohne
einem Wasserfilm oder aber auch eine wasserstoffterminierte Siliziumoberfläche – können starke Bindungskräfte zeigen,
die dann auf beispielsweise ionischen Wechselwirkungen oder kovalenten
Bindungen beruhen und die beiden Oberflächen zusammenhalten. Das beschriebene
Ankleben kann durch Antihaftschichten verhindert oder zumindest
gemildert werden.
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So
ist es beispielsweise aus der europäischen Patentveröffentlichung
EP 1 416 064 A2 bekannt,
mikromechanische Strukturen mittels sogenannter SAM-Beschichtungen (seif-assembled
monolayers) aus beispielsweise Alkyltrichlorsilanen zu beschichten
und damit die Wahrscheinlichkeit des Anhaftens zu verringern. Solche
SAM-Beschichtungen besitzen allerdings nur eine begrenzte thermische
Stabilität,
die das thermische Budget nachfolgender Prozesse, d.h. den Rahmen
möglicher
verwendbarer Temperaturen für
nachfolgende Prozesse, stark begrenzt, insbesondere auf unterhalb
von etwa 500 °C.
Dies stellt insbesondere eine starke Einschränkung für die in Frage kommenden O-Level-Verpackungsprozesse,
zum Beispiel Verkappungsprozesse, dar. Hochtemperaturprozesse, wie zum
Beispiel eine epitaktische Abscheidung von Membranabdeckungen – sogenannte
Dünnschichtverkappungen – sind über derart
mittels SAM-Schichten beschichte mikromechanische Strukturen aufgrund
der erwähnten
Temperaturbegrenzung nicht mehr möglich, weil dadurch die SAM-Beschichtung zerstört werden
würde.
Ein weiterer Nachteil von SAM-Beschichtungen
ist ihre geringe Abrasionsbeständigkeit
dieser aus nur wenigen Atom- bzw. Moleküllagen (im wesentlichen lediglich einer
molekularen Ebene) bestehenden Schichten. Im Fall des Anschlagens
oder Aneinanderreibens solchermaßen beschichteter mikromechanischer Strukturen
wird der lokale Abtrag oder die Beschädigung von SAM-Beschichtungen
beobachtet. Dies kann zu einer Erhöhung der Wahrscheinlichkeit
eines Anhaftens im Betrieb und damit zu einem erhöhten Ausfallrisiko
des Systems führen.
Ein weiterer Nachteil der bekannten SAM-Beschichtungen besteht darin,
dass es nicht möglich
ist, Bondprozesse – wie beispielsweise
anodisches Bonden – auf
den beschichteten Oberflächen
(und ohne aufwändige
Vorarbeiten wie beispielsweise Laserablation) durchzuführen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement
und das erfindungsgemäße Verfahren zur
Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß den nebengeordneten
Patentansprüchen
hat demgegenüber
den Vorteil, dass für
auf das Aufbringen oder Erzeugen der Antihaftschicht folgende Prozesse
ein erheblich erhöhtes
Temperaturbudget zur Verfügung
steht, was den Vorteil nach sich zieht, dass nachfolgende Prozesse – insbesondere zur
Herstellung einer Verpackung des Bauelements – leichter und kostengünstiger
und mit einer höheren Qualität durchgeführt werden
können.
Die Tatsache, dass die Antihaftschicht gegenüber einer Temperatur von über etwa
800 °C,
bevorzugt gegenüber
einer Temperatur von über
etwa 1000 °C,
besonders bevorzugt gegenüber
einer Temperatur von über
etwa 1200 °C
beständig
bzw. stabil ist, ermöglicht
insbesondere die Durchführung
von Epitaxieschritten im Anschluss an die Abscheidung bzw. Erzeugung
der Antihaftschicht. Hierdurch werden kostensparende sogenannte
Zero-Level-Packaging Prozesse (d.h. Verpackungsprozesse durch auf
dem Substratwafer selbst durchzuführende Verfahrensschritte)
möglich, wie
beispielsweise ein Dünnschichtkappen-Prozess mit
Silizium als Kappenmaterial, der während der Silizium-Epitaxie
Temperaturen von etwa 1000 °C
bis etwa 1100 °C
erfordert. Die Verwendung von Siliziumcarbid als ein Bestandteil
bzw. als ein Hauptbestandteil der Antihaftschicht macht es vorteilhafterweise
möglich,
dass die Antihaftschicht vergleichsweise einfach sowie mit eingeführter Technologie und
damit vergleichsweise kostengünstig
herstellbar ist.
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Erfindungsgemäß ist ferner
bevorzugt, wenn die Schichtdicke der Antihaftschicht zwischen etwa
1 Nanometer und etwa 1 Mikrometer vorgesehen ist, bevorzugt zwischen
etwa 2 Nanometer und etwa 200 Nanometer, besonders bevorzugt zwischen
etwa 5 Nanometer und etwa 50 Nanometer. Hierdurch ist es möglich, dass
die Antihaftschicht besonders dünn ausgebildet
werden kann, so dass die geometrischen und die Funktion des mikromechanischen
Bauelements beeinflussenden Abmessungen des Funktionselements durch
die Antihaftschicht nur unwesentlich verändert werden. Ferner ist es
erfindungsgemäß vorteilhaft
möglich,
die Dicke der Antihaftschicht den jeweiligen Verhältnisse,
insbesondere hinsichtlich der erforderlichen Abriebfestigkeiten
und dergleichen, anzupassen.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bauelements
ist es bevorzugt, wenn das mikromechanische Bauelement eine Abdeckung
des Funktionselements aufweist, wobei die Abdeckung verschlossene
Perforationsöffnungen aufweist,
wobei die Antihaftschicht auch in den den Perforationsöffnungen
zugewandten Bereichen der Funktionsoberfläche vorgesehen ist. Hierdurch
ist eine besonders große
Wirksamkeit der Antihaftschicht gewährleistet.
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Mit
der ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bauelements
korrespondiert ein Herstellungsverfahren des mikromechanischen Bauelements,
bei dem in einem ersten Schritt eine Strukturierung des Funktionselements,
der Abdeckung und der Perforationsöffnungen durchgeführt wird,
bei dem in einem zweiten Schritt die Antihaftschicht auf wenigstens
einem Teil der Funktionsoberfläche
erzeugt wird und bei dem in einem dritten Schritt die Perforationsöffnungen
geschlossen werden. Erfindungsgemäß wird durch die Wahl der Antihaftschicht bzw.
durch die Zusammensetzung der Antihaftschicht in vorteilhafter Weise
verhindert, dass es durch den dritten Schritt zu einer Herabsetzung
der Wirksamkeit der Antihaftwirkung der Antihaftschicht kommt. Bei
einer Antihaftschicht aus Siliziumcarbid wird die Antihaftwirkung
insbesondere durch im Überschuss
in die Antihaftschicht eingebrachte Kohlenstoffatome auch in solchen
Bereichen aufrechterhalten, auf die nachfolgend geringe Mengen an
Siliziumatomen abgeschieden werden. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, dass
eine Vielzahl von Verpackungsprozessen mit der erfindungsgemäßen Antihaftschicht
kombinierbar sind, die ohne eine erfindungsgemäße Antihaftschicht nicht zugänglich wären, etwa
weil durch das Schließen
der Perforationsöffnungen
zumindest in den den Perforationsöffnungen zugewandten Bereichen
der Funktionsoberfläche
die Antihafteigenschaften einer nicht erfindungsgemäßen Antihaftschicht
zerstört
würden.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bauelements
ist es bevorzugt, wenn die Abdeckung des Funktionselements als eine mit
dem Substrat durch eine Verbindungstechnik verbundene Bauelementkappe
vorgesehen ist. Hierdurch kann in kostensparender Weise ein stabiler Einschluss
der Funktionselemente des Bauelements erzielt werden. Dies gilt
insbesondere für
den Fall, dass die Bauelementkappe mit einer Pyrex-Zwischenschicht
als Verbindungstechnik mit dem Substrat verbunden vorgesehen ist.
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Mit
der zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bauelements
korrespondiert ein Herstellungsverfahren des mikromechanischen Bauelements,
bei dem in einem ersten Schritt eine Strukturierung des Funktionselements,
der Abdeckung und der Perforationsöffnungen durchgeführt wird,
bei dem in einem zweiten Schritt die Antihaftschicht auf wenigstens
einem Teil der Funktionsoberfläche
erzeugt wird und bei dem in einem dritten Schritt die Bauelementkappe
mit dem Substrat verbunden wird, insbesondere zum Beispiel mittels
einer Pyrex-Zwischenschicht anodisch gebondet wird. Hierdurch ist es möglich, ohne
kostenaufwändige
Zwischenschritte – etwa
einer Laserablation der Antihaftschicht in solchen Bereichen, mittels
derer eine Verbindung der Abdeckung mit dem Substrat des Bauelements durchzuführen ist – direkt
auf der Antihaftschicht eine Verbindung zwischen dem Substrat und
der Abdeckung herzustellen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement
gemäß einer
ersten Ausführungsform,
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2 eine
schematische Schnittdarstellung durch eine Vorläuferstruktur eines erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelements gemäß 1 und
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3 eine
schematische Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement
gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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In 1 ist
eine schematische Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes mikromechanisches
Bauelement 10 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung bzw. in 3 gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung dargestellt.
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Bei
beiden Ausführungsformen
umfasst das Bauelement 10 ein Substrat 11, eine
Abdeckung 30 und ein mikromechanisches Funktionselement 12, das
gegenüber dem
Substrat 11 sowie der Abdeckung 30 beweglich vorgesehen
ist. Bei dem erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelement 10 handelt es sich insbesondere um einen Inertialsensor,
etwa einen (linearen) Beschleunigungssensor, einen Drehratensensor
oder aber um ein anderes mikromechanisches Bauelement mit einer
zumindest teilweise beweglichen Struktur, etwa ein mikromechanisches
Mikrofon. Bei dem Funktionselement 12 handelt es sich erfindungsgemäß insbesondere
um ein Massenelement für
einen Inertialsensor oder aber um eine Mikrofonmembran oder dergleichen. Die
Abdeckung 30 ist erfindungsgemäß mit dem Substrat 11 verbunden – dies muss
jedoch nicht als eine direkte Verbindung mit dem Substratmaterial
vorgesehen sein, sondern kann über
eine Zwischenschicht 14 oder über mehrere Zwischenschichten 14 erfolgen,
die bei der Herstellung des Bauelements 10 erzeugt wird/werden,
etwa durch Abscheidung von Materialien zur Bildung des Funktionselements
oder zur Bildung einer Opferschicht. Auf wenigstens einem Teil der
Oberfläche 13 des
Funktionselements 12 ist erfindungsgemäß eine Antihaftschicht 20 vorgesehen.
Diese Antihaftschicht 20 wird erfindungsgemäß mittels
eines Beschichtungsverfahrens erzeugt bzw. abgeschieden. Hierbei
entsteht eine bevorzugt nur wenige Nanometer dicke Schicht als Antihaftschicht. Erfindungsgemäß ist es
hierbei besonders bevorzugt, dass als Material bzw. als Hauptmaterial
der Antihaftschicht Siliziumcarbid mit der chemischen Summenformel
SixC1-x vorgesehen
ist.
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Eine
solche Siliziumcarbid umfassende Antihaftschicht 20 wird
erfindungsgemäß insbesondere mittels
eines PECVD-Prozesses (Plasma enhanced chemical vapor deposition)
erzeugt bzw. abgeschieden, insbesondere unter Verwendung von Silan
und Methan als Vorläuferedukte
(sogenannte Precursor) und vorzugsweise mit Argon als Trägergas.
Hierbei wird die Antihaftschicht erfindungsgemäß entweder amorph oder mikrokristallin
aufgewachsen bzw. abgeschieden. Die so erhaltenen Schichten besitzen bereits
viele der vorteilhaften Eigenschaften, die von monokristallinem
Siliziumcarbid bekannt sind, wie die hohe chemische, thermische
und mechanische Stabilität.
Ferner besitzt eine solche Schicht eine äußerst geringe Adhäsionsenergie
für Siliziumcarbid
gegenüber
Siliziumcarbid oder Siliziumcarbid gegenüber mit Siliziumcarbid beschichteten
Oberflächen.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß besonders
vorteilhaft möglich,
eine solche Siliziumcarbidschicht als Antihaftschicht 20 einzusetzen.
Hierbei wurde nachgewiesen, dass die Antihaft-Wirkung der mittels
PECVD erzeugten Siliziumcarbid-Schichten sogar dann unbeeinträchtigt erhalten
bleibt, wenn eine thermische Behandlung des Materials bei Temperaturen
von beispielsweise 850 °C
und höher,
beispielsweise bei 1000 °C
und sogar bei 1200 °C,
durchgeführt
wird. Da bei einer Temperatur ab etwa 800 °C der im PECVD-Prozess unvermeidbar
in die Siliziumcarbid-Schicht eingebaute Wasserstoff vollständig ausdiffundiert
ist, ändert
sich an der Antihaftwirkung bzw. Antihafteigenschaft der beschriebenen
Siliziumcarbidschichten auch bei noch höheren Temperaturen nichts mehr,
was einen Einsatz bis zu extrem hohen Temperaturen möglich macht.
Alternativ ist es auch möglich,
die Antihaftschicht 20 dadurch zu realisieren, dass die
Beschichtung bereits bei den vorstehend erwähnten hohen Temperaturen erzeugt
wird, zum Beispiel in Hochtemperatur-Plasma-CVD-Prozessen mit sehr heißer Substratelektrode
von beispielsweise 600 °C
oder 850°C
(etwa als Graphitelektrode) oder in einem sogenannten LPCVD (low pressure
chemical vapor deposition) Prozess bzw. einem epitaktischen Abscheideprozess
(etwa in Rohr oder RTP-Reaktoren), so dass auf eine (auf die Abscheidung
folgende) Temperbehandlung verzichtet werden kann und die Antihaftschicht 20 gleich
mit der wasserstofffreien Struktur aufgebracht werden kann. In beiden
Fällen
der Aufbringung der Antihaftschicht 20 wird eine derart
geringe Oberflächen(adhäsions)energie
erhalten, dass keine oder im wesentlichen keine Klebeneigung zwischen
gleichartig beschichteten Oberflächen
mehr beobachtet werden kann. Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Antihaftschicht 20 gegenüber im Stand
der Technik bekannten SAM-Schichten ist daher eine enorme Ausdehnung
des thermischen Arbeitsbereichs oder zulässigen Temperaturbudgets für nachfolgende
Prozessschritte bis zu Temperaturen weit oberhalb von etwa 800 °C bzw. sogar
oberhalb von etwa 1000 °C bzw.
oberhalb von etwa 1200 °C,
welche für
epitaktische Abscheidungen typische Temperaturen darstellen. Hierdurch
werden unter anderem kostensparende Zero-Level-Packaging-Prozesse wie beispielsweise
ein Dünnschichtkappenprozess
(zum Verschluss der mikromechanischen Struktur) mit Silizium als Kappenmaterial
möglich.
Ferner ist eine erfindungsgemäße Antihaftschicht 20 besonders
hart und deutlich abrasionsbeständiger
und widerstandsfähiger
als SAM-Schichten, was das verschleißbedingte Risiko eines Haftens
im Betrieb deutlich reduziert. Auch durch massive mechanische Beanspruchung
der Antihaftschichten 20 durch Zusammenschlagen von funktionalen
beweglichen und/oder festen Strukturen bleibt die Funktion der Antihaftschicht 20 voll
erhalten. Hierdurch ist es erfindungsgemäß insbesondere möglich, dass
die Bauelementgröße verringert
werden kann und so die Herstellungskosten durch eine verminderte
benötigte
Chipfläche
verringert werden können.
Ferner ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, dass
eine solche Antihaftschicht 20 chemisch außerordentlich
widerstandsfähig
ist und daher zur Passivierung der beschichteten Oberfläche in aggressiver Umgebung
(zum Beispiel beim Vorhandensein aggressiver Prozessgase) beitragen
kann. Darüber
hinaus ist Siliziumcarbid als CMOS-(complementary metal Oxide semiconductor)
kompatibles Material etabliert und lässt sich damit leicht in eine
bestehende Fertigungsumgebung integrieren.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Antihaftschicht 20,
insbesondere für
die erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bauelements 10,
geht aus der 2 hervor. In der 2 ist
eine Vorläuferstruktur
eines Bauelements 10 mit dem Substrat 11, dem
mikromechanischen Funktionselement 12, den Zwischensichten 14 und
der Abdeckung 30 dargestellt. Die Abdeckung 30 ist
als sogenannte Dünnschichtkappenschicht
vorgesehen und umfasst eine Mehrzahl von Perforationsöffnungen 33,
die insbesondere dazu dienen, eine nicht dargestellte Opferschicht
zwischen beispielsweise dem Substrat 11 und dem Funktionselement 12 zu
entfernen. Hierzu muss durch die Abdeckung 30 ein Zugang
zum (später
abgeschlossenen oder zumindest weitgehend abgeschlossenen) Inneren
des Bauelements 10 durch die Perforationsöffnungen 33 vorliegen.
Diese Perforationsöffnungen 33 müssen jedoch bei
solchen Dünnschichtverkappungsprozessen
immer auch wieder verschlossen werden. Dies geschieht herkömmlicherweise
beispielsweise ebenfalls durch einen Dünnschichtprozess, beispielsweise
einer Silizium-Abscheidung in einem Reaktor (etwa ein sogenannter
Epi-Reaktor zur Bildung einer Epitaxieschicht) durch sogenanntes
abgeschiedenes epitaktisches Polysilizium (EpiPolySilizium) oder
epitaktisch abgeschiedenes einkristallines Silizium. Als Konsequenz
dieser Abscheidung zum Versiegeln von Perforationsöffnungen 33 werden
zwangsläufig auch
Bereiche 22 der mit der Antihaftschicht 20 versehenen
Funktionsoberfläche 13 (aufgrund
der mit einem Pfeil 34 bezeichneten Abscheiderichtung durch
die Perforationsöffnungen 33 hindurch)
mitbeschichtet. Dies trifft insbesondere für solche Bereiche 22 zu,
die den Perforationsöffnungen 33 zugewandt vorgesehen
sind. Durch eine solche ungewollte Beschichtung der Antihaftschicht 20 kann
es zu einer lokalen Reduktion der Antihaftwirkung kommen, indem lokal
die Oberflächenadhäsionsenergie
wieder erhöht
wird. Erfindungsgemäß ist es
vorteilhafterweise vorgesehen, die Antihaftschicht 20 in
Form einer Siliziumcarbid-Schicht
mit einem Überschuss
an Kohlenstoff herzustellen. Hierdurch kommt es bei den hohen Abscheidetemperaturen
während
des Versiegelns der Perforationsöffnungen 33 zur
Ausbildung bzw. einer Aufrechterhaltung einer carbidartigen, beispielsweise
wieder Siliziumcarbidartigen, Oberfläche, selbst dann, wenn während des
Versiegelungsschritts Fremdatome – wie beispielsweise Siliziumatome – auf der
vor dem Versiegelungsschritt vorhandenen Siliziumcarbidschicht als
Antihaftschicht 20 deponiert werden. Solange daher nicht
zu viele Fremdatome die ursprüngliche
Siliziumcarbidoberfläche
bedecken und die Temperaturen nur ausreichend hoch sind (um eine
ausreichend hohe Mobilität des
freien Kohlenstoffs und eine ausreichend hohe Interdiffusion der
beteiligten Silizium- und Kohlenstoffatomen zu bewirken), wird der Überschuss
an Kohlenstoffatomen in der nichtstöchiometrischen Siliziumcarbid-Schicht
ausreichen, um trotzdem wieder eine carbidartige Oberfläche der
Antihaftschicht 20 (auch in den Bereichen 22)
mit ausreichend geringer Oberflächenenergie
auszubilden bzw. aufrechtzuerhalten. Man erzielt somit durch den
Kohlenstoff-Überschuss
in der Antihaftschicht eine "Getterwirkung", durch die unerwünscht abgeschiedene
Silizium-Atome "gegettert", aber in ihrer schädlichen
Wirkung neutralisiert werden können.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Antihaftschicht 20,
insbesondere für
die zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bauelements 10,
geht aus der 3 hervor. In der 3 ist
das Bauelement 10 mit dem Substrat 11, dem mikromechanischen
Funktionselement 12, der Zwischenschicht 14 und
der Abdeckung 30 gemäß der zweiten Ausführungsform
dargestellt. Die Abdeckung 30 ist als sogenannte Bauelementkappe 39 ausgebildet, die
mit dem Substrat 11 bzw. indirekt mit dem Substrat 11 (etwa über die
Zwischenschicht 14) verbunden ist. Hierbei ist von Vorteil,
dass auf Siliziumcarbid direkt und unmittelbar eine hochfeste anodische
Bondung möglich
ist. Beispielsweise kann eine Pyrex- Zwischenschicht 38 oder eine
Pyrexkappe direkt auf die Antihaftoberfläche aufgebondet werden, was beispielsweise
bei sogenannten MPT-Lösungen
(Micropackaging-Technology) erforderlich ist, so dass diese kostengünstig realisiert
werden können.
Insbesondere wird es mittels einer erfindungsgemäßen Antihaftschicht 20 möglich, auf
eine Laserbehandlung vor dem Verbindungsschritt zwischen dem Substrat 11 und
der Bauelementkappe 39 zu verzichten. Hierzu muss die Siliziumcarbid-Schicht
von Wasserstoff in der Schicht befreit werden, also entweder bei hoher
Temperatur – beispielsweise
größer als
etwa 600 °C,
bevorzugt größer als
etwa 800 °C – getempert
und der überschüssige Wasserstoff
aus der Schicht dabei ausgetrieben werden. Alternativ kann auch
eine wasserstofffreie Siliziumcarbid-Schicht bei hoher Temperatur
von größer als
etwa 600 °C,
vorzugsweise größer als
etwa 800 °C
abgeschieden werden, beispielsweise in einem LPCVD-Verfahren. Die
anodische Bondung ist möglich,
weil Pyrex auf Siliziumcarbid eine Adhäsion zeigt und während des anodischen
Bondvorgangs im Bondinterface (d.h. im Bereich der sich berührenden
Flächen)
freigesetzter Sauerstoff die Siliziumcarbid-Kontaktflächen oxidiert und
dabei chemische Bindungen aufgebaut werden.