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Die
Erfindung betrifft eine elektromechanische Mikrostruktur gemäß Patentanspruch
1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer elektromechanischen Mikrostruktur
gemäß Patentanspruch 7.
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Stand der Technik
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Aus
Halbleitersubstraten gefertigte elektromechanische Mikrostrukturen
(MEMS) sind bekannt. Solche MEMS-Strukturen weisen üblicherweise
Federelemente und bewegliche Komponenten auf. Es ist bekannt, polykristalline
MEMS-Strukturen herzustellen. Dabei wird auf einer Oxidschicht eine
polykristalline Silizium-Startschicht abgeschieden, die über
eine epitaktische Abscheidung aufgedickt wird. Durch geeignete Prozessführung
können unter der MEMS-Struktur Kontaktflächen,
Leiterbahnen und Elektroden integriert werden. Dies ist beispielsweise in
der
DE 195 37 814 beschrieben.
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Weiter
ist die Herstellung einkristalliner MEMS-Strukturen mit Hilfe von
SOI-Substraten bekannt. Kontaktflächen, Leiterbahnen und
Elektroden müssen in dieser Technik aufwendig oberhalb
der MEMS-Struktur angebracht werden.
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Weiterhin
ist bekannt, dass Oxidschichten mittels einer epitaktischen Abscheidung
von lateral benachbarten einkristallinen Bereichen aus einkristallin überwachsen
werden können. Dies ist beispielsweise in den Publikationen
[1],[2] und [3] beschrieben.
- [1] "A micromachining
technique for a thin silicon membrane using merged epitaxial lateral
overgrowth of silicon and SiO2 for an etch-stop", James
J. Pak, Abul E. Kabir, Gerold W. Nedeck, James H. Logsdon, David
R. DeRoo and Steven E. Staller, TRANSDUCERS '91, 1991 International
Conference on Solid-State Sensors and Actuators. Digest of Technical Papers
(Cat. No. 91CH2817-5), San Francisco, CA, USA, 24–27 June
1991/1991/4160016
- [2] "Automatic etch stop on buried oxide using
epitaxial lateral overgrowth", Gennisen P. T. J., Bartek
M., French P. J., Sarro P. M., Wolffenbuttel R. F., Proceedings
of the International Solid-State Sensors and Actuators Conference – TRANSDUCERS
'95; Stockholm, Sweden, 25–29 June 1995/1995/5248250 CA Conference
Paper (C)
- [3] "A new epitaxial lateral overgrowth silicon
bipolar transistor", Gerold W. Neudeck, IEEE Electron Device
Letters, Vol. EDL-8, No. 10, October 1987
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Offenbarung der Erfindung
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Eine
erfindungsgemäße elektromechanische Mikrostruktur
umfasst ein bewegliches Element, das über ein Federelement
mit einem Substrat verbunden ist. Dabei weist entweder das bewegliche
Element einen Bereich aus wenigstens teilweise polykristallinem
Silizium und das Federelement einen Bereich aus wenigstens teilweise
einkristallinem Silizium, oder das bewegliche Element einen Bereich
aus wenigstens teilweise einkristallinem Silizium und das Federelement
einen Bereich aus wenigstens teilweise polykristallinem Silizium
auf. Vorteilhafterweise wird im einkristallinen Bereich dieser elektromechanischen
Mikrostruktur eine durch die statistische Verteilung der Kristallorientierungen
der Einzelkristalle bewirkte Anisotropie vermieden.
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Bevorzugt
weist das bewegliche Element einen Bereich aus wenigstens teilweise
polykristallinem Silizium und das Federelement einen Bereich aus
wenigstens teilweise einkristallinem Silizium auf. Ein Vorteil einer
solchen elektromechanischen Mikrostruktur mit einkristallinem Federelement
besteht darin, dass im Vergleich zu einem Federelement aus polykristallinem
Material eine durch die statistische Verteilung der Kristallorientierungen
der Einzelkristalle innerhalb des Federelements bewirkte Vorauslenkung
des Federelements vermieden wird. Dadurch werden beispielsweise
die Eigenschaftsstreuungen der Federelemente bei Beschleunigungssensoren und
Drehratensensoren mit dünnen Federelementen reduziert.
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Bevorzugt
ist das bewegliche Element über das Federelement mit einer
Federaufhängung verbunden und die Federaufhängung
mit dem Substrat verbunden. Vorteilhafterweise bilden das bewegliche Element
und das Federelement dann ein relativ zum Substrat auslenkbares
Feder-Masse-System.
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Bevorzugt
weist auch die Federaufhängung einen Bereich aus wenigstens
teilweise einkristallinem Silizium auf. Dadurch können
vorteilhafterweise Übergangseffekte zwischen polykristallinen
und einkristallinen Bereichen vermieden werden.
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Zweckmäßigerweise
ist das bewegliche Element elektrisch leitfähig an eine
Zuleitung gekoppelt, die in einer mit dem Substrat verbundenen leitfähigen Schicht
angeordnet ist. Die erlaubt es vorteilhafterweise, das bewegliche
Element als bewegliche Elektrode zu verwenden.
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Ebenfalls
zweckmäßig ist es, unterhalb des beweglichen Elements
eine mit dem Substrat verbundene Elektrode anzuordnen. Dann können
das bewegliche Element und die Elektrode als Plattenkondensator
mit variablem Plattenabstand verwendet werden. Dazu ist das bewegliche
Element bevorzugt elektrisch von der unterhalb des beweglichen Elements
angeordneten Elektrode isoliert.
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Bevorzugt
sind die unterhalb des beweglichen Elements angeordnete Elektrode
und die elektrisch leitfähig an das bewegliche Element
gekoppelte Zuleitung elektrisch von dem Substrat isoliert.
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In
einer Ausführungsform der elektromechanischen Mikrostruktur
ist die Mikrostruktur Teil eines Drehraten- oder Beschleunigungssensors.
Vorteilhafterweise streuen die Eigenschaften solcher Drehraten-
oder Beschleunigungssensoren mit einkristallinem Federelement weniger
stark als solche mit polykristallinem Federelement.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer
elektromechanischen Mikrostruktur weist Verfahrensschritte auf zum
Ausbilden eines beweglichen Elements und zum Ausbilden eines Federelements,
das das bewegliche Element mit dem Substrat verbindet. Dabei wird
entweder das bewegliche Element mit ei nem Bereich aus wenigstens
teilweise polykristallinem Silizium und das Federelement mit einem
Bereich aus wenigstens teilweise einkristallinem Silizium ausgebildet,
oder das bewegliche Element mit einem Bereich aus wenigstens teilweise
einkristallinem Silizium und das Federelement mit einem Bereich
aus wenigstens teilweise polykristallinem Silizium ausgebildet.
Vorteilhafterweise eignet sich dieses Verfahren zum Herstellen einer
elektromechanischen Mikrostruktur mit gemischten einkristallinen und
polykristallinen Bereichen. Vorteilhafterweise wird im einkristallinen
Bereich einer nach diesem Verfahren hergestellten elektromechanischen
Mikrostruktur eine durch die statistische Verteilung der Kristallorientierungen
der Einzelkristalle bewirkte Anisotropie vermieden.
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Bevorzugt
wird das bewegliche Element mit einem Bereich aus wenigstens teilweise
polykristallinem Silizium und das Federelement mit einem Bereich
aus wenigstens teilweise einkristallinem Silizium ausgebildet. Ein
Vorteil einer nach diesem Verfahren hergestellten elektromechanischen
Mikrostruktur mit einkristallinem Federelement besteht darin, dass
im Vergleich zu einem Federelement aus polykristallinem Material
eine durch die statistische Verteilung der Kristallorientierungen
der Einzelkristalle innerhalb des Federelements bewirkte Vorauslenkung
des Federelements vermieden wird. Dadurch werden beispielsweise
die Eigenschaftsstreuungen der Federelemente bei Beschleunigungssensoren und
Drehratensensoren mit dünnen Federelementen reduziert.
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Bevorzugt
werden zum Ausbilden des beweglichen Elements und des Federelements
Verfahrensschritte ausgeführt zum Ausbilden eines lateralen
Federbereichs mit einer dielektrischen Schicht auf dem Substrat,
zum Ausbilden eines lateralen Bereichs mit einer Schicht aus polykristallinem
Silizium auf dem Substrat, zum Ausbilden eines lateralen Federtrennbereichs
mit einer freiliegenden Substratoberfläche auf dem Substrat,
und zum epitaktischen Abscheiden von Silizium. Vorteilhafterweise
können dadurch während des epitaktischen Abscheidens gleichzeitig
polykristalline und einkristalline Bereiche erzeugt und die dielektrische
Schicht wahlweise einkristallin oder polykristallin überwachsen
werden.
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Bevorzugt
werden zum Ausbilden der unterschiedlichen lateralen Bereiche auf
dem Substrat Verfahrensschritte ausgeführt zum Vorsehen
eines Substratwafers mit einer lateralen Substratoberfläche,
zum Abscheiden einer ersten dielektrischen Schicht auf der Substratoberfläche,
zum Abscheiden und Strukturieren ei ner leitfähigen Schicht,
wobei die leitfähige Schicht in dem lateralen Federaufhängbereich,
in einem lateralen MEMS-Bereich und in einem lateralen Zuleitungsbereich
verbleibt, und wobei in übrigen lateralen Bereichen die
erste dielektrische Schicht freigelegt wird, zum Abscheiden und
Strukturieren einer zweiten dielektrischen Schicht, wobei im Federaufhängbereich
die leitfähige Schicht freigelegt wird, und wobei in dem
lateralen Federtrennbereich die Substratoberfläche freigelegt
wird, und zum Abscheiden und Strukturieren einer Schicht aus polykristallinem
Silizium, wobei im Federtrennbereich die Substratoberfläche
freigelegt wird, und wobei in einem lateralen Federbereich die erste
oder die zweite dielektrische Schicht freigelegt wird. Außerdem
werden nach dem epitaktischen Abscheiden von Silizium Verfahrensschritte
ausgeführt zum Strukturieren des abgeschiedenen Siliziums,
wobei in einem den Federaufhängbereich, den Federbereich
und den MEMS-Bereich umgebenden Bereich die erste oder die zweite
dielektrische Schicht oder die Substratoberfläche freigelegt
wird, und zum Herauslösen der ersten und/oder der zweiten
dielektrischen Schicht im MEMS-Bereich und im Federbereich. Vorteilhafterweise
eignet sich dieses Verfahren zum Herstellen einer elektromechanischen
Mikrostruktur mit gemischten einkristallinen und polykristallinen
Bereichen. Dabei ist es auch möglich, unter den beweglichen
Strukturen der elektromechanischen Mikrostruktur Kontaktflächen,
Leiterbahnen und Elektroden anzuordnen. Vorteilhafterweise gestattet
es das Verfahren insbesondere, elektromechanische Mikrostrukturen
mit einkristallinen Federn herzustellen. Diese haben gegenüber
polykristallinen Federn den Vorteil, eine durch eine statistische
Verteilung der Kristallorientierungen der Einzelkristalle des polykristallinen
Materials der Feder bewirkte Vorauslenkung der Feder zu vermeiden.
Dadurch wird die Streuung der Eigenschaften der nach dem angegebenen
Verfahren hergestellten Mikrostrukturen drastisch reduziert. Vorteilhafterweise
werden dadurch Bauteile mit schmaleren und kürzeren Federn
ermöglicht. Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens
besteht darin, dass es nur geringe Änderungen der bisher
verwendeten Prozesse erfordert und sich daher kostengünstig
durchführen lässt. Insbesondere werden keine zusätzlichen
Prozessschritte benötigt.
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Gemäß einer
Ausführungsform des Verfahrens wird der Federbereich in
eine laterale y-Richtung beidseitig durch den Federtrennbereich
begrenzt, wobei während des Strukturierens des abgeschiedenen
Siliziums die zweite dielektrische Schicht auch in einem Teil des
Federbereichs freigelegt wird und das verbleiben de Silizium im Federbereich
in y-Richtung asymmetrisch auf der zweiten dielektrischen Schicht
angeordnet ist. Vorteilhafterweise kann dadurch das Auftreten einer
kristallinen Versetzungslinie innerhalb der Feder der elektromechanischen
Mikrostruktur vermieden werden, wodurch eine durch eine solche Versetzungslinie
bewirkte Vorauslenkung der Feder vermieden wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Federbereich
in eine laterale y-Richtung beidseitig durch den Federtrennbereich begrenzt,
wobei vor dem epitaktischen Abscheiden des Siliziums die Substratoberfläche
im Federtrennbereich auf einer Seite des Federbereichs durch einen Ätzschritt,
beispielsweise einen SF6-Plasma-Ätzprozess, teilweise entfernt
wird. Vorteilhafterweise lässt sich auch dadurch das Auftreten
einer kristallinen Versetzungslinie in der Feder der elektromechanischen
Mikrostruktur und damit auch eine Vorauslenkung der Feder vermeiden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Federbereich
in eine laterale y-Richtung beidseitig durch den Federtrennbereich begrenzt,
wobei nur im Federtrennbereich auf einer Seite des Federbereichs
die Substratoberfläche nach dem Abscheiden der zweiten
dielektrischen Schicht und nach dem Abscheiden der Schicht aus polykristallinem
Silizium freigelegt wird, und wobei im Federtrennbereich auf der
anderen Seite des Federbereichs vor dem epitaktischen Abscheiden
des Siliziums die zweite dielektrische Schicht freigelegt wird. Vorteilhafterweise
lässt sich auch dadurch das Auftreten einer kristallinen
Versetzungslinie in der Feder der elektromechanischen Mikrostruktur
und eine dadurch bewirkte Vorauslenkung der Feder vermeiden.
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Zweckmäßigerweise
besteht die leitfähige Schicht aus polykristallinem Silizium,
das nach dem Abscheiden dotiert wird. Vorteilhafterweise lassen sich
auf diese Weise einfach und kostengünstig Leiterbahnen
und Gatterelektroden herstellen.
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Bevorzugt
erfolgt nach dem epitaktischen Abscheiden des Siliziums zusätzlich
ein Planarisieren durch chemisch-mechanisches Polieren. Vorteilhafterweise
lassen sich dadurch laterale Höhenunterschiede ausgleichen.
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Zweckmäßigerweise
wird die zweite dielektrische Schicht mittels TEOS-Abscheidung abgeschieden.
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Zweckmäßigerweise
erfolgt das Herauslösen der zweiten dielektrischen Schicht
mittels eines Gasphasenätzschritts. Vorteilhafterweise
lässt sich die zweite dielektrische Schicht dann als Opferschicht
nutzen.
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Die
Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher
erläutert. Dabei werden für gleiche oder gleich
wirkende Elemente einheitliche Bezugszeichen verwendet. Es zeigen:
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1 eine Übersicht über
verschiedene laterale Bereich einer elektromechanischen Mikrostruktur;
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2 eine
Aufsicht auf ein Substrat;
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3 einen
Schnitt durch ein Substrat mit einer aufgebrachten ersten dielektrischen
Schicht;
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4 eine
Aufsicht auf ein Substrat mit einer strukturierten leitfähigen
Schicht;
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5 einen
Schnitt durch ein Substrat mit einer strukturierten leitfähigen
Schicht;
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6 eine
Aufsicht auf ein Substrat mit einer strukturierten zweiten dielektrischen
Schicht;
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7 einen
ersten Schnitt durch ein Substrat mit einer strukturierten zweiten
dielektrischen Schicht;
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8 einen
zweiten Schnitt durch ein Substrat mit einer strukturierten zweiten
dielektrischen Schicht;
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9 eine
Aufsicht auf ein Substrat mit einer strukturierten Schicht aus polykristallinem
Silizium;
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10 einen
ersten Schnitt durch ein Substrat mit einer strukturierten Schicht
aus polykristallinem Silizium;
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11 einen
zweiten Schnitt durch ein Substrat mit einer strukturierten Schicht
aus polykristallinem Silizium;
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12 eine
Aufsicht auf ein Substrat mit einer Epitaxieschicht;
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13 einen
ersten Schnitt durch ein Substrat mit einer Epitaxieschicht;
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14 einen
zweiten Schnitt durch ein Substrat mit einer Epitaxieschicht;
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15 eine
Aufsicht auf ein Substrat mit einer strukturierten Epitaxieschicht;
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16 einen
ersten Schnitt durch ein Substrat mit einer strukturierten Epitaxieschicht;
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17 einen
zweiten Schnitt durch ein Substrat mit einer strukturierten Epitaxieschicht;
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18 eine
Aufsicht auf eine fertig prozessierte elektromechanische Mikrostruktur;
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19 einen
ersten Schnitt durch eine elektromechanische Mikrostruktur;
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20 einen
zweiten Schnitt durch eine elektromechanische Mikrostruktur;
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21 eine
Aufsicht auf eine elektromechanische Mikrostruktur gemäß einer
zweiten Ausführungsform;
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22 ein
Schnitt durch eine elektromechanische Mikrostruktur gemäß einer
zweiten Ausführungsform;
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23 einen
Schnitt durch eine Mikrostruktur gemäß einer dritten
Ausführungsform während eines ersten Bearbeitungsstands;
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24 einen
Schnitt durch eine Mikrostruktur gemäß einer dritten
Ausführungsform während eines zweiten Bearbeitungsstands;
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25 einen
Schnitt durch eine Mikrostruktur gemäß einer vierten
Ausführungsform während eines ersten Bearbeitungsstands;
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26 einen
Schnitt durch eine Mikrostruktur gemäß einer fünften
Ausführungsform während eines ersten Bearbeitungsstands;
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27 einen
Schnitt durch eine Mikrostruktur gemäß einer sechsten
Ausführungsform während eines ersten Bearbeitungsstands;
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28 einen
Schnitt durch eine Mikrostruktur gemäß der sechsten
Ausführungsform während eines zweiten Bearbeitungsstands;
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29 einen
Schnitt durch eine Mikrostruktur gemäß einer siebten
Ausführungsform während eines ersten Bearbeitungsstands;
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30 einen
Schnitt durch eine Mikrostruktur gemäß der siebten
Ausführungsform während eines zweiten Bearbeitungsstands.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
eine schematische Aufsicht auf unterschiedliche laterale Bereiche
einer elektromechanischen Mikrostruktur 100 in einer x-y-Ebene.
Die Mikrostruktur 100 kann beispielsweise Teil eines Beschleunigungs-
oder Drehratensensors sein.
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Die
Mikrostruktur 100 umfasst einen MEMS-Bereich 110.
Der MEMS-Bereich 110 kann beispielsweise eine bewegliche
Elektrode der Mikrostruktur 100 umfassen.
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An
dem MEMS-Bereich 110 grenzt in x-Richtung auf einer Seite
ein zweiter Zuleitungsbereich 150 an. Der Zuleitungsbereich 150 kann
beispielsweise dazu dienen, eine in einer z-Richtung unterhalb der
im MEMS-Bereich 110 angeordneten beweglichen Elektrode
angeordnete Festelektrode elektrisch zu kontaktieren.
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Auf
einer in x-Richtung gegenüberliegenden Seite des MEMS-Bereichs 110 schließt
sich ein Federbereich 120 an. Im Federbereich 120 kann
beispielsweise ein Federelement angeordnet sein, das mit der im
MEMS-Bereich 110 angeordneten beweglichen Elektrode verbunden
ist.
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Auf
der dem MEMS-Bereich 110 gegenüberliegenden Seite
des Federbereichs 120 schließt sich ein Federaufhängbereich 130 an.
Im Federaufhängbereich 130 kann das im Federbereich 120 angeordnete
Federelement beispielsweise mit einem Substrat verbunden sein.
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Auf
der dem Federbereich 120 gegenüberliegenden Seite
des Federaufhängbereichs 130 schließt
sich ein erster Zuleitungsbereich 140 an. Im ersten Zuleitungsbereich 140 kann
beispielsweise eine Zuleitung angeordnet sein, die die im MEMS-Bereich 110 angeordnete
bewegliche Elektrode elektrisch kontaktiert.
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Insgesamt
folgen somit in einer x-Richtung aufeinander der erste Zuleitungsbereich 140,
der Federaufhängbereich 130, der Federbereich 120,
der MEMS-Bereich 110 und der zweite Zuleitungsbereich 150.
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In
y-Richtung schließen sich an den Federbereich 120 auf
einer Seite ein erster Federtrennbereich 160 und auf der
anderen Seite ein zweiter Federtrennbereich 170 an. Der
erste Federtrennbereich 160 und der zweite Federtrennbereich 170 verlaufen dabei
in x-Richtung zwischen dem Federaufhängbereich 130 und
dem MEMS-Bereich 110. In den Federtrennbereichen 160, 170 können
beispielsweise Gräben vorgesehen sein, die eine im Federbereich 120 angeordnete
Feder von einem umgebenden Substratbereich trennen.
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Die
genannten Bereiche 110, 120, 130, 140, 150, 160 und 170 werden
in lateraler x-y-Richtung von einem Außenbereich 180 umgeben.
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Anhand
der 2 bis 20 wird im Folgenden ein Verfahren
zum Herstellender elektromechanischen Mikrostruktur 100 erläutert.
Die 2 bis 20 zeigen dabei in Aufsichten
und Schnitten aufeinanderfolgende Bearbeitungsstände. Die
Herstellung der elektromechanischen Mikrostruktur erfordert das
Abscheiden und Strukturieren verschiedener Schichten. Einem Fachmann
sind diverse Abscheideverfahren, etwa Aufdampfprozesse, Sputterprozesse
oder Expitaxieprozesse, geläufig. Auch für das strukturierte
Entfernen einzelner Schichten kennt ein Fachmann diverse Möglichkeiten,
die in der Regel ein temporäres Aufbringen einer einzelnen
Bereich schützenden Maske sowie einen Ätzprozess
beinhalten. Ein in der Halbleiterbearbeitung tätiger Fachmann
ist in der Lage, abhängig von den benötigten Schichtmaterialien
und der gewünschten Zielstruktur ein geeignetes Verfahren
zu wählen. Im Folgenden werden Abscheide- und Strukturierprozesse
daher lediglich dann genauer erläutert, wenn sie über
ein gewöhnliches fachmännisches Handeln hinausgehen.
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2 zeigt
eine Aufsicht auf ein Substrat 200. Bei dem Substrat 200 kann
es sich beispielsweise um einen Wafer aus einem einkristallinen
Halbleitermaterial, beispielsweise um einen Siliziumwafer handeln.
Das Substrat 200 weist eine in der x-y-Ebene angeordnete
Substratoberfläche 205 auf.
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3 zeigt
einen Schnitt durch das Substrat 200 entlang einer in 2 dargestellten
Schnittlinie A-A. Auf der Substratoberfläche 205 ist
eine erste dielektrische Schicht 210 abgeschieden worden.
Die erste dielektrische Schicht 210 kann beispielsweise ein
Siliziumoxid sein.
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4 und 5 zeigen
eine Aufsicht und einen Schnitt durch das Substrat 200,
nachdem eine leitfähige Schicht 220 aufgebracht
und strukturiert worden ist. Bei der leitfähigen Schicht 220 kann
es sich beispielsweise um eine dünne Schicht aus polykristallinem
Silizium handeln, das dotiert worden ist. Die leitfähige
Schicht 220 kann später als vergrabene Leiterbahn
dienen. Die Aufsicht der 4 zeigt, dass während
des Strukturierens der leitfähigen Schicht 220 die
leitfähige Schicht 220 im Federbereich 120, in
den Federtrennbereichen 160, 170 und im Außenbereich 180 entfernt
worden ist, so dass in diesen Bereichen die erste dielektrische
Schicht 210 freigelegt ist. Lediglich im ersten Zuleitungsbereich 140,
im Federaufhängbereich 130, im MEMS-Bereich 110 und im
zweiten Zuleitungsbereich 150 verbleibt die leitfähige
Schicht 220.
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In
einem nächsten Prozessschritt wird eine zweite dielektrische
Schicht 230 aufgebracht und strukturiert. 6 zeigt
eine Aufsicht auf das Substrat 200 nach diesem Bearbeitungsschritt,
während in 7 und 8 Schnitte
entlang von in 6 dargestellten Schnittlinien
A-A und B-B gezeigt werden. Bei der zweiten dielektrischen Schicht 230 kann
es sich beispielsweise um ein Siliziumoxid handeln. Die zweite dielektrische
Schicht 230 kann beispielsweise mittels TEOS-Abscheidung
abgeschieden worden sein. Die zweite dielektrische Schicht 230 kann
in einem späteren Prozessschritt als Opferschicht verwendet
werden. Während des Strukturierens der zweiten dielektrischen
Schicht 230 wird die zweite dielektrische Schicht 230 im
Federaufhängbereich 130 und in den Federtrennbereichen 160, 170 entfernt. Dabei
wird im Federaufhängbereich 130 die leitfähige
Schicht 220 freigelegt, während in den Federtrennbereichen 160, 170 die
Substratoberfläche 205 freigelegt wird.
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9 zeigt
eine Aufsicht auf das Substrat nach einem nächsten Prozessschritt,
in dem eine Schicht 240 aus polykristallinem Silizium abgeschieden
und strukturiert wird. 10 zeigt einen Schnitt entlang
einer in 9 dargestellten Schnittachse B-B. 11 zeigt
einen Schnitt entlang einer in 9 dargestellten
Schnittachse A-A. Im Federbereich 120 wird die aufgebrachte
Schicht 240 aus polykristallinem Silizium entfernt und
die darunterliegende zweite dielektrische Schicht 230 freigelegt.
Alternativ können im Federbereich 120 auch die
zweite dielektrische Schicht 230 und die leitfähige
Schicht 220 entfernt und so die erste dielektrische Schicht 210 freigelegt
werden. Im ersten Federtrennbereich 160 und im zweiten
Federtrennbereich 170 wird die Schicht 240 aus
polykristallinem Silizium entfernt und die Substratoberfläche 205 des
Substrats 200 freigelegt. Im ersten Zuleitungsbereich 140,
im Federaufhängbereich 130, im MEMS-Bereich 110,
im zweiten Zuleitungsbereich 150 und im Außenbereich 180 verbleibt
die Schicht 240 aus polykristallinem Silizium.
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Im
nächsten Prozessschritt erfolgt ein epitaktisches Abscheiden
von Silizium. 12 zeigt eine Aufsicht auf das
Substrat 200 nach dem epitaktischen Abscheiden des Siliziums. 13 zeigt
einen Schnitt entlang einer in 12 dargestellten
Schnittachse B-B. 14 zeigt einen Schnitt entlang
einer in 12 dargestellten Schnittachse
A-A. In allen lateralen Bereichen, in denen im vorhergehenden Prozessschritt
die Schicht 240 aus polykristallinem Silizium verblieben
ist, also im ersten Zuleitungsbereich 140, im Federaufhängbereich 130,
im MEMS-Bereich 110, im zweiten Zuleitungsbereich 150 und
im Außenbereich 180, bewirkt das epitaktische
Abscheiden von Silizium ein Aufwachsen einer polykristallinen Epitaxieschicht 250 in
z-Richtung. Im ersten Federtrennbereich 160 und im zweiten
Federtrennbereich 170, in denen im vorhergehenden Prozessschritt
die Substratoberfläche 205 des einkristallinen Substrats 200 freigelegt worden
ist, bewirkt das epitaktische Abscheiden von Silizium ein Aufwachsen einer
einkristallinen Epitaxieschicht 260 in z-Richtung. Sobald
die einkristalline Epitaxieschicht 260 in den Federtrennbereichen 160, 170 in
z-Richtung das Niveau der dielektrischen Schicht 210, 230 im
zwischen den Federtrennbereichen 160, 170 liegenden Federbereich 120 erreicht
hat, erfolgt ein laterales Überwachsen der dielektrischen
Schichten 210, 230 im Federbereich 120 mit
einkristallinem Silizium. Ein solches laterales Überwachsen
ist beispielsweise in den Publikationen [1] und [2] beschrieben.
Nach dem lateralen Überwachsen der dielektrischen Schichten 210, 230 im
Federbereich 120 erfolgt auch im Federbereich 120 ein
vertikales Wachstum der einkristallinen Epitaxieschicht 260 in
z-Richtung.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform des beschriebenen
Verfahrens erfolgt das epitaktische Abscheiden des Siliziums in
drei zeitlich aufeinanderfolgenden Abschnitten. Der erste zeitliche
Abschnitt erstreckt sich dabei vom Beginn des epitaktischen Abscheidens
bis etwa zu dem Zeitpunkt, an dem die einkristalline Epitaxieschicht 260 in den
Federtrennbereichen 160, 170 in z-Richtung die Höhe
der dielektrischen Schichten 210, 230 im Federbereich 120 erreicht
hat. Während dieses ersten zeitlichen Abschnitts ist der
epitaktische Abscheideprozess für ein vertikales Wachstum
in z-Richtung senkrecht zur Substratoberfläche 205 optimiert.
Sobald die einkristalline Epitaxieschicht 260 in den Federtrennbereichen 160, 170 in
z-Richtung etwa die Höhe der dielektrischen Schichten 210, 230 im
Federbereich 120 erreicht hat, beginnt der zweite zeitliche
Abschnitt, während dem das epitaktische Aufwachsen für
ein laterales Wachstum optimiert ist. Während des zweiten
zeitlichen Abschnitts erfolgt dann ein laterales Überwachsen
der dielektrischen Schichten 210, 230 im Federbereich 120.
Sobald die dielektrische Schicht 210, 230 im Federbereich 120 lateral
vollständig von der einkristallinen Epitaxieschicht 260 überwachsen
ist, beginnt der dritte zeitliche Abschnitt des epitaktischen Abscheidens von
Silizium, während dem der epitaktische Abscheideprozess
wieder für ein vertikales Wachstum in z-Richtung senkrecht
zur Substratoberfläche 205 optimiert ist. Während
des dritten zeitlichen Abschnitts werden dann sowohl die Federtrennbereiche 160, 170 als
auch der Federbereich 120 vertikal in z-Richtung durch
die einkristalline Epitaxieschicht 260 überwachsen.
Das Optimieren des epitaktischen Abscheideprozesses für
laterales bzw. vertikales Wachstum ist beispielsweise in der Publikation
[3] beschrieben.
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Werden
im Verhältnis zu gewünschten Strukturbreiten der
einkristallinen Bereiche dicke epitaktische Schichten angestrebt,
die Ausdehnung des Federbereichs 120 in y-Richtung also
beispielsweise geringer als die Dicke der epitaktisch abgeschiedenen
Schicht in z-Richtung ist, so kann es sich als vorteilhaft erweisen,
einen rein auf vertikales Wachstum optimierten Epitaxieprozess zu
verwenden. Dies kann zwar die Entstehung von Hohlräumen
und/oder Stapelfehlern in einem in z-Richtung unteren Bereich der
Epitaxieschicht im Federbereich 120 begünstigen,
die aber bei derartigen Geometrien nur geringe Einflüsse
auf das Bauteil haben.
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Wie
in 12 dargestellt ist, sind der erste Zuleitungsbereich 140,
der Federaufhängbereich 130, der MEMS-Bereich 110,
der zweite Zuleitungsbereich 150 und der Außenbereich 180 nach
dem eptiaktischen Abscheiden von der polykristallinen Epitaxieschicht 250 bedeckt.
Der erste Federtrennbereich 160, der Federbereich 120 und
der zweite Federtrennbereich 170 sind nach dem epitaktischen
Abscheiden von der einkristallinen Epitaxieschicht 260 bedeckt.
Bevorzugt erfolgt nach dem epitaktischen Abscheiden noch ein Planarisieren
der in der x-y-Ebene liegenden Oberfläche durch ein chemisch-mechanisches
Polieren.
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Im
nachfolgenden Prozessschritt erfolgt ein Strukturieren der abgeschiedenen
Epitaxieschicht 250, 260 mittels eines Trench-Prozesses.
Durch den Trench-Prozess werden im ersten Zuleitungsbereich 140,
im ersten Federtrennbereich 160, im zweiten Federtrennbereich 170,
im zweiten Zuleitungsbereich 150 und in Teilen des Außenbereichs 180 in z-Richtung
verlaufende vertikale Gräben 290 in der Epitaxieschicht 250, 260 angelegt.
Dadurch wird im ersten Zuleitungsbereich 140, im zweiten
Zuleitungsbereich 150 und im Außenbereich 180 die
zweite dielektrische Schicht 230 freigelegt. Alternativ
können auch die zweite dielektrische Schicht 230 und
die leitfähige Schicht 220 entfernt und so die
erste dielektrische Schicht 210 freigelegt werden. Im ersten
Federtrennbereich 160 und im zweiten Federtrennbereich 170 kann
auch die Substratoberfläche 205 des Substrats 200 teilweise
entfernt werden, so dass sich in den Federtrennbereichen 160, 170 eine
vertiefte Substratoberfläche 300 ergibt. 15 zeigt
eine Aufsicht auf die lateralen Bereiche nach dem Trench-Prozess. 16 zeigt
einen Schnitt entlang einer in 15 dargestellten
Schnittachse B-B. 17 zeigt einen Schnitte entlang
einer in 15 dargestellten Schnittachse
A-A.
-
Im
nachfolgenden Prozessschritt erfolgt ein teilweises Herauslösen
der zweiten und/oder der ersten dielektrischen Schicht 230, 210.
Dies kann beispielsweise mittels eines Gasphasenätzschritts
erfolgen. Das Ätzmedium kann dabei durch die im vorhergehenden
Prozessschritt angelegten Gräben 290 bis zur zweiten
dielektrischen Schicht 230 vordringen. Die zweite dielektrische
Schicht 230 dient somit als Opferschicht, die teilweise
herausgelöst wird. Dabei wird die zweite dielektrische
Schicht 230 im Federbereich 120 und im MEMS-Bereich 110 vollständig
entfernt. Da im Federbereich 120 in einem vorhergehenden
Prozessschritt auch die leitfähige Schicht 220 entfernt
worden ist, kann im Federbereich 120 auch die erste dielektrische
Schicht 210 teilweise entfernt werden. Die polykristalline
Epitaxieschicht 250 im MEMS-Bereich 110 kann in
einem vorhergehenden Prozessschritt mit zusätzlichen vertikalen Öffnungen versehen
worden sein, die ein Vordringen des Ätzmediums zur zweiten
dielektrische Schicht 230 im MEMS-Bereich 110 erleichtern.
-
18 zeigt
eine Aufsicht auf die fertig prozessierte Mikrostruktur 100. 19 zeigt
einen Schnitt durch die Mikrostruktur 100 entlang einer
in 18 dargestellten Schnittachse B-B. 20 zeigt einen
Schnitt durch die Mikrostruktur 100 entlang einer in 18 dargestellten
Schnittachse A-A.
-
19 und 20 zeigen,
dass sich durch das teilweise Herauslösen der zweiten dielektrischen Schicht 230 im
MEMS-Bereich 110 und im Federbereich 120 ein Hohlraum 310 unterhalb
der Epitaxieschicht 250 und 260 gebildet hat.
Dadurch ist im MEMS-Bereich 110 ein bewegliches Element 410 entstanden.
Im Federbereich 120 ist ein Federelement 420 entstanden,
das im Federaufhängbereich 130 über eine
polykristalline Federaufhängung 430 mit dem Substrat 200 verbunden
ist. Das bewegliche Element 410 ist lediglich über
das Federelement 420 mit dem Substrat 200 verbunden.
Das bewegliche Element 410 besteht aus dem polykristallinen
Silizium der polykristallinen Epitaxieschicht 250. Das
Federelement 420 besteht aus dem einkristallinen Silizium
der einkristallinen Epitaxieschicht 260.
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Das
Federelement 420 aus einkristallinem Silizium bietet gegenüber
herkömmlichen Federelementen aus polykristallinem Silizium
Vorteile. Bei Federelementen aus polykristallinem Material kann
es wegen der statistischen Verteilung der Kristallorientierungen
der Einzelkristalle des polykristallinen Materials innerhalb des Federelements
zu einer ungewünschten Vorauslenkung des Federelements
kommen. Beim Federelement 420 aus einkristallinem Material
besteht keine statistische Verteilung von Kristallorientierungen
von Einzelkristallen. Daher weist das einkristalline Federelement 420 auch
keine ungewünschte Vorauslenkung auf.
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Das
bewegliche Element 410 kann beispielsweise als bewegliches
Massenelement in einem Beschleunigungs- oder Drehratensensor verwendet werden.
Eine auf die Mikrostruktur 100 wirkende Beschleunigung
oder Drehrate bewirkt dann eine Auslenkung des beweglichen Elements 410 gegen
eine durch das Federelement 420 ausgeübte Federkraft.
-
Die
leitfähige Schicht 220 im MEMS-Bereich 110 kann
als unter dem beweglichen Element 410 angeordnete Festelektrode
verwendet werden. Hierfür kann die leitfähige
Schicht 220 im MEMS-Bereich 210 über
die leitfähige Schicht 220 im zweiten Zuleitungsbereich 150 mit
einer externen Schaltung verbunden werden. Das bewegliche Element 410 kann über
das Federelement 420, die Federaufhängung 430,
die leitfähige Schicht 220 im Federaufhängbereich 230 und
die leitfähige Schicht 220 im ersten Zuleitungsbereich 140 ebenfalls
mit einer externen Schaltung verbunden werden. Auf diese Weise kann das
bewegliche Element 410 als bewegliche Elektrode verwendet
werden.
-
Wie
in 20 erkennbar ist, gibt es zwischen dem Federelement 420 aus
einkristallinem Silizium und der Federaufhängung 430 aus
polykristallinem Silizium einen Übergangsbereich, in dem
einkristalline und polykristalline Bereiche aneinandergrenzen. Dieser Übergangsbereich
kann die Federeigenschaften des Federelements 420 unter
Umständen negativ beeinflussen. Falls es der Anwendungsbereich
der Mikrostruktur 100 erlaubt, das bewegliche Element 410,
das Federelement 420, die Federaufhängung 430 und
das Substrat 200 auf einem gemeinsamen elektrischen Potential
zu halten, so kann es vorteilhaft sein, die Federaufhängung 430 ebenfalls
aus einkristallinem Silizium zu fertigen. 21 und 22 zeigen
eine elektromechanische Mikrostruktur 1100 gemäß einer
zweiten Ausführungsform, die nach einem entsprechend modifizierten
Verfahren hergestellt worden ist. 21 zeigt
eine Aufsicht der Mikrostruktur 1100. 22 zeigt
einen Schnitt durch die Mikrostruktur 1100 entlang einer
in 21 dargestellten Schnittlinie A-A.
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Die
Mikrostruktur 1100 weist ein im MEMS-Bereich 110 angeordnetes
bewegliches Element 1410, ein in einem lateralen Federbereich 1120 angeordnetes
Federelement 1420 und eine im Federaufhängbereich 130 angeordnete
Federaufhängung 1430 auf. Das bewegliche Element 1410 besteht
aus polykristallinem Silizium und entspricht dem beweglichen Element 410 der
Mikrostruktur 100 der 20. Das
Federelement 1420 besteht aus einkristallinem Silizium
und entspricht dem Federelement 420 der 20.
Die Federaufhängung 1430 unterscheidet sich von
der Federaufhängung 430 der Mikrostruktur 100 der 20 dadurch,
dass die Federaufhängung 1430 aus einkristallinem
Silizium besteht. Dadurch entfällt der Übergangsbereich
zwischen der Federaufhängung 1430 und dem Federelement 1420,
wodurch sich die Federeigenschaften des Federelements 1420 gegenüber
den Federeigenschaften des Federelements 420 der Mikrostruktur 100 der 20 verbessern.
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Zur
Herstellung der Mikrostruktur 1100 der 21 und 22 kommt
das anhand der 2 bis 20 beschriebene
Verfahren zum Einsatz. Allerdings wird nach dem Abscheiden der zweiten
dielektrischen Schicht 230 die Substratoberfläche 205 auch
im Federaufhängbereich 130 entfernt. Außerdem
wird nach dem Abscheiden der Schicht aus polykristallinem Silizium
die Substratoberfläche 205 auch im Federaufhängbereich 130 freigelegt.
Die übrigen anhand der 2 bis 20 beschriebenen Prozessschritte
werden unverändert beibehalten. Während des epitaktischen
Abscheidens von Silizium wächst das Silizium im Federaufhängbereich 130 auf
der Substratoberfläche 205 des einkristallinen Substrats 200 dann
ebenfalls als einkristalline Epitaxieschicht 260 auf und
bildet die einkristalline Federaufhängung 1430.
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21 zeigt,
dass der laterale Federbereich 1120 der Mikrostruktur 1100 gegenüber
dem Federbereich 120 der Mikrostruktur 100 einen
lateral verbreiterten Übergangsbereich 1110 am Übergang
zum MEMS-Bereich 110 aufweist. Am Übergang zwischen
dem lateralen Federbereich 1120 und dem lateralen MEMS-Bereich 110 erstreckt
sich der Federbereich 1120 teilweise in die lateralen Federtrennbereich 160, 170.
Dies führt dazu, dass das Federelement 1420 am Übergang
zum beweglichen Element 1410 ebenfalls verbreitert ist.
Dadurch können auch im Übergangsbereich zwischen
dem einkristallinen Federelement 1420 und dem polykristallinen
beweglichen Element 1410 für die Federeigenschaften
des Federelements 1420 nachteilige Übergangseffekte vermieden
oder reduziert werden.
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Das
beschriebene Verfahren eignet sich prinzipiell auch zur Herstellung
einer Mikrostruktur, deren Federelement polykristallin ausgebildet
ist, während das bewegliche Element und/oder die Federaufhängung
aus einkristallinem Siliziumbestehen. Die notwendigen Abwandlungen
des Verfahrens ergeben sich für einen Fachmann in naheliegender Weise
aus der obigen Beschreibung und bedürfen daher keiner weitergehenden
Erläuterung.
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13, 14, 16, 17, 19, 20 und 22 zeigen,
dass sich in der einkristallinen Epitaxieschicht 260 im
Federbereich 120, 1120 ein Stapelfehler 270 ausbildet.
Der Stapelfehler 270 entsteht während des epitaktischen
Abscheidens des Siliziums durch das laterale Überwachsen der
dielektrischen Schicht 210, 230 im Federbereich 120, 1120 beidseitig
vom ersten Federtrennbereich 160 und vom zweiten Federtrennbereich 170 aus. Dabei
entsteht der Stapelfehler 270 im einem Abschnitt des Federbereichs 120, 1120,
in dem die vom ersten Federtrennbereich 160 aus wachsende
Epitaxieschicht an die vom zweiten Federtrennbereich 170 aus
wachsende Epitaxieschicht stößt.
-
Während
des weiteren epitaktischen Abscheidens des Siliziums entsteht oberhalb
des Stapelfehlers 270 eine Versetzungslinie 280,
entlang derer die einkristalline Epitaxieschicht 260 im
Federbereich 120, 1120 eine Versetzung aufweist.
Die Versetzungslinie 280 kann die Federeigenschaften des
Federelements 420, 1420 beeinflussen, insbesondere eine
Vorauslenkung des Federelements 420, 1420 induzieren.
Eine solche Vorauslenkung des Federelements 420, 1420 kann
sich für bestimmte Anwendungsfälle als vorteilhaft
und gewünscht erweisen. In anderen Anwendungsfällen
ist eine Vorauslenkung des Federelements 420, 1420 jedoch
nicht erwünscht.
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Im
Folgenden werden daher anhand der 23 bis 30 Weiterbildungen
des beschriebenen Herstellungsverfahrens erläutert, die
eine Ausbildung der Versetzungslinie 280 im Federelement 420, 1420 verhindern.
Zu jeder Weiterbildungen werden die notwendigen Modifikationen und
Ergänzungen des oben anhand der 2 bis 20 beschriebenen
Verfahrens erläutert. Die übrigen Verfahrensschritte
werden jeweils unverändert beibehalten.
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23 zeigt
einen Schnitt durch das Substrat 200 entlang der in 12 dargestellten
Schnittachse B-B. Der Bearbeitungsstand der Mikrostruktur in 23 entspricht
dem Bearbeitungsstand der 13. Gegenüber 13 sind
in 23 jedoch der Federbereich 2120, der
erste Federtrennbereich 2160 und der zweite Federtrennbereich 2170 modifiziert.
Der erste Federtrennbereich 2160 ist in y-Richtung schmaler
als der zweite Federtrennbereich 2170. Während
des epitaktischen Abscheidens des Siliziums hat sich die Versetzungslinie 280 in
y-Richtung in der Mitte auf der dielektrischen Schicht 210, 230 im
Federbereich 2120 gebildet. Wegen der in y-Richtung unterschiedlich
breiten Federtrennbereich 2160, 2170 ist die Versetzungslinie 280 in y-Richtung
jedoch nicht mittig zwischen den benachbarten polykristallinen Epitaxieschichten
angeordnet.
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24 zeigt
einen Schnitt durch das Substrat 200 nach dem nachfolgenden
Bearbeitungsschritt zum Strukturieren des abgeschiedenen Siliziums 250, 260.
Der Bearbeitungsstand der 24 entspricht
dem der 16. Dabei sind die Gräben 290 so
angelegt worden, dass die im Federbereich 2120 verbleibende
einkristalline Epitaxieschicht 260, die später
das Federelement 420, 1420 bildet, in y-Richtung
symmetrisch zwischen den benachbarten polykristallinen Epitaxieschichten 250 angeordnet
ist. Dabei wurde auch ein Teil der einkristallinen Epitaxieschicht
in z-Richtung oberhalb der dielektrischen Schicht 210, 230 im
Federbereich 2120 entfernt. Dadurch wurde auch die Versetzungslinie 280 entfernt. Das
entstehende Federelement 420, 1420 weist in diesem
Fall somit keine Versetzungslinie auf.
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25 erläutert
eine alternative Möglichkeit, das Auftreten der Versetzungslinie 280 im
Federelement 420, 1420 zu vermeiden. 25 zeigt
ebenfalls einen Schnitt entlang der Schnittachse B-B im Fertigstellungsstadium
der 13. 25 zeigt einen gegenüber
der 13 veränderten Federbereich 3120. Im
Federbereich 3120 ist die dielektrische Schicht 210, 230 angeordnet
und weist am Übergang zwischen dem Federbereich 3120 und
dem ersten Federtrennbereich 160 eine erste Flanke 3124 und
am Übergang zwischen dem Federbereich 3120 und dem
zweiten Federtrennbereich 170 eine zweite Flanke 3125 auf.
Anders als in 13 sind die Flanken 3124, 3125 nicht
parallel zur z-Richtung orientiert. Im in 25 dargestellten
Beispiel ergibt sich vielmehr auf Seite des ersten Federtrennbereichs 160 eine
Unterschneidung der dielektrischen Schicht 210, 230,
während auf der Seite des zweiten Federtrennbereichs 170 die
dielektrische Schicht 210, 230 abgeflacht ist.
Die Flanken 3124, 3125 der dielektrischen Schicht 210, 230 im
Federbereich 3120 lassen sich beispielsweise durch zwei
aufeinanderfolgende Ätzschritte mit unterschiedlichen Lackmasken
erzeugen. Die Unterschneidung der ersten Flanke 3124 auf
Seite des ersten Federtrennbereichs 160 führt dazu,
dass die dielektrische Schicht 210, 230 im Federbereich 3120 schneller
von der Seite des zweiten Federtrennbereichs 170 her überwachsen
wird, als von der Seite des ersten Federtrennbereichs 160 her. Dadurch
entsteht die Versetzungslinie 280 während des
epitaktischen Abscheidens des Siliziums in y-Richtung näher
am ersten Federtrennbereich 160 als am zweiten Federtrennbereich 170 und
kann während des nachfolgenden Strukturierens der Epitaxieschichten 250, 260 entfernt
werden, wodurch das entstehende Federelement 420, 1420 keine
Versetzungslinie 280 aufweist.
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26 erläutert
eine weitere Möglichkeit, das Auftreten der Versetzungslinie 280 im
Federelement 420, 1420 zu vermeiden. 26 zeigt
ebenfalls einen Schnitt entlang der Schnittachse B-B und entspricht
wiederum dem Bearbeitungsstand der 13. 26 zeigt
einen ersten Federtrennbereich 4160, der gegenüber
dem ersten Federtrennbereich 160 der 13 verändert
ist. Im ersten Federtrennbereich 4160 wurde das Substrat 200 teilweise
entfernt, beispielsweise durch einen SF6-Plasma-Ätzprozess,
so dass sich gegenüber der Substratoberfläche 205 im
zweiten Federtrennbereich 170 im ersten Federtrennbereich 4160 eine
vertiefte Substratoberfläche 4165 ergibt. Während
des nachfolgenden epitaktischen Aufwachsens des Siliziums erreicht
die einkristalline Epitaxieschicht 260 im zweiten Federtrennbereich 170 in
z-Richtung die Höhe der dielektrischen Schicht 210, 230 im
Federbereich 120 schneller als die einkristalline Epitaxieschicht 260 im ersten
Federtrennbereich 4160. Dadurch beginnt das laterale Überwachsen
der dielektrischen Schicht 210, 230 im Federbereich 120 zunächst
nur vom zweiten Federtrennbereich 170 her. In der Folge
entsteht die Versetzungslinie 280 näher am ersten
Federtrennbereich 4160 als am zweiten Federtrennbereich 170 und
ist gegenüber der z-Richtung verkippt. Die so angeordnete
Versetzungslinie 280 kann während des nachfolgenden
Strukturierens der Epitaxieschicht 250, 260 wiederum
entfernt werden, wodurch das entstehende Federelement 420, 1420 keine
Versetzungslinie 280 enthält.
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27 und 28 zeigen
eine weitere Möglichkeit die Versetzungslinie 280 im
Federelement 420, 1420 zu vermeiden. 27 und 28 zeigen ebenfalls
Schnitte entlang der Schnittachse B-B. Im Unterschied zu 13 ist
in 27 ein gegenüber dem Federbereich 120 veränderter
Federbereich 5120 und ein gegenüber dem ersten
Federtrennbereich 160 veränderter erster Federtrennbereich 5160 vorgesehen.
Anders als in 10 ist im ersten Federtrennbereich 5160 nicht
die Substratoberfläche 205 freigelegt worden.
Vielmehr ist im ersten Federtrennbereich 5160, genau wie
im Federbereich 5120, die dielektrische Schicht 210, 230 angeordnet.
Wie 27 zeigt, findet dann während des epitaktischen Abscheidens
des Siliziums das laterale Überwachsen der dielektrischen
Schicht 210, 230 im Federbereich 5120 mit
der einkristallinen Epitaxieschicht 260 lediglich von der
Seite des zweiten Federtrennbereichs 170 her statt. Wegen
des lediglich einseitigen lateralen Überwachsens des Federbereichs 5120 entsteht
keine Versetzungslinie 280. 28 zeigt den
Bearbeitungsstand nach dem auf das epitaktische Abscheiden folgenden
Strukturieren der Epitaxieschicht 250, 260. Das
später im Federbereich 5120 entstehende Federelement 420, 1420 weist
keine Versetzungslinie 280 auf.
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29 und 30 zeigen
eine weitere Möglichkeit, das Auftreten der Versetzungslinie 280 im Federelement 420, 1420 zu
vermeiden. 29 und 30 zeigen
Schnitte entlang der Schnittachse B-B. Gegenüber 13 zeigen 29 und 30 einen
modifizierten Federbereich 6120 und einen modifizierten
ersten Federtrennbereich 6160. Anders als im in 10 dargestellten
Ausführungsbeispiel wurde im ersten Federtrennbereich 6160 die
Substratoberfläche 250 vor dem epitaktischen Abscheiden des
Siliziums nicht freigelegt. Stattdessen ist im ersten Federtrennbereich
die dielektrische Schicht 210, 230 verblieben.
Anders als im in 27 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist auf der dielektrischen Schicht 210, 230 im
ersten Federtrennbereich 6160 außerdem die Schicht 240 aus
polykristallinem Silizium verblieben.
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Die
vertikale Wachstumsgeschwindigkeit in z-Richtung der einkristallinen
Epitaxieschicht 260 während des epitaktischen
Abscheidens hängt von der Kristallorientierung des Substrats 200 an
der Substratoberfläche 205 ab. Für gewisse
Kristallorientierungen ergibt sich eine höhere Wachstumsgeschwindigkeit
als für andere Kristallorientierungen. Die vertikale Wachstumsgeschwindigkeit
in z-Richtung der polykristallinen Epitaxieschicht stellt wegen der
statistisch verteilten Kristallorientierungen der Einzelkristalle
des polykristallinen Materials einen Mittelwert zwischen der minimalen
und der maximalen vertikalen Wachstumsgeschwindigkeit der einkristallinen
Epitaxieschicht 260 dar.
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Im
Ausführungsbeispiel der 29 und 30 wurde
die Kristallorientierung des Substrats 200 so gewählt,
dass sich in z-Richtung oberhalb der Substratoberfläche 205 im
zweiten Federtrennbereich 170 eine maximale vertikale Wachstumsgeschwindigkeit
der einkristallinen Epitaxieschicht 260 ergibt. Die Wachstumsgeschwindigkeit
der einkristallinen Epitaxieschicht 260 ist somit also
höher als die Wachstumsgeschwindigkeit der polykristallinen
Epitaxieschicht 250 in den lateralen Außenbereichen 180 und
im ersten Federtrennbereich 6160, wo wegen der Schicht 240 aus
polykristallinem Silizium ebenfalls eine polykristalline Epitaxieschicht 250 entsteht.
Die höhere Wachstumsgeschwindigkeit der einkristallinen
Epitaxieschicht 260 hat zur Folge, dass sich der Übergangsbereich
zwischen der einkristallinen Epitaxieschicht 260 im Federbereich 6120 und
der polykristallinen Epitaxieschicht 250 im ersten Federtrennbereich 6160 mit
zunehmender Wachstumshöhe in z-Richtung in y-Richtung vom zweiten
Federtrennbereich 170 wegbewegt. Dadurch wird sichergestellt,
dass der Federbereich 6120 vollkommen von der einkristallinen
Epitaxieschicht 260 überwachsen wird. Dies ist
in 29 erkennbar. Während des nachfolgenden
Strukturierens der Epitaxieschicht 250, 260 wird
die polykristalline Epitaxieschicht 250 im ersten Federtrennbereich 6160 und die
einkristalline Epitaxieschicht 260 im zweiten Federtrennbereich 170 entfernt,
so dass im Federbereich 6120 ein Federelement 420, 1420 ohne
Versetzungslinie 280 verbleibt.
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Zitierte Patentliteratur
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - ”A
micromachining technique for a thin silicon membrane using merged
epitaxial lateral overgrowth of silicon and SiO2 for an etch-stop”,
James J. Pak, Abul E. Kabir, Gerold W. Nedeck, James H. Logsdon,
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