-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement gemäß dem
Oberbegriff des Hauptanspruchs.
-
Ein
solches Bauelement ist allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 195 37 814 A1 ein Verfahren zur Herstellung
eines mikromechanischen Bauelements sowie ein nach dem Verfahren
hergestelltes Bauelement bekannt, bei dem die funktionellen Strukturen zwischen
einem Substrat und einem Deckel angeordnet sind. Der Deckel wird
nach der Freistellung der funktionalen Sensorstruktur auf den Sensorwafer gebondet.
Die Verwendung eines Wafers als Deckel erhöht den Aufwand
bei der Herstellung des mikromechanischen Bauelementes und führt
zu einer großen Bauhöhe.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das
erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement und
das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung
eines mikromechanischen Bauelementes gemäß den
nebengeordneten Ansprüchen hat demgegenüber den
Vorteil, dass eine Dünnschichtverkappung bei vereinfachter
Prozessierungsabfolge zur Herstellung des Bauelementes möglich
ist und somit das erfindungsgemäße mikromechanische
Bauelement besonders kostengünstig hergestellt werden kann.
Insbesondere ist es durch ein Vorsehen einer im wesentlichen die
Verkappung bildenden, auf dem Substrat aufgebrachten, permeablen
Schicht, welche durch eine Abscheidungsschicht verschlossen ist,
möglich, das Bauelement besonders kompakt zu gestalten
und dennoch insbesondere die Verkappung des Bauelementes mit einer ausreichenden
Stabilität zu versehen. Eine unter der permeablen Schicht
angeordnete Opferschicht und/oder die mikromechanische Struktur
ist vorteilhaft durch die permeable Schicht hindurch ätzbar,
bevor die Abscheidungsschicht abgeschieden wird. Durch das erfindungsgemäße
Verschließen der permeablen Schicht durch eine Abscheidungsschicht findet
das mikromechanische Bauelement Verwendung für eine Vielzahl
von unterschiedlichen, mikromechanischen, verschlossenen bzw. verkappten, insbesondere
hermetisch abgeschlossenen Bauelementen.
-
Gemäß der
Erfindung ist vorzugsweise vorgesehen, dass die permeable Schicht
resistent gegenüber einem Ätzmedium zum Ätzen
einer Opferschicht und/oder der mikromechanischen Struktur ist, besonders
bevorzugt ohne eine Vorbehandlung. Bevorzugt ist die permeable Schicht
eine Dünnschichtkappe aus porösem Siliziumkarbid,
SiC oder aus porösem Aluminiumoxid, Al2O3. Die Resistenz der permeablen Schicht gegenüber
dem Ätzmedium vereinfacht die Prozessführung erheblich.
Dadurch, dass die permeable Schicht ohne Vorbehandlung resistent ist,
entfällt die Notwendigkeit, die permeable Schicht gegen
einen Ätzangriff zu passivieren, beispielsweise durch Oxidation,
was die Durchlässigkeit herabsetzen würde.
-
Die
permeable Schicht, im Sinne der Erfindung, ist gasdurchlässig.
Insbesondere weist die permeable Schicht Poren auf, wobei die Poren
vorzugsweise Durchmesser zwischen 10 Nanometer und 1000 Nanometer
aufweisen. Die permeable Schicht ist bevorzugt durch einen elektrochemischen Ätzprozess
hergestellt, insbesondere erfolgt eine Porosifizierung der Schicht
durch elektrochemisches Ätzen mittels geeigneten Elektrolyten.
Vorzugsweise ist die Opferschicht zwischen der permeablen Kappe
und dem Substrat elektrisch leitend, wodurch der elektrochemische Ätzprozess
besonders unkompliziert durchführbar ist, da der Stromfluss
ohne weiteres über das Substrat erfolgen kann. Besonders
bevorzugt ist die Opferschicht aus Siliziumgermanium (SiGe). Sofern
keine elektrisch leitfähige Opferschicht zur Verfügung
steht, ist eine beliebige andere elektrische Kontaktierung zwischen
der permeablen Schicht und dem Substrat herstellbar. Der Fachmann erkennt,
dass für das elektrochemische Ätzen der permeablen
Schicht, diese selbst ebenfalls vorzugsweise elektrisch leitfähig
ist. Eine poröse Aluminiumoxidschicht als permeable Schicht
ist vorzugsweise durch elektrochemisches Ätzen in geeignetem
Elektrolyten, wie beispielsweise Phosphorsäure, aus einer
Aluminiumschicht hergestellt. Eine poröse Siliziumcarbidschicht
als permeable Schicht ist vorzugsweise durch elektrochemisches Ätzen
in flusssäurehaltigem Elektrolyten aus p-dotiertem Siliziumcarbid hergestellt.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Bauelements ist zwischen der Abscheidungsschicht und dem Substrat
eine vorgegebene Gasatmosphäre, insbesondere ein vorgegebener
Innendruck vorgesehen. Hierdurch kann die im Inneren des mikromechanischen
Bauelementes vorliegende Atmosphäre zur Optimierung der
Funktion der mikromechanischen Struktur eingestellt und über die
gesamte Lebensdauer des Bauelementes aufrecht erhalten werden. Die
Abscheidungsschicht ist insbesondere durch Schichtdeposition hergestellt, wodurch
die Poren auf einfache Weise dicht verschließbar sind.
Die Abscheidungsschicht besteht vorzugsweise aus Siliziumkarbid,
Siliziumdioxid (SiO2), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumgermanium
oder polykristallines Silizium und ist, ebenfalls bevorzugt durch
eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD, chemical vapour deposition),
insbesondere plasmaunterstützt (PECVD, plasma enhanced
chemical vapour deposition). Dadurch ist insbesondere eine Abscheidung
bei vorteilhaft niedrigen Temperaturen von etwa 300°C bis
400°C möglich, bei welcher das mikromechanische
Bauelement nicht beschädigt wird.
-
Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einem Substrat, mit
einer mikromechanischen Struktur, wobei eine Verkappung folgende
Schritte umfasst:
- – Erzeugen einer
permeablen Schicht,
- – Ätzen einer Opferschicht und
- – Verschließen der permeablen Schicht durch
Abscheiden einer Abscheidungsschicht.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht
eine vorteilhafterweise einfache Prozessabfolge zur Herstellung
des mikromechanischen Bauelements und die Herstellung eines besonders
flachen Bauelements. Ein zweiter Substratwafer zur Verkappung wird
vorteilhaft eingespart. Der Fachmann erkennt, dass die mikromechanische
Struktur des Substrats in beliebiger, allgemein bekannter Art und
Weise erfolgen kann. Über der mikromechanischen Struktur
wird eine Opferschicht abgeschieden, vorzugsweise elektrisch leitend
und besonders bevorzugt aus Siliziumgermanium. Durch eine elektrisch leitfähige
Verbindung zwischen der permeablen Schicht und dem Substrat wird
ein elektrochemischer Ätzprozess ermöglicht, bei
welchem ein Stromfluss über das Substrat erfolgt. Das Substrat
ist daher vorzugsweise aus p-dotiertem Silizium.
-
Vorzugsweise
wird die permeable Schicht hergestellt, indem zunächst
eine Kappenschicht aufgetragen wird und dieselbe nachfolgend porosifiziert wird.
Beispielsweise besteht die Kappenschicht aus p-dotiertem Siliziumkarbid
oder Aluminium. Das Porosifizieren der Kappenschicht erfolgt dann
vorzugsweise durch elektrochemisches Ätzen. Bei einer Kappenschicht
aus Aluminium wird vorzugsweise in einem phosphorsäurehaltigen
Elektrolyten elektrochemisch geätzt, so dass eine permeable
Schicht aus porösem Aluminiumoxid entsteht. Bei einer Kappenschicht
aus p-dotiertem Siliziumkarbid wird vorzugsweise in einem flusssäurehaltigen
Elektrolyten elektrochemisch geätzt. Es entsteht so eine
permeable Schicht aus porösem Siliziumkarbid. Die so hergestellte
permeable Schicht ist vorteilhafterweise resistent gegen Ätzmedien,
welche zum Ätzen der Opferschicht verwendet werden, so
dass ein Ätzen der Opferschicht durch die permeable Schicht
hindurch erfolgen kann, ohne dass die permeable Schicht dadurch
beeinträchtigt wird. Vorzugsweise erfolgt das Ätzen
der Opferschicht durch Gasphasenätzen, besonders bevorzugt
mit Chlortrifluorid (CIF3). Insbesondere
eine Opferschicht aus Siliziumgermanium lässt sich durch
einen Gasphasenätzprozess vorteilhaft mit hoher Selektivität
entfernen. Ebenfalls bevorzugt ist, bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren bei dem Ätzen der Opferschicht gleichzeitig die
mikromechanischen Struktur freizustellen. Bei Bedarf, insbesondere
falls eine Oxid-Opferschicht in der mikromechanischen Struktur vorhanden
ist, kann auch ein Gasphasenätzschritt mit Fluorwasserstoff
(HF) erfolgen.
-
Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Es
zeigen
-
1 und 2 schematische
Schnittdarstellungen von verschiedenen Vorläuferstrukturen des
erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements
und
-
3 das
erfindungsgemäße Bauelement, zur Verdeutlichung
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
-
Ausführungsform(en) der Erfindung
-
In
den 1 und 3 sind schematische Schnittdarstellungen
von verschiedenen Vorläuferstrukturen eines erfindungsgemäßen
mikromechanischen Bauelements 10, sowie in der 3 ein
erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 10 zur
Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
dargestellt.
-
In
der 1 ist schematisch eine Schnittdarstellung der
ersten Vorläuferstruktur dargestellt. Auf oder in einem
Substrat 1 ist eine mikromechanische Struktur 2 realisiert,
wobei es sich beispielsweise um eine mikromechanische Membranstruktur
handeln kann. Zur Realisierung der mikromechanischen Struktur 2 werden
in bekannter Weise gegebenenfalls Schichten auf das Substrat 1 aufgebracht
und strukturiert. Über der mikromechanischen Struktur 2 ist
eine Opferschicht 3 derart vorgesehen, dass sie die mikromechanische
Struktur 2 zumindest an allen denjenigen Stellen vollständig
umgibt, an denen das Bauelement 10 später eine
Verkappung aufweisen soll. Die Opferschicht 3 überlappt
die mikromechanische Struktur 2 und ist elektrisch leitfähig
mit dem p-dotierten Siliziumsubstrat 1 verbunden. Als Opferschicht 3 wird
vorzugsweise Siliziumgermanium eingesetzt. Auf der Opferschicht 3 wird
eine Kappenschicht 8 abgeschieden, welche später
Teil der Verkappung 4 wird (siehe 3). Die
Kappenschicht 8 besteht vorzugsweise aus Aluminium oder
p-dotiertem Siliziumkarbid. Die vorzugsweise zwischen 100 Nanometer
und 10 Mikrometer starke Kappenschicht 8 der dargestellten
Vorläuferstruktur ist bisher weder permeabel noch porös.
Es besteht eine elektrisch leitfähige Verbindung von dem
Substrat 1 über die Opferschicht 3 zu
der Kappenschicht 8. Durch elektrochemisches Ätzen
wird nunmehr die Kappenschicht 8 porosifiziert, so dass
eine permeable Schicht 5 (siehe 2) entsteht.
-
In 2 ist
eine zweite Vorläuferstruktur des erfindungsgemäßen
Bauelements 10 in Schnittdarstellung abgebildet. Die permeable
Schicht 5 besteht vorzugsweise, je nach dem Ausgangsmaterial
der Kappenschicht 8 (1), aus
porösem Siliziumkarbid oder aus Aluminiumoxid. Eine permeable
Schicht 5 aus Siliziumkarbid entsteht durch elektrochemisches Ätzen
der vorhergehenden Kappenschicht 8 aus Siliziumkarbid in
einem flusssäurehaltigen Elektrolyten. Eine permeable Schicht 5 aus
Aluminiumoxid entsteht durch elektrochemisches Ätzen der
vorhergehenden Kappenschicht 8 aus Aluminium in einem phosphorsäurehaltigen
Elektrolyten. Der Fachmann versteht, dass für das elektrochemische Ätzen ein
Stromfluss zwischen der Kappenschicht 8 bzw. permeablen
Schicht 5 und dem Substrat 1 erfolgt. Sollte dieser
aus Gründen des Aufbaus des Bauelements 10 nicht über
die Opferschicht 3 herstellbar sein, so wäre ein
anderweitiger Substratkontakt zu realisieren.
-
Nach
dem elektrochemischen Ätzen gestattet nunmehr die permeable
Schicht 5 den Zugang von gasförmigen oder flüssigen
Medien zu der Opferschicht 3. Die permeable Schicht 5 ist
dabei inert gegenüber dem Ätzmedium zum Entfernen
der Opferschicht 3, vorzugsweise Chlortrifluorid. Die Opferschicht 3,
sowie gegebenenfalls die mikromechanische Struktur 2 werden
in einem Gasphasenätzschritt freigestellt. Hierdurch wird
die mikromechanische Struktur 2 freigelegt und damit prinzipiell
funktionsfähig, wie in 3 dargestellt.
Gegebenenfalls kann die zur Freistellung der mikromechanischen Struktur
ein Gasphasenätzschritt mit Fluorwasserstoff erfolgen.
-
In 3 ist
das erfindungsgemäße Bauelement 10 dargestellt.
Nach dem Entfernen der Opferschicht 3 (2)
und gegebenenfalls dem Freistellen der mikromechanischen Struktur 2 wird
abschließend die permeable Schicht 5 mit einer
Abscheidungsschicht 7 verschlossen. Die permeable Schicht 5 und die
Abscheidungsschicht 7 bilden sodann gemeinsam eine Verkappung 4 des
mikromechanischen Bauelements 10. Durch die Porengröße
der permeablen Schicht 5 von etwa 10 Nanometer bis 500
Nanometer lässt sich diese vorteilhaft mittels Schichtdeposition
wieder verschließen. Dies erfolgt vorzugsweise durch Abscheidung
von Siliziumkarbid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumgermanium
oder polykristallinem Silizium, besonders bevorzugt im PECVD Prozess
bei vorteilhaft niedrigen Temperaturen von etwa 300°C bis
400°C, welche das mikromechanische Bauelement nicht beschädigen.
Bei der Deposition der Abscheidungsschicht 7 lässt
sich vorteilhaft ein definierter Prozessdruck in dem Bauteil 10 einstellen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-