DE102007053280A1

DE102007053280A1 - Mikromechanisches Bauelement mit einem Membrangitter

Info

Publication number: DE102007053280A1
Application number: DE200710053280
Authority: DE
Inventors: Joerg Brasas; Torsten Kramer; Matthias Palo Alto Illing; Hubert Benzel; Simon Armbruster
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2009-05-14
Also published as: WO2009059857A2; WO2009059857A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat, einem Stabilisierungselement mit Öffnungen und einer zwischen dem Stabilisierungselement und dem Substrat befindlichen Kaverne. Erfindungsgemäß lässt sich aus der Verteilung der Öffnungen in dem Stabilisierungselement auf eine Mindesttiefe der Kaverne schließen. Im Wesentlichen ist vorgesehen, den Abstand der Öffnungen zueinander bei der Ermittlung der notwendigen Kavernentiefe zu berücksichtigen. Dies wird vorteilhafterweise durch eine Ermittlung der Abstände der Flächenmittelpunkte der einzelnen Öffnungen zueinander erreicht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 100 32 579 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements sowie eines nach dem Verfahren hergestellten Halbleiterbauelements bekannt, bei welchem für insbesondere einen Membransensor eine Schicht aus porösiziertem Halbleiterträgermaterial über einer Kavität angeordnet ist. Zur Herstellung der Kavität werden dabei mittels entsprechender Ätzparameter zwei Schichten unterschiedlicher Porosität hergestellt. Während die erste Schicht eine geringere Porosität aufweist und sich bei einem folgenden ersten Temperschritt schließt, nimmt die Porosität der zweiten Schicht während des Temperschritts derart zu, dass eine Kavität bzw. Kaverne gebildet wird. Auf der sich so aus der ersten porösen Schicht gebildeten ersten Membranschicht wird in einem zweiten Prozessschritt bei einer höheren Tempertemperatur eine verhältnismäßig dicke Epitaxieschicht als zweite Membranschicht aufgewachsen.
Durch die so geschilderten Maßnahmen kann der Aufbau eines OMM-Halbleiterbauelements erheblich vereinfacht werden, da eine zusätzlich aufgebrachte Opferschicht nicht erforderlich ist und zudem die Membran selbst bzw. ein wesentlicher Teil der Membran aus Halbleiterträgermaterial erzeugt wird.
Aus der DE 100 30 352 A1 ist ein mikromechanisches Bauelement bekannt, welches einen Tragkörper aus Silizium und eine bereichsweise freitragende, mit dem Tragkörper verbundene Membran aufweist. Zur Stützung ist die Membran bereichsweise oberflächlich mit wenigstens einem Stabilisierungselement versehen. Zur Bildung der bereichsweise freitragenden Membran ist vorgesehen, das Silizium in einem ersten Bereich zu porösizieren und nach Abscheidung der Membranschicht selektiv durch eine Ätzöffnung zu entfernen.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer freitragenden Membran ist aus der DE 10 2004 036 032 A1 bekannt. Dabei wird eine Membranschicht auf einem aus Stegen bzw. aus einem Gitter bestehendem Stabilisierungselement oberhalb einer Kaverne aufgebracht.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat, einem Stabilisierungselement mit Öffnungen und einer zwischen dem Stabilisierungselement und dem Substrat befindlichen Kaverne. Erfindungsgemäß lässt sich aus der Verteilung der Öffnungen in dem Stabilisierungselement auf eine Mindesttiefe der Kaverne schließen.
Im wesentlichen ist vorgesehen, den Abstand der Öffnungen zueinander bei der Ermittlung der notwendigen Kavernentiefe zu berücksichtigen. Dies wird vorteilhafterweise durch eine Ermittlung der Abstände der Flächenmittelpunkte der einzelnen Öffnungen zueinander erreicht.
Um eine verwertbare Aussage über die Abstände der Öffnungen zu erzielen, ist es notwendig, dass das Stabilisierungselement eine Reihe von Öffnungen aufweist, wobei diese Reihe von Öffnungen wenigstens annähernd äquidistante Abstände aufweisen. Es ist jedoch nicht zwangsläufig notwendig, dass die Öffnungen in jeder der beiden lateralen Richtungen vorgesehen sind oder vergleichbare Abstände aufweisen.
Als besonders vorteilhaft stellt sich die Erfindung dar, wenn die Tiefe der Kaverne wenigstens ¼ des Abstands der benachbarten Öffnungen aufweist. Durch eine derartige Ausgestaltung kann bei normalen Ätzbedingungen davon ausgegangen werden, dass die Stabilisierungselemente sicher unterätzt werden. Weiterhin erlaubt es diese Mindesttiefe einer nachfolgend auf die Stabilisierungselemente aufgebrachten Membran, frei zu schwingen, ohne am Boden der Kaverne anzustoßen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das Stabilisierungselement voneinander beabstandete Stege oder ein einstückiges Gitter aufweist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die laterale Ausdehnung der Öffnungen in wenigstens einer Richtung größer als die laterale Ausdehnung der Stege oder der Gitterelemente ist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Stabilisierungselement in einen Rahmen aufgehängt wird, der die Kaverne wenigstens teilweise umschließt. Dieser Rahmen kann dabei in einer Weiterbildung der Erfindung die Kaverne in vertikaler Richtung vollständig begrenzen. Hilfreich könnte auch sein, wenn das Stabilisierungselement und der Rahmen einstückig ausgebildet sind, da damit ein größerer Stabilisierungseffekt verbunden ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Zeichnungen
1a und 1b zeigt die Erzeugung von Stabilisierungselementen über einer Kaverne. In 2 ist die Bestimmung des Flächenmittelspunkt einer Öffnung dargestellt. Mit den 3a und 3b werden Ätzartefakte gezeigt.
Ausführungsbeispiel
Wie bereits eingangs erwähnt, ist es bekannt, Membranen auf sieb-, gitter-, netz- oder stegartigen Stabilisierungselementen zu erzeugen. Dabei werden, wie beispielhaft in der DE 10 2004 036 032 A1 beschrieben, zwei Bereiche 110 und 120 in einem Substrat 100, beispielsweise aus Silizium, mittels unterschiedlicher Dotierungen dotiert. Die Dotierung ist dabei so gewählt, dass bei dem nachfolgenden Ätzvorgang lediglich einer der beiden Bereiche 120 porös geätzt wird, während der andere Bereich 110 von dem Ätzangriff weitestgehend verschont bleibt (siehe 1a). Der Bereich 110 ist dabei bevorzugt in Form von Stegen oder einem Gitter ausgebildet, so dass zwischen den Steg- bzw. Gitterelementen 110 Öffnungen 140 entstehen, durch die das geätzte Material aus dem Bereich 120 entfernt werden kann. Weiterhin kann vorgesehen sein, die Stege bzw. das Gitter 110 in einen Rahmen 130 einzufassen. Ein derartiger Rahmen 130 kann wie in der 1a gezeigt, über die gesamte Tiefe des Bereichs 120 ausgedehnt sein. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. So kann auch vorgesehen sein, den Rahmen in einer ähnlichen vertikalen Ausdehnung wie die Stege bzw. das Gitter 110 auf der Oberfläche des Substrats zu erzeugen.
Um aus dem porösen Bereich 120 eine Kaverne 150 zu erzeugen, wird zunächst auf die Stege bzw. das Gitter 110 eine Epitaxieschicht 160 aufgebracht, die die eigentlich Membranschicht bildet (siehe 1b). Werden die Stege bzw. das Gitter 110 als einkristalline Elemente in dem Bereich 120 erzeugt, so kann unter bestimmten Bedingungen erreicht werden, dass ausgehend von diesen Elementen eine einkristalline Epitaxieschicht 160 aufwächst und die Öffnungen 140 verschließt. Eine derartige Ausgestaltung hat Vorteile hinsichtlich der Stabilität der späteren Membran. Zur endgültigen Bildung der Kaverne 150 ist nach dem Aufbringen der Membranschicht 160 ein Tempervorgang vorgesehen, bei dem sich das poröse Material im Bereich 120 umlagert und einen Hohlraum erzeugt. Alternative Methoden zur Erzeugung des Hohlraumes, sind das chemische Herauslösen des porösen Siliziums bzw. Erzeugung von porösem Silizium mit bis zu 100% Porösität, d. h. bis hin zur Elektropolitur.
Die Lage und Anzahl der Öffnungen 140 bzgl. der Stabilisierungselemente 110 ist eine wesentliche Grundvoraussetzung um sicherzustellen, dass die Stabilisierungselemente 110 vollständig unterätzt werden. Zur Erzeugung einer einheitlichen, stabilen und frei beweglichen Membran mit Hilfe der eingangs beschriebenen Trageelemente ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Tiefe der Kaverne an die Ausgestaltung der Öffnungen in dem Stabilisierungselement anzupassen, so dass deren Ausgestaltung weniger relevant für eine sichere Unterätzung ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Tiefe derart gewählt wird, dass sie von dem Abstand benachbarter Öffnungen in dem Stabilisierungselement abhängt und wenigstens ¼ dieses Abstands beträgt. Zur Erzeugung der gewünschten Tiefe der Kaverne wird die Dotierung bis in die entsprechende Tiefe vorangetrieben oder der nachfolgende Ätzvorgang, insbesondere der elektrochemische Ätzprozess zur Erzeugung von porösem Silizium, entsprechend gesteuert, z. B. über den Stromfluss oder die Ätzdauer.
In 2 wird an einem Beispiel die Definition des Abstands der Öffnungen dargestellt. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die vertikale Dimension zur geeigneten Illustration gegenüber der lateralen bzw. horizontalen Dimension um ein Vielfaches gestaucht ist. Weiterhin wurde im Vergleich zur Darstellung der 1b zur Vereinfachung die Membranschicht weggelassen.
Wie bereits geschildert, befinden sich oberhalb der Kaverne 150 Steg- bzw. Gitterelemente 110, die durch Öffnungen 140 voneinander getrennt sind. Um den Abstand dieser Öffnungen 140 zu ermitteln, wird der Abstand Flächenmittelpunkt 230 zwischen den Steg- bzw. Gitterelementen 110 bestimmt. Der Flächenmittelpunkt 230 einer Öffnung 140 lässt sich beispielsweise über die vertikale Ausdehnung 200 der Steg- bzw. Gitterelemente sowie den Abstand 210 der Mittelpunkte der Steg- bzw. Gitterelemente 110 berechnen.
Eine einfachere Methode den Abstand der Öffnungen abzuschätzen besteht weiterhin darin, eine gleichartige und somit nur gering differenzierende Ausgestaltung der Steg- und Gitterelemente 110 vorauszusetzen, die in der gleichartigen Erzeugung begründet sein könnte. Dadurch lässt sich der Abstand benachbarter Öffnungen einfach als Abstand benachbarter Steg- oder Gitterelemente 110 abschätzen.
Demgegenüber lässt sich die Tiefe der Kaverne einfacher bestimmen, indem als untere Grenze das Substrat 100 und als obere Grenzen die Unterkante der Stabilisierungselemente 100 verwendet wird. Falls durch den verwendeten Tempervorgang oder einem späteren Temperatur schritt diese Stabilisierungselemente 100 in der Membran 160 aufgehen oder die Dimensionen der Membranschichtdicke und der vertikalen Ausdehnung der Stabilisierungselemente um Größenordnungen auseinander liegen, kann auch die Unterkante der Membranschicht 160 als obere Grenze verwendet werden. Hilfsweise kann zudem der mittlere Abstand des Kavernenbodens zur Kavernendecke verwendet werden, um die Tiefe der Kaverne zu bestimmen.
Durch die Vorgabe einer ausreichenden Tiefe der Kaverne 150 in Abhängigkeit von den für den Ätzvorgang erforderlichen Öffnungen 140 kann sichergestellt werden, dass die Stabilisierungsmittel 110 ausreichend unterätzt werden. Würde die Tiefe geringer gewählt, so kann eine unvollständige Unterätzung erfolgen, wie sie in 3a dargestellt ist. Eine derart blockierte Membran könnte nicht frei schwingen und wäre somit nicht verwendbar. Abhilfe könnte eine entsprechend lange und mit einer hohen Temperatur versehene Temperung bringen, so dass sich die Säule 300 zurückbildet, wie in 3b im Bereich 310 dargestellt. Aber auch eine derartige Ausbildung beeinträchtigt unter Umständen die Bewegungsfreiheit der Membran beträchtlich. Zudem ist es oft nicht möglich, das gesamte Substrat mit einer für die Rückbildung erforderlichen Temperung (hohe Temperatur, lange Temperzeit) zu behandeln, da weitere Elemente, die in dem Substrat parallel erzeugt worden sind, empfindlich darauf reagieren könnten.
Mögliche Ausgestaltungen der Stabilisierungselemente 110 in Form von Stegen oder Gittern sind in der DE 10 2004 036 032 A1 ausgeführt, auf die ausdrücklich verwiesen werden soll. Darüber hinaus können die Öffnung 140 als runde, ovale, längliche oder eckige Formen ausgestaltet sein.
Wird in einem weiteren Ausführungsbeispiel für die Aufhängung der Stabilisierungselemente 110 ein Rahmen 130 verwendet, kann zwischen dem Rahmen 130 und dem ersten Stabilisierungselement 110 ein Zwischenraum 240 vorgesehen sein. Dieser Zwischenraum 240 kann sich in seiner lateralen Ausdehnung bewusst von dem der übrigen Öffnungen 140 unterscheiden. Aus diesem Grund ist zur Ermittlung der notwendigen Tiefe der Kaverne der Abstand zwischen benachbarten gleichartigen Öffnungen 140 zu berücksichtigen.
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

- DE 10032579 A1 [0002]
- DE 10030352 A1 [0004]
- DE 102004036032 A1 [0005, 0014, 0022]

Claims

Mikromechanisches Bauelement bestehend aus – einem Substrat (100) und – einem Stabilisierungselement (110) und – einer zwischen dem Substrat (100) und dem Stabilisierungselement (110) befindlichen Kaverne (150), wobei vorgesehen ist, dass das Stabilisierungselement (110) wenigstens zwei Öffnungen (140) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Kaverne (150) vom Abstand der Öffnungen (220) in dem Stabilisierungselement abhängt.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Öffnungen (220) als Abstand der Flächenmittelpunkte (230) der Öffnungen (140) zueinander ermittelt wird.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabilisierungselement (110) eine Reihe von Öffnungen (140) aufweist, wobei vorgesehen ist, dass die Öffnungen in wenigstens einer lateralen Richtung eine Periodizität der Abstände aufweist.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne eine Tiefe aufweist, die wenigstens 1/4 des Abstands bzw. der Periodizität der Öffnungen entspricht.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Stabilisierungselement eine vorzugsweise einkristalline geschlossene Schicht (160) vorgesehen ist, wobei vorgesehen ist, dass die Dicke der einkristallinen Schicht um ein Vielfaches größer als die vertikale Ausdehnung der Stabilisierungselemente ist.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabilisierungselement als Stegelemente vorgesehen ist, wobei vorgesehen ist, dass die Stegelemente in einer lateralen Richtung mittels der Öffnungen beabstandet voneinander oberhalb der Kaverne angeordnet sind.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabilisierungselement als einstückiges Gitter vorgesehen ist, welches Gitterelemente mit dazwischen liegenden Öffnungen aufweist.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine laterale Ausdehnung der Öffnungen größer ist als die laterale Ausdehnung der Stegelemente oder Gitterelemente.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabilisierungselement in einen Rahmen (130) eingebunden ist, die die Kaverne in vertikaler Richtung wenigstens teilweise vollständig umschließt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass das Stabilisierungselement und der Rahmen einstückig ausgebildet ist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stabilisierungselement und dem Rahmen eine Öffnung (240) vorgesehen ist, deren laterale Ausdehnung in wenigstens einer lateralen Richtung sich von den anderen Öffnungen unterscheidet.