Die vorliegende Erfindung betrifft mikroelektromechanische Bauelemente, in denen mikromechanische Komponenten mit elektronischen Schaltungen verbunden sind, zum Beispiel Sensoren, Aktuatoren oder Schalter.The present invention relates to microelectromechanical components in which micromechanical components are connected to electronic circuits, for example sensors, actuators or switches.
Mikroelektromechanische Systeme umfassen Halbleiterbauelemente mit elektronischen Schaltungen und mikromechanische Funktionselemente, die beweglich oder verformbar sind. Damit können unter anderem unterschiedliche Sensoren, Aktuatoren und Schalter realisiert werden. Mikromechanische Funktionselemente sind typischerweise aus Polysilizium. Bei der Herstellung wird üblicherweise eine Polysiliziumschicht auf eine Opferschicht aufgebracht und strukturiert. Die Opferschicht wird dann entfernt, um einen Zwischenraum zu bilden, der eine Bewegung oder Verformung von Strukturelementen der Polysiliziumschicht ermöglicht. Ein hierbei regelmäßig auftretendes Problem ist das Anhaften der freigelegten Strukturen auf der darunter vorhandenen Oberseite des Halbleiterträgers. Dieses Problem tritt insbesondere dann auf, wenn die Opferschicht mittels eines nasschemischen Ätzprozesses entfernt wird und Rückstände einer wässrigen Ätzlösung sowohl die Oberseite des Trägers als auch die Unterseite der freigelegten Strukturen benetzen.Microelectromechanical systems include semiconductor devices with electronic circuits and micromechanical functional elements that are movable or deformable. Thus, among other things, different sensors, actuators and switches can be realized. Micromechanical functional elements are typically made of polysilicon. During production, a polysilicon layer is usually applied to a sacrificial layer and patterned. The sacrificial layer is then removed to form a gap that allows movement or deformation of structural elements of the polysilicon layer. A problem that regularly occurs here is the adherence of the exposed structures to the underlying upper surface of the semiconductor carrier. This problem occurs in particular when the sacrificial layer is removed by means of a wet-chemical etching process and residues of an aqueous etching solution wet both the upper side of the support and the underside of the exposed structures.
In der WO 03/055791 A2 ist ein verbessertes Ätzverfahren für mikromechanische Strukturen beschrieben, bei dem die Ätzung in zwei Verfahrensschritten durchgeführt wird. Zunächst wird eine Siliziumoxidschicht unter der freizulegenden Struktur isotrop ausgeätzt. In dem zweiten Schritt wird zusätzlich ein Trockenmittel verwendet, mit dem restliche Feuchtigkeit entfernt wird, so dass ein Anhaften der freigelegten Struktur vermieden wird.In the WO 03/055791 A2 An improved etching process for micromechanical structures is described in which the etching is carried out in two process steps. First, a silicon oxide layer under the structure to be exposed is etched isotropically. In addition, in the second step, a desiccant is used to remove residual moisture, thereby avoiding sticking of the exposed structure.
Die DE 10 2004 043 233 A1 beschreibt ein Herstellungsverfahren für ein Bauelement mit beweglichen Teilen, die sich zum Träger hin verjüngen.The DE 10 2004 043 233 A1 describes a method of manufacturing a device having moving parts which taper towards the carrier.
In US 6 346 735 B1 sind Halbleitersensor-Bauelemente beschrieben, bei denen eine Sensorstruktur in einer Si-Schicht ausgebildet ist. Konvexe Ausformungen an der Sensorstruktur gegenüber der Substratoberseite werden durch Reste einer Opferschicht aus SiO2 gebildet.In US Pat. No. 6,346,735 B1 Semiconductor sensor devices are described in which a sensor structure is formed in an Si layer. Convex formations on the sensor structure opposite to the upper side of the substrate are formed by residues of a sacrificial layer of SiO 2 .
In US 7 111 513 B2 sind Beschleunigungssensoren beschrieben, bei denen die Sensorstruktur Elektroden an einem beweglichen Masseteil umfasst. Zur Substratoberseite hin sind vorspringende Ausformungen vorhanden, die integrale Bestandteile der Siliziumschicht der Elektroden sind.In US 7 111 513 B2 acceleration sensors are described in which the sensor structure comprises electrodes on a movable mass part. To the substrate top side protruding formations are present, which are integral parts of the silicon layer of the electrodes.
In JP 10-135488 A sind Halbleitersensor-Bauelemente beschrieben, bei denen die Sensorstruktur eine bewegliche Elektrode umfasst, die in einer Polysiliziumschicht ausgebildet ist. Vorspringende Strukturelemente zwischen der Substratoberseite und der beweglichen Elektrode werden durch Ätzen einer dreilagigen Opferschicht aus Siliziumoxid hergestellt, wobei zuvor die Ätzrate der mittleren Opferschicht durch Dotieren mit Phosphor erhöht wird.In JP 10-135488 A Semiconductor sensor devices are described in which the sensor structure comprises a movable electrode which is formed in a polysilicon layer. Projecting structural elements between the substrate top and the movable electrode are produced by etching a three-layered sacrificial layer of silicon oxide, wherein previously the etching rate of the sacrificial middle layer is increased by doping with phosphorus.
In US 2005/0250236 A1 ist ein Herstellungsverfahren beschrieben, bei dem eine als Klinge bezeichnete Struktur in einer Opferschicht aus Poly-Ge gebildet wird, darauf eine Poly-SiGe-Strukturschicht aufgebracht wird und die Opferschicht entfernt wird, so dass die Strukturschicht mit einem durch die Klinge gebildeten Spalt versehen ist.In US 2005/0250236 A1 For example, a manufacturing method is described in which a structure called a blade is formed in a sacrificial layer of poly-Ge, a poly-SiGe structure layer is applied thereon, and the sacrificial layer is removed so that the structure layer is provided with a gap formed by the blade ,
In US 5 939 171 A ist ein mikromechanisches Bauelement beschrieben, das Spitzen als Abstandshalter zwischen dem Substrat und einem beweglichen strukturierten Element aufweist. Die Spitzen werden durch Rückätzen einer Hilfsschicht hergestellt und können aus dielektrischem Material oder Metall sein.In US Pat. No. 5,939,171 A For example, a micromechanical device is described which has tips as spacers between the substrate and a movable structured element. The tips are made by back etching an auxiliary layer and may be of dielectric material or metal.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, erweiterte Möglichkeiten anzugeben, wie mikromechanische Strukturelemente mit Abstandshaltern versehen werden können, die ein Anhaften der Strukturelemente auf der Unterlage verhindern.The object of the present invention is to specify extended possibilities, such as micromechanical structural elements can be provided with spacers, which prevent adhesion of the structural elements on the substrate.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Bauelementes mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved with the method for producing a microelectromechanical component with the features of claim 1. Embodiments emerge from the dependent claims.
Bei dem mikroelektromechanischen Bauelement werden Abstandshalter auf der Oberseite eines Trägers in einem Zwischenraum zwischen einer mikromechanischen Schicht und dem Träger angeordnet. Die Abstandshalter besitzen eine Form, die sich zu der mikromechanischen Schicht hin verjüngt, und können insbesondere mit Spitzen oder Graten versehen sein. Mit dieser Formgebung wird die mögliche Berührungsfläche, in der die mikromechanische Schicht anhaften kann, minimiert. Ein Anhaften der Unterseite der freigeätzten mikromechanischen Schicht auf dem Träger wird auf diese Weise wirkungsvoll verhindert.In the microelectromechanical device, spacers are placed on top of a carrier in a gap between a micromechanical layer and the carrier. The spacers have a shape which tapers towards the micromechanical layer and may in particular be provided with points or ridges. With this shaping, the possible contact surface in which the micromechanical layer can adhere is minimized. An adhesion of the underside of the etched micromechanical layer on the carrier is effectively prevented in this way.
Die Abstandshalter können als Restanteile einer zwischen dem Träger und der mikromechanischen Schicht vorhandenen Opferschicht hergestellt werden. Zu diesem Zweck wird die Opferschicht nicht vollständig entfernt, sondern nur soweit weggeätzt, dass die mikromechanische Schicht zumindest im Umfang eines beweglich oder verformbar vorgesehenen Anteiles freigelegt ist und kleine Restanteile der Opferschicht auf der Oberseite des Trägers verbleiben. Hierbei wird ein isotroper Ätzprozess eingesetzt, aus dem beim Unterätzen unter die mikromechanische Schicht eine zur mikromechanischen Schicht hin schmal oder spitz zulaufende Form der Restanteile der Opferschicht resultiert.The spacers can be produced as residual parts of a sacrificial layer present between the carrier and the micromechanical layer. For this purpose, the sacrificial layer is not completely removed, but only etched away so far that the micromechanical layer is exposed at least in the circumference of a movably or deformably provided portion and small residual portions of the sacrificial layer remain on the upper side of the support. In this case, an isotropic etching process is used, from which undercutting under the micromechanical layer results in a micromechanical layer narrow or tapered shape of the remainder of the sacrificial layer.
Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Bauelementes und des Herstellungsverfahrens anhand der beigefügten Figuren.The following is a more detailed description of examples of the component and the manufacturing method with reference to the attached figures.
Die 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Zwischenprodukt eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens.The 1 shows a cross section through an intermediate product of an embodiment of the method.
Die 2 zeigt einen Querschnitt gemäß der 1 nach dem Strukturieren der mikromechanischen Schicht.The 2 shows a cross section according to the 1 after structuring the micromechanical layer.
Die 3 zeigt einen Querschnitt gemäß der 2 nach dem Herstellen der Abstandshalter.The 3 shows a cross section according to the 2 after making the spacers.
Die 4 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens.The 4 shows a diagram for explaining the manufacturing process.
Die 5 zeigt einen Querschnitt gemäß der 2 für ein weiteres Ausführungsbeispiel.The 5 shows a cross section according to the 2 for a further embodiment.
Die 6 zeigt einen Querschnitt gemäß der 5 nach einem anisotropen Ätzschritt.The 6 shows a cross section according to the 5 after an anisotropic etching step.
Die 7 zeigt einen Querschnitt gemäß der 6 nach dem Herstellen der Abstandshalter.The 7 shows a cross section according to the 6 after making the spacers.
Die 8 zeigt einen Querschnitt gemäß der 5 für ein weiteres Ausführungsbeispiel.The 8th shows a cross section according to the 5 for a further embodiment.
Die 9 zeigt einen Querschnitt gemäß der 6 für das weitere Ausführungsbeispiel der 8.The 9 shows a cross section according to the 6 for the further embodiment of the 8th ,
Die 10 zeigt einen Querschnitt gemäß der 7 für das weitere Ausführungsbeispiel der 8.The 10 shows a cross section according to the 7 for the further embodiment of the 8th ,
Die 11 zeigt einen Querschnitt durch ein Zwischenprodukt einer weiteren Ausführungsform des Herstellungsverfahrens nach dem Herstellen einer Hartmaske.The 11 shows a cross-section through an intermediate product of another embodiment of the manufacturing method after producing a hard mask.
Die 12 zeigt einen Querschnitt gemäß der 11 nach dem Aufbringen einer weiteren Opferschicht, der mikromechanischen Schicht und einer Maske.The 12 shows a cross section according to the 11 after applying a further sacrificial layer, the micromechanical layer and a mask.
Die 13 zeigt einen Querschnitt gemäß der 12 nach dem Herstellen der Abstandshalter.The 13 shows a cross section according to the 12 after making the spacers.
Die 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Zwischenprodukt eines ersten Ausführungsbeispiels des Herstellungsverfahrens. Auf einem Träger 1 befindet sich eine Opferschicht 7, auf der eine Strukturschicht 20 aufgebracht ist. Der Träger kann zum Beispiel ein Halbleiterwafer oder ein anderes Substrat sein, das zumindest bereichsweise insbesondere mit elektronischen Schaltungen und oberseitigen Verdrahtungen versehen sein kann. Die Strukturschicht 20 kann zum Beispiel für mikromechanische Komponenten eines Sensors oder Aktuators vorgesehen sein. Auf der Oberseite der Strukturschicht 20 wird eine Maske 10 gebildet, die zum Beispiel eine fotolithographisch strukturierte Lackmaske sein kann. Die Maske 10 wird verwendet, um die Strukturschicht 20 zu strukturieren, indem diejenigen Anteile der Strukturschicht 20 entfernt werden, die zwischen den in der 1 eingezeichneten vertikalen gestrichelten Linien jeweils unter den Öffnungen der Maske 10 vorhanden sind. Auf diese Weise können zum Beispiel Löcher unterschiedlicher Formen in der Strukturschicht 20 und/oder eine seitliche Berandung der Strukturschicht 20 hergestellt werden.The 1 shows a cross section through an intermediate product of a first embodiment of the manufacturing process. On a carrier 1 there is a sacrificial layer 7 on which a structural layer 20 is applied. The carrier may be, for example, a semiconductor wafer or another substrate, which may be provided, at least in regions, in particular with electronic circuits and top-side wirings. The structural layer 20 may be provided for example for micromechanical components of a sensor or actuator. On the top of the structural layer 20 becomes a mask 10 formed, which may be, for example, a photolithographically structured resist mask. The mask 10 is used to structure layer 20 to structure by dividing those parts of the structural layer 20 be removed between the in the 1 plotted vertical dashed lines respectively below the openings of the mask 10 available. In this way, for example, holes of different shapes in the structural layer 20 and / or a lateral boundary of the structural layer 20 getting produced.
Die 2 zeigt einen Querschnitt gemäß der 1 nach dem Ätzprozess. Die Strukturschicht 20 ist in die mikromechanische Schicht 2 strukturiert worden, die in diesem Beispiel seitliche Ränder 6 und Löcher 5 aufweist. Die Opferschicht 7 wird jetzt durch einen Ätzprozess selektiv zu dem Material der mikromechanischen Schicht 2 geätzt. Das Ätzmittel greift in den Löchern 5 und an den Rändern 6 der mikromechanischen Schicht 2 die Opferschicht 7 an. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Ätzschritt nur isotrop durchgeführt. Das Ätzen erfolgt so lange, bis die mikromechanische Schicht 2 von der Opferschicht 7 abgelöst ist und sich in der vorgesehenen Weise bewegen oder verformen kann. Anders als bei herkömmlichen Freiätzverfahren wird die Opferschicht 7 jedoch nicht vollständig entfernt. Es werden vielmehr von der Opferschicht 7 Restanteile 40 stehen gelassen, die die Abstandshalter bilden, dadurch wird die Oberseite des Trägers 1 mit einer gewissen Rauigkeit versehen und so ein Anhaften der mikromechanischen Schicht 2 auf der Oberseite des Trägers 1 verhindert.The 2 shows a cross section according to the 1 after the etching process. The structural layer 20 is in the micromechanical layer 2 been structured, which in this example lateral edges 6 and holes 5 having. The sacrificial layer 7 now becomes selective to the material of the micromechanical layer by an etching process 2 etched. The etchant engages in the holes 5 and on the edges 6 the micromechanical layer 2 the sacrificial layer 7 at. In this embodiment, the etching step is performed only isotropically. The etching takes place until the micromechanical layer 2 from the sacrificial layer 7 detached and can move or deform in the intended way. Unlike conventional free etching, the sacrificial layer becomes 7 but not completely removed. It's more of the sacrificial shift 7 remaining shares 40 Let stand, which form the spacers, thereby becoming the top of the carrier 1 provided with a certain roughness and thus adhesion of the micromechanical layer 2 on the top of the carrier 1 prevented.
Die 3 zeigt einen Querschnitt gemäß der 2 nach dem Ätzen der Opferschicht 7. Es sind jetzt nur noch Restanteile der Opferschicht vorhanden, die die vorgesehenen Abstandshalter 4 bilden. Zwischen dem Träger 1 und der mikromechanischen Schicht 2 befindet sich ein Zwischenraum 3, der die vorgesehene Beweglichkeit der mikromechanischen Schicht 2 ermöglicht. Wie in der 3 erkennbar ist, sind die Abstandshalter 4 in einer Form ausgebildet, die sich nach oben zur mikromechanischen Schicht 2 hin verjüngt. Die Abstandshalter 4 laufen in Spitzen oder Grate aus, die eine so kleine Oberfläche aufweisen, dass die mikromechanische Schicht 2 nicht daran anhaftet. In der 3 ist außerdem erkennbar, dass der zuvor durchgeführte Ätzprozess infolge der unterschiedlichen Abmessungen der zwischen den Löchern vorhandenen Anteile der mikromechanischen Schicht 2 aus der Opferschicht 7 Abstandshalter 4 unterschiedlicher Höhe entstehen lässt. Auch das verringert die mögliche Berührungsfläche zwischen der Unterseite der mikromechanischen Schicht 2 und der Unterlage und verhindert ein Anhaften der mikromechanischen Schicht 2 an den trägerseitig nächstgelegenen Oberflächen.The 3 shows a cross section according to the 2 after etching the sacrificial layer 7 , There are now only remnants of the sacrificial layer present, the provided spacers 4 form. Between the carrier 1 and the micromechanical layer 2 there is a gap 3 , the intended mobility of the micromechanical layer 2 allows. Like in the 3 recognizable, are the spacers 4 formed in a shape which extends upwards to the micromechanical layer 2 rejuvenated. The spacers 4 Expire in peaks or ridges that have such a small surface area that the micromechanical layer 2 not attached to it. In the 3 In addition, it can be seen that the previously performed etching process, due to the different dimensions of the existing between the holes portions of the micromechanical layer 2 from the sacrificial layer 7 spacer 4 different height arises. This also reduces the potential contact area between the underside of the micromechanical layer 2 and the pad and prevents adhesion of the micromechanical layer 2 on the carrier side nearest surfaces.
Die 4 zeigt ein Diagramm, anhand dessen die Herstellung der Abstandshalter erläutert werden soll. über dem Träger 1 ist im Abstand d die mikromechanische Schicht 2 angeordnet, von der in dem Querschnitt der 4 ein beidseitig durch Löcher oder Ränder begrenzter Anteil dargestellt ist. Zwischen dem Träger 1 und der mikromechanischen Schicht 2 befindet sich ein Zwischenraum 3, der durch das isotrope Ätzen der Opferschicht gebildet wird. Ausgehend von den unteren seitlichen Kanten des Anteils der mikromechanischen Schicht 2 erfolgt der Ätzangriff in alle Richtungen, so dass in zeitlichen Abständen etwa die in der 4 im Bereich des Zwischenraumes 3 eingezeichneten Konturen des jeweils noch vorhandenen Restanteils der Opferschicht gebildet werden.The 4 shows a diagram by which the preparation of the spacers to be explained. over the carrier 1 is the micromechanical layer at a distance d 2 arranged in the cross section of the 4 a portion bounded on both sides by holes or edges is shown. Between the carrier 1 and the micromechanical layer 2 there is a gap 3 which is formed by the isotropic etching of the sacrificial layer. Starting from the lower lateral edges of the portion of the micromechanical layer 2 The etching attack takes place in all directions, so that at intervals about in the 4 in the area of the gap 3 drawn contours of each remaining portion of the sacrificial layer are formed.
Wenn der betreffende Anteil der mikromechanischen Schicht 2 beispielsweise einander gegenüberliegende Ränder aufweist, die parallel zueinander verlaufen, wird beim Unterätzen der mikromechanischen Schicht 2 unter diesen Rändern jeweils ein Volumen der Opferschicht entfernt, das beim Freilegen der Oberseite des Trägers etwa die Form eines Viertelzylinders mit dem Radius des Abstandes d besitzt, entsprechend den äußersten in der 4 eingezeichnete Ätzkonturen. Wenn die laterale Abmessung b zwischen den Rändern der mikromechanischen Schicht 2 größer ist als das Doppelte des Abstandes d, ist die mikromechanische Schicht 2 noch nicht vollständig von der Opferschicht abgelöst, wenn die Oberseite des Trägers 1 bereits soeben freigelegt ist. Es muss daher weiter geätzt werden, wobei sich die Oberfläche des Restanteils der Opferschicht immer weiter zur Mitte unter den Anteil der mikromechanischen Schicht 2 hin verschiebt. Wenn der eingezeichnete Radius r der Ätzkontur erreicht ist, kann der Ätzprozess gestoppt werden, da jetzt von der Opferschicht nur noch der eingezeichnete Abstandshalter 4 der Höhe h und der Breite w übrig ist. In dem Ausführungsbeispiel mit parallelen Rändern des Anteils der mikromechanischen Schicht 2 besitzt der Abstandshalter 4 eine Längserstreckung senkrecht zur Zeichenebene der 4, wobei die zu der Zeichenebene der 4 koplanaren Querschnitte des Abstandshalters jeweils dieselbe Form aufweisen.If the relevant portion of the micromechanical layer 2 For example, having opposing edges that are parallel to each other, is in undercutting the micromechanical layer 2 in each case a volume of the sacrificial layer removed below these edges, which has approximately the shape of a quarter-cylinder with the radius of the distance d when exposing the top of the carrier, corresponding to the outermost in the 4 drawn etching contours. If the lateral dimension b between the edges of the micromechanical layer 2 greater than twice the distance d, is the micromechanical layer 2 not yet completely detached from the sacrificial layer when the top of the wearer 1 already exposed. It must therefore be further etched, with the surface of the remaining portion of the sacrificial layer always further to the center below the proportion of the micromechanical layer 2 shifts. When the drawn radius r of the etching contour is reached, the etching process can be stopped, since now only the drawn spacer from the sacrificial layer 4 the height h and the width w is left over. In the embodiment with parallel edges of the portion of the micromechanical layer 2 owns the spacer 4 a longitudinal extension perpendicular to the plane of the 4 , where the to the plane of the 4 coplanar cross sections of the spacer each have the same shape.
Wenn der Anteil der mikromechanischen Schicht 2, der unterätzt wird, statt dessen beispielsweise in der Aufsicht kreisrund ist, wird der Abstandshalter rotationssymmetrisch ausgebildet. Falls der Ätzprozess durch eine Mehrzahl von benachbart zueinander angeordneten Löchern in der mikromechanischen Schicht 2 erfolgt, besitzt der Abstandshalter 4 eine Mehrzahl von nach innen gewölbten Oberflächen. Bei derartigen Ausgestaltungen kann die Ätzrate richtungsabhängig variieren, da die Fläche, an der das Ätzmittel angreift, in verschiedenen Richtungen unterschiedlich schnell größer wird. Wesentlich ist dabei jedoch, dass die gebildeten Abstandshalter in Richtung auf die mikromechanische Schicht 2 hin spitz zulaufen und so eine Fläche, in der die mikromechanische Schicht anhaften kann, minimiert wird. Durch den isotropen Ätzprozess werden selbsttätig die nach innen gewölbten Oberflächen der Abstandshalter und die prononcierten Spitzen oder Grate hergestellt.If the proportion of micromechanical layer 2 which is etched, instead, for example, in the plan view is circular, the spacer is rotationally symmetrical. If the etching process by a plurality of adjacent holes arranged in the micromechanical layer 2 takes place, has the spacer 4 a plurality of inwardly curved surfaces. In such embodiments, the etch rate may vary depending on the direction, since the area on which the etchant acts increases in different directions at different rates. It is essential, however, that the spacers formed in the direction of the micromechanical layer 2 tapered towards a point and so a surface in which the micromechanical layer can adhere is minimized. The isotropic etching process automatically produces the inwardly curved surfaces of the spacers and the pronounced peaks or ridges.
Für das beschriebene einfache Ausführungsbeispiel, bei dem die Querschnittsfläche des Abstandshalters 4 durch eine geradlinige Oberseite des Trägers 1 und zwei Kreisbögen dreieckig berandet ist, liest man aus der 4 sofort ab, dass w = max{0, b – 2(r2 – d2)1/2} und h = max{0, d – (max{r2, ¼b2} – ¼b2)1/2}, wobei max{x, y} = x, falls x ≥ y, und max{x, y} = y sonst. Der Radius r des Ätzangriffes ergibt sich als Produkt aus Ätzrate und Ätzzeit beziehungsweise als Integral der Ätzrate über die Zeit.For the described simple embodiment, in which the cross-sectional area of the spacer 4 through a straight top of the carrier 1 and two circular arches bordered triangular, one reads from the 4 immediately that w = max {0, b - 2 (r 2 - d 2 ) 1/2 } and h = max {0, d - (max {r 2 , ¼b 2 } - ¼b 2 ) 1/2 }, where max {x, y} = x, if x ≥ y, and max {x, y} = y else. The radius r of the etch attack results from the product of the etch rate and the etch time or as the integral of the etch rate over time.
Falls die Dicke der Opferschicht 7 wesentlich größer ist als die lateralen Abmessungen der Anteile der Strukturschicht 20 zwischen den Löchern oder Rändern, werden die Abstandshalter nur sehr klein, praktisch nur als Unebenheit der Oberseite des Trägers, und mit einer im Vergleich zur Breite w sehr geringen Höhe h ausgebildet. In diesem Fall kann das Herstellungsverfahren in der im Folgenden beschriebenen Weise modifiziert werden, damit größere Abstandshalter hergestellt werden können.If the thickness of the sacrificial layer 7 is much larger than the lateral dimensions of the portions of the structural layer 20 between the holes or edges, the spacers are formed only very small, practically only as unevenness of the top of the carrier, and with a compared to the width w very small height h. In this case, the manufacturing process may be modified in the manner described below to make larger spacers.
Die 5 zeigt einen Querschnitt für eine entsprechende Anordnung einer vergleichsweise dicken Opferschicht 7 auf dem Träger 1. Die Strukturschicht ist hier bereits in die mikromechanische Schicht 2 strukturiert worden und weist die in der 5 dargestellten Löcher 5 auf. Statt sofort mit dem isotropen Ätzen zu beginnen, wird in diesem Ausführungsbeispiel zunächst anisotrop in Richtung auf den Träger 1 geätzt, um die in der 5 mit den gestrichelten Konturen dargestellten Aussparungen herzustellen.The 5 shows a cross section for a corresponding arrangement of a comparatively thick sacrificial layer 7 on the carrier 1 , The structural layer is already here in the micromechanical layer 2 has been structured and has the in the 5 holes shown 5 on. Instead of starting immediately with the isotropic etching, in this embodiment initially anisotropic in the direction of the carrier 1 etched to those in the 5 produce recesses shown with the dashed contours.
Die 6 zeigt einen Querschnitt gemäß der 5 nach dem anisotropen Ätzen der Aussparungen in der durch die Pfeile angedeuteten Ätzrichtung. Vorzugsweise erfolgt das anisotrope Ätzen so weit, bis die unter den Aussparungen vorhandene Restschicht der Opferschicht 7 eine senkrecht zu der Oberseite des Trägers 1 gemessene Dicke aufweist, die möglichst genau der halben Breite der unter der mikromechanischen Schicht 2 noch in der ursprünglichen Dicke vorhandenen Anteile der Opferschicht 7 entspricht (entsprechend der Beziehung b = 2d in der 4, wobei d jetzt die Restschichtdicke ist), da bei dieser Wahl der betreffenden Abmessungen die Abstandshalter besonders gut ausgebildet werden können. Anschließend wird die Opferschicht 7 mit einem isotropen Ätzprozess bis auf die Restanteile 40 entfernt, die in der 6 mit gestrichelten Linien eingezeichnet sind. Im unteren Bereich der Opferschicht 7 erfolgt der Ätzeingriff in alle Richtungen etwa in der anhand der 4 erläuterten Weise, so dass auch bei dieser Ausführungsform des Verfahrens die Restanteile 40 mit nach innen gewölbten Oberflächen und spitz zulaufenden Formen entsprechend dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgebildet werden.The 6 shows a cross section according to the 5 after the anisotropic etching of the recesses in the direction of etching indicated by the arrows. Preferably, the anisotropic etching takes place until the residual layer of the sacrificial layer present under the recesses 7 one perpendicular to the top of the carrier 1 has measured thickness which is as accurate as half the width of the under micromechanical layer 2 still present in the original thickness of the sacrificial layer 7 corresponds (corresponding to the relationship b = 2d in the 4 where d is now the residual layer thickness), since in this choice of dimensions, the spacers can be formed very well. Subsequently, the sacrificial layer 7 with an isotropic etching process except for the remaining parts 40 removed in the 6 drawn with dashed lines. In the lower part of the sacrificial layer 7 the etching is carried out in all directions approximately in the basis of 4 explained manner, so that also in this embodiment of the method, the residual proportions 40 be formed with inwardly curved surfaces and tapered shapes according to the embodiment described above.
Die 7 zeigt das Ergebnis dieses Ätzverfahrens, das in zwei Stufen, zunächst isotrop und dann anisotrop, durchgeführt wird. Ein Vergleich der 3 und 7 zeigt, dass auch bei Ausführungsbeispielen mit einem sehr großen Abstand d zwischen der mikromechanischen Schicht 2 und dem Träger 1 ausreichend hohe und spitz zulaufende Abstandshalter 4 hergestellt werden können, die ein Anhaften der mikromechanischen Schicht 2 auf der Trägeroberseite wirkungsvoll verhindern.The 7 shows the result of this etching process, which is carried out in two stages, first isotropic and then anisotropic. A comparison of 3 and 7 shows that even in embodiments with a very large distance d between the micromechanical layer 2 and the carrier 1 sufficiently high and tapered spacers 4 can be produced, the adhesion of the micromechanical layer 2 Effectively prevent on the vehicle upper side.
Die 8 zeigt eine Anordnung für ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem auf die Opferschicht 7 und die strukturierte mikromechanische Schicht 2 eine weitere Maske 30 aufgebracht worden ist. Die weitere Maske 30 dient dazu, die Bereiche, in denen die Abstandshalter hergestellt werden, unabhängig von den Anteilen der mikromechanischen Schicht 2 zu variieren. Bei dem in der 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Opferschicht 7 entsprechend dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel relativ dick ausgebildet. Es wird daher auch in diesem Beispiel zunächst anisotrop geätzt, um die in der 8 mit gestrichelten Linien angedeuteten Aussparungen herzustellen.The 8th shows an arrangement for a further embodiment, in which the sacrificial layer 7 and the structured micromechanical layer 2 another mask 30 has been applied. The further mask 30 The purpose of this is to provide the areas in which the spacers are made, regardless of the proportions of the micromechanical layer 2 to vary. In the in the 8th illustrated embodiment is the sacrificial layer 7 formed relatively thick according to the embodiment described above. It is therefore anisotropically etched in this example, in order to those in the 8th produce recesses indicated by dashed lines.
Die 9 zeigt einen Querschnitt gemäß der 8 eines Zwischenproduktes, das man durch anisotropes Ätzen in der in der 9 mit den Pfeilen angedeuteten Richtung erhält. Die mit einem anschließenden isotropen Ätzprozess hergestellten Restanteile 40 der Opferschicht 7 sind in der 9 mit gestrichelten Linien eingezeichnet.The 9 shows a cross section according to the 8th an intermediate obtained by anisotropic etching in the 9 direction indicated by the arrows. The residual components produced with a subsequent isotropic etching process 40 the sacrificial layer 7 are in the 9 drawn with dashed lines.
Die 10 zeigt das Ergebnis dieses isotropen Ätzprozesses, mit dem die Abstandshalter 4 auf der Oberseite des Trägers 1 hergestellt werden. Zwischen dem Träger 1 und der mikromechanischen Schicht 2 befindet sich auch in diesem Ausführungsbeispiel ein relativ hoher Zwischenraum 3. Im Unterschied zu der Ausgestaltung gemäß dem Querschnitt der 7 befinden sich jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel der 10 die Abstandshalter 4 nicht alle zentriert unter den jeweiligen Anteilen der mikromechanischen Schicht 2, sondern teilweise seitlich versetzt dazu. Das wird durch die Verwendung der weiteren Maske 30 erreicht. Eine derartige Modifikation der Positionen der Abstandshalter relativ zu den Anteilen der mikromechanischen Schicht 2 ist auch bei einer Anordnung gemäß der 2 mit einer geringen vertikalen Abmessung des Zwischenraumes 3 möglich; bei geringem Abstand d der mikromechanischen Schicht 2 von dem Träger 1 kann auf den anisotropen Ätzschritt verzichtet werden.The 10 shows the result of this isotropic etching process, with which the spacers 4 on the top of the carrier 1 getting produced. Between the carrier 1 and the micromechanical layer 2 There is also a relatively high gap in this embodiment 3 , In contrast to the embodiment according to the cross section of 7 However, in this embodiment are the 10 the spacers 4 not all centered under the respective portions of the micromechanical layer 2 , but partially offset laterally. This is done by using the additional mask 30 reached. Such a modification of the positions of the spacers relative to the portions of the micromechanical layer 2 is also in an arrangement according to the 2 with a small vertical dimension of the gap 3 possible; at a small distance d of the micromechanical layer 2 from the carrier 1 can be dispensed with the anisotropic etching step.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird die Strukturschicht nicht als mikromechanische Schicht eines mikromechanischen Bauelementes verwendet, sondern nur als Maskenschicht zur Herstellung der Abstandshalter. Die 11 zeigt einen Querschnitt einer entsprechenden Anordnung, bei der auf den Träger 1 eine Opferschicht 7 und eine Strukturschicht 20 aufgebracht worden sind. Die Strukturschicht 20 ist zum Beispiel mittels einer fotolithographisch strukturierten Lackmaskenschicht zu einer Hartmaskenschicht 8 strukturiert worden. Diese Hartmaske wird verwendet, um in einem isotropen Ätzschritt die Restanteile 40 der Opferschicht 7 in der mit gestrichelten Linien in der 11 dargestellten Form auszubilden. Vorzugsweise wird die laterale Abmessung der einzelnen Anteile der Hartmaskenschicht 8 doppelt so groß wie die Dicke der Opferschicht 7 gewählt (entsprechend der Beziehung b = 2d in der 4). Im Falle geradliniger Berandungen der Hartmaske werden bei dieser Wahl der Abmessungen unter den einander gegenüberliegenden Rändern der Anteile der Hartmaske jeweils Viertelzylinder ausgeätzt. Im Bereich der Öffnungen der Hartmaskenschicht 8 wird so die Oberseite des Trägers 1 von der Opferschicht 7 freigelegt, während die Spitzen der Restanteile 40 der Opferschicht die Unterseiten der Hartmaskenschicht 8 gerade berühren. Diese Anordnung ist nicht zwingend, aber besonders bevorzugt für dieses Ausführungsbeispiel des Verfahrens. Statt einer Hartmaskenschicht kann auch eine strukturierte Lackmaske verwendet werden.In another embodiment of the method, the structural layer is not used as a micromechanical layer of a micromechanical device, but only as a mask layer for the production of the spacers. The 11 shows a cross section of a corresponding arrangement, in which the carrier 1 a sacrificial layer 7 and a structural layer 20 have been applied. The structural layer 20 is for example by means of a photolithographically structured resist mask layer to a hard mask layer 8th been structured. This hardmask is used to remove the residual parts in an isotropic etching step 40 the sacrificial layer 7 in the dashed lines in the 11 form shown form. Preferably, the lateral dimension of the individual portions of the hardmask layer becomes 8th twice the thickness of the sacrificial layer 7 chosen (corresponding to the relationship b = 2d in the 4 ). In the case of rectilinear boundaries of the hard mask, in this choice of dimensions, quarter-cylinders are etched under the mutually opposite edges of the portions of the hard mask. In the area of the openings of the hard mask layer 8th So will the top of the vehicle 1 from the sacrificial layer 7 uncovered while the tips of the residuals 40 the sacrificial layer the lower surfaces of the hard mask layer 8th just touch. This arrangement is not mandatory, but particularly preferred for this embodiment of the method. Instead of a hard mask layer, a structured resist mask can also be used.
Nach dem Entfernen der Hartmaskenschicht 8 oder einer statt dessen verwendeten sonstigen Maske bleiben die in der 12 dargestellten Abstandshalter 4 auf der Oberseite des Trägers 1 stehen. Es wird dann ganzflächig eine weitere Opferschicht 9 aus einem Material aufgebracht, das bezüglich des Materials der zuvor verwendeten Opferschicht 7 und somit bezüglich der Abstandshalter 4 selektiv entfernt werden kann. Es kann auch für beide Opferschichten dasselbe Material, zum Beispiel Oxid oder vorzugsweise Nitrid verwendet werden. In diesem Fall wird das restliche Material der geätzten Opferschicht 7 durch Erhitzen verdichtet, um zu erreichen, dass das für die weitere Opferschicht 9 aufgebrachte Material derselben chemischen Zusammensetzung dennoch selektiv bezüglich der Abstandshalter 4 geätzt werden kann. Hierfür ist Nitrid besser geeignet als Oxid. Die weitere Opferschicht 9 kann insbesondere so dick hergestellt werden, dass sie eine im Wesentlichen ebene Oberseite aufweist. Gegebenenfalls kann die Oberseite auch in einem zusätzlichen Planarisierungsschritt eingeebnet werden. Es kann dann auf die Oberseite der weiteren Opferschicht 9 die mikromechanische Schicht 2 ganzflächig aufgebracht und mittels der Maske 10 strukturiert werden.After removing the hard mask layer 8th or a mask used instead remain in the 12 shown spacers 4 on the top of the carrier 1 stand. It then becomes an entire sacrificial layer over its entire surface 9 made of a material which, relative to the material of the previously used sacrificial layer 7 and thus with respect to the spacers 4 can be selectively removed. The same material, for example oxide or preferably nitride, can also be used for both sacrificial layers. In this case, the remaining material becomes the etched sacrificial layer 7 condensed by heating to achieve that for the further sacrificial layer 9 deposited material of the same chemical composition yet selective with respect to the spacers 4 can be etched. For this purpose, nitride is better suited than oxide. The further sacrificial shift 9 In particular, it can be made so thick that it has a substantially flat upper side. Optionally, the top can also be leveled in an additional planarization step. It can then be on top of the further sacrificial layer 9 the micromechanical layer 2 Applied over the entire surface and by means of the mask 10 be structured.
In der 13 ist das Ergebnis dieses Ausführungsbeispiels nach dem Entfernen der weiteren Opferschicht 9 dargestellt. Auf dem Träger 1 befinden sich die Abstandshalter 4 und darüber die Anteile der mikromechanischen Schicht 2, die von dem Träger 1 durch den Zwischenraum 3 getrennt sind. Mit dieser Ausführungsform des Verfahrens lassen sich insbesondere auch bei Verwendung einer mikromechanischen Schicht mit unregelmäßiger Struktur Abstandshalter 4 herstellen, die alle dieselben Abmessungen, insbesondere dieselbe Höhe, aufweisen. In dem in der 13 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Anteile der mikromechanischen Schicht 2 jeweils genau über den Abstandshaltern 4 angeordnet.In the 13 is the result of this embodiment after removal of the further sacrificial layer 9 shown. On the carrier 1 are the spacers 4 and above, the proportions of the micromechanical layer 2 from the carrier 1 through the gap 3 are separated. With this embodiment of the method, in particular spacers can also be used when using a micromechanical layer having an irregular structure 4 all having the same dimensions, in particular the same height. In the in the 13 illustrated embodiment, the individual portions of the micromechanical layer 2 each exactly over the spacers 4 arranged.
Es ist statt dessen auch möglich, die Anteile der mikromechanischen Schicht 2 seitlich versetzt zu den Abstandshaltern 4 anzuordnen, da die Abstandshalter 4 ja bereits ausgebildet sind, wenn die mikromechanische Schicht 2 strukturiert wird. Außerdem können die lateralen Abmessungen der Anteile der mikromechanischen Schicht 2 stärker variiert werden, als das in der 13 dargestellt ist. Diese Ausführungsform des Verfahrens gestattet es auch, zum Beispiel zwei oder mehrere Abstandshalter unter einem Anteil der mikromechanischen Schicht 2 anzuordnen. Eine solche Ausgestaltung ist in der 13 mit den gestrichelten Linien angedeutet; hierbei sind auf der rechten Seite der Darstellung nicht zwei getrennte Anteile der mikromechanischen Schicht 2, sondern entsprechend der gestrichelten Kontur ein zusammenhängender Anteil vorhanden, unter dem sich in diesem Beispiel zwei der Abstandshalter 4 befinden.It is also possible, the shares of micromechanical layer 2 laterally offset to the spacers 4 to arrange, since the spacers 4 yes are already formed when the micromechanical layer 2 is structured. In addition, the lateral dimensions of the portions of the micromechanical layer 2 be more varied than that in the 13 is shown. This embodiment of the method also allows, for example, two or more spacers below a portion of the micromechanical layer 2 to arrange. Such an embodiment is in the 13 indicated by the dashed lines; In this case, on the right side of the illustration are not two separate portions of the micromechanical layer 2 but according to the dashed contour a contiguous portion exists, below which in this example two of the spacers 4 are located.
Zum Ätzen der Abstandshalter kann eine mikromechanische Schicht außer mit der für das mikromechanische Bauelement ohnehin vorgesehenen Struktur noch mit speziellen Ätzlöchern versehen werden. Damit ist es möglich, die Form und Position der Abstandshalter gezielt im Hinblick auf deren Funktion zu optimieren. Die Strukturschicht und die Opferschicht sind aus Materialien zu wählen, die es gestatten, die Opferschicht selektiv in Bezug auf das Material der Strukturschicht zu entfernen. Als Materialien kommen insbesondere Silizium und Siliziumoxid in Frage. Das Silizium ist hierbei für die Strukturschicht oder die Opferschicht vorgesehen, während das Siliziumoxid für die jeweils andere Schicht vorgesehen ist. Das Silizium kann amorph oder in Form von Polysilizium, für die Strukturschicht auch kristallin verwendet werden. Falls Siliziumoxid für die Strukturschicht verwendet wird, kann Silizium oder Metall für die Opferschicht vorgesehen werden. Bei Verwendung von Silizium, insbesondere Polysilizium, für die Strukturschicht kann die Opferschicht auch SiGe sein. Wenn Germanium für die Opferschicht verwendet wird, kann die Strukturschicht SiGe oder Silizium sein. Die Materialien sind aber nicht auf diese Beispiele beschränkt.For etching the spacers, a micromechanical layer can be provided with special etching holes in addition to the structure provided anyway for the micromechanical component. This makes it possible to optimize the shape and position of the spacers specifically with regard to their function. The structural layer and the sacrificial layer are to be selected from materials that allow the sacrificial layer to be selectively removed with respect to the material of the structural layer. As materials in particular silicon and silicon oxide come into question. The silicon is in this case provided for the structural layer or the sacrificial layer, while the silicon oxide is provided for the respective other layer. The silicon may be amorphous or in the form of polysilicon, and crystalline may also be used for the structural layer. If silicon oxide is used for the structural layer, silicon or metal may be provided for the sacrificial layer. When using silicon, in particular polysilicon, for the structural layer, the sacrificial layer can also be SiGe. When germanium is used for the sacrificial layer, the structural layer may be SiGe or silicon. The materials are not limited to these examples.
Für eine Opferschicht aus Silizium können als Ätzmittel z. B. Tetramethylammoniumhydroxid, SF6 oder XeF6 verwendet werden. Siliziumoxid, insbesondere SiO2, kann mit wässriger HF oder anhydridem HF-Gas geätzt werden. Wenn die Opferschicht Metall oder Silizium ist und die Strukturschicht Siliziumoxid ist, kann als Ätzmittel KOH (Kaliumhydroxid) verwendet werden. Germanium kann mit Wasserstoffperoxid (H2O2) geätzt werden. Für eine Opferschicht aus SiGe ist eines der folgenden Ätzmittel geeignet:
K2Cr2O7:HF:H2O (Secco-Lösung), HNO3 conc.:CrO3:HF:H2O, insbesondere im Verhältnis 1:1:2:2 (Wright-Lösung), CH3COOOH (Peroxyessigsäure):HF:H2O im Verhältnis 1:1:1, CH3COOH (Essigsäure):HF:H2O2 oder HNO3:HF:H2O.For a sacrificial layer of silicon can be used as etchant z. As tetramethylammonium hydroxide, SF 6 or XeF 6 are used. Silicon oxide, especially SiO 2 , can be etched with aqueous HF or anhydride HF gas. When the sacrificial layer is metal or silicon and the structural layer is silicon oxide, KOH (potassium hydroxide) may be used as the etchant. Germanium can be etched with hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). For a sacrificial layer of SiGe, one of the following etchants is suitable:
K 2 Cr 2 O 7 : HF: H 2 O (Secco solution), HNO 3 conc.: CrO 3 : HF: H 2 O, in particular in the ratio 1: 1: 2: 2 (Wright solution), CH 3 COOOH (peroxyacetic acid): HF: H 2 O in the ratio 1: 1: 1, CH 3 COOH (acetic acid): HF: H 2 O 2 or HNO 3 : HF: H 2 O.
Die Präzision des Ätzvorganges kann dadurch erhöht werden, dass mittels einer in die Opferschicht hinein erfolgenden Implantation von Dotierstoff zumindest im Bereich der herzustellenden Abstandshalter die Ätzrate verringert wird.The precision of the etching process can be increased by reducing the etching rate by means of an implantation of dopant into the sacrificial layer, at least in the region of the spacers to be produced.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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11
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Trägercarrier
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22
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mikromechanische Schichtmicromechanical layer
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33
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Zwischenraumgap
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44
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Abstandshalterspacer
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55
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Lochhole
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66
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Randedge
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77
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Opferschichtsacrificial layer
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88th
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HartmaskenschichtHard mask layer
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99
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weitere Opferschichtanother sacrificial layer
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1010
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Maskemask
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2020
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Strukturschichtstructural layer
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3030
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weitere Maskeanother mask
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4040
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Restanteil der OpferschichtRemaining part of the sacrificial layer
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bb
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laterale Abmessunglateral dimension
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dd
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Abstanddistance
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hH
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Höhe eines AbstandshaltersHeight of a spacer
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rr
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Radiusradius
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ww
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Breite eines AbstandshaltersWidth of a spacer
