DE102009044645A1

DE102009044645A1 - Verfahren zur Herstellung wenigstens einer Kavität in einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur und Sensor oder Aktor mit einer solchen Kavität

Info

Publication number: DE102009044645A1
Application number: DE200910044645
Authority: DE
Inventors: Dirk Prof.Dr. Zielke; Andreas Hense
Original assignee: FACHHOCHSCHULE BIELEFELD
Current assignee: FACHHOCHSCHULE BIELEFELD
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-05-26
Also published as: WO2011064716A2; WO2011064716A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einer Kavität in einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur unter Verwendung wenigstens einer Opferschichtor. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches Verfahren beziehungsweise einen solchen Sensor oder Aktor zur Verfügung zu stellen, wobei die Opferschicht einen ausreichenden Abstand zwischen den Strukturelementen während der Präparation der mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur zur Verfügung stellt, die Opferschicht leicht zu entfernen ist und darüber hinaus auf möglichst einfache Weise ein Anhaften der Strukturelemente nach Entfernen der Opferschicht vermieden werden kann, wobei die Verfahrensschritte bei möglichst niedrigen Temperaturen ausführbar sein sollen, um beispielsweise polymere Funktionsschichten zur Ausbildung eines Sensors oder Aktors einsetzen zu können. Die Aufgabe wird einerseits durch ein gattungsgemäßes Verfahren gelöst, wobei die Opferschicht aus wenigstens einem unterhalb seiner Schmelztemperatur mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h sublimierenden Feststoff ausgebildet wird. Die Aufgabe wird ferner durch einen Sensor oder Aktor der oben genannten Gattung gelöst, wobei die Opferschicht wenigstens aus einem unterhalb seiner Schmelztemperatur mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h sublimierenden Feststoff ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einer Kavität in einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur unter Verwendung wenigstens einer Opferschicht. Die Erfindung betrifft ferner einen Sensor oder Aktor mit wenigstens einer unter Verwendung einer Opferschicht ausgebildeten Kavität.
Verfahren der oben genannten Gattung werden beispielsweise im Stand der Technik zur Herstellung von Beschleunigungssensoren angewendet. Beschleunigungssensoren nach dem Feder/Masse-Prinzip beruhen darauf, dass eine an Federbändern aufgehangene frei bewegliche Masse durch das Auftreten einer Beschleunigung proportional zur Beschleunigung ausgelenkt wird. Die Auslenkung kann kapazitiv dedektiert werden, wenn man gegenüber der Masse eine unbewegliche Substratelektrode anordnet. Um die Masse frei beweglich zu gestalten, ist es Stand der Technik in der Oberflächenmikrosystemtechnik, eine Opferschicht zwischen Masse und Substratelektrode zu platzieren, die am Ende des Präparationsvorganges herausgeätzt oder gelöst wird, wobei eine Kavität zwischen Masse und Substratelektrode ausgebildet wird. Nachteilig ist hierbei, dass es beim anschließenden Trocknen des flüssigen Lösungsmittels zum Ankleben der beweglichen Masse am Substrat kommt, welcher Effekt als „sticking”- Effekt beschrieben wird.
Darüber hinaus ist aus der Druckschrift WO 96/30457 ein Verfahren zur zeitweiligen Versiegelung oder Verfestigung von Materialien unter Verwendung von Schutzstoffen bekannt, die bei Raumtemperatur oder wenig erhöhter Temperatur leicht flüchtig sind bzw. sublimieren. Bei der Sublimation erfolgt ein unmittelbarer Übergang des Stoffes vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand. Die in der Druckschrift aufgeführten Schutzstoffe können im geschmolzenen Zustand oder als wässrige Dispersion auf ein Werkstück aufgebracht werden, versiegeln oder verfestigen das Werkstück für eine geraume Zeit und verdampfen anschließend, ohne dass Lösungsmittel hierfür eingesetzt werden müssen. Schutzstoffe, die sich hierfür eignen, sind gemäß der Druckschrift Camphen, Campher, Naphtalin, Methylnaphtalin, Cyclododecan, Neopentylalkohol, Tricyclin, Menthol, Thymol oder Diphenylether. Nach dieser Druckschrift können die genannten Schutzschichten beispielsweise zur Versiegelung empfindlicher Oberflächen oder poröser Untergründe, als flüchtiges Bindemittel, im Bereich der Metallverarbeitung als Korrosionsschutz, im Bereich der Theater- oder Filmkulissen sowie in der Werbung oder bei Färbeverfahren angewendet werden.
Der Artikel „Electrostatically driven vacuum-encapsulated polysilicon resonators; Part I. Design and fabrication" von Rob Legtenberg und Harry A. C. Tilman in Sensors and Actuators A 45 (1994), S. 57–66 beschreibt eine Technologie zur Herstellung von Resonatorstrukturen, bei welcher zunächst die aus SiO₂ ausgebildeten Opferschichten zwischen freien Strukturelementen mittels HF-Lösungen geätzt werden und nachfolgend in DI-Wasser gespült werden, um die Ätzlösung zu entfernen. Dem DI-Wasser wird Isopropylalkohol zugesetzt, um die hydrophobe Waferoberfläche nach ihrem Entnehmen aus der Lösung nass zu halten. Danach werden die Wafer in Cyclohexan platziert und daraufhin auf ein Peltier-Element aufgebracht, welches auf 5°C gekühlt ist. Nachfolgend wird mit Hilfe eines Stickstoffflusses eine Sublimation des Cyclohexans bewirkt und die Cyclohexandämpfe werden weggespült. Auf diese Weise soll ein Anhaften der freien Strukturelemente der herzustellenden Resonatorstruktur nach dem Ätzen und Reinigen verhindert werden.
Dadurch, dass auch in der Technologie von Legtenberg und Tilman Siliziumdioxid als Opferschichtmaterial verwendet wird, bei dessen Herstellung Temperaturen von über 350°C angewendet werden, können bei der beschriebenen Technologie nur entsprechend temperaturbeständige Materialien zum Einsatz kommen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einer Kavität in einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur unter Verwendung wenigstens einer Opferschicht sowie einen Sensor oder Aktor mit wenigstens einer unter Verwendung einer Opferschicht ausgebildeten Kavität zur Verfügung zu stellen, wobei die Opferschicht einen ausreichenden Abstand zwischen den Strukturelementen während der Präparation der mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur zur Verfügung stellt, die Opferschicht leicht zu entfernen ist und darüber hinaus auf möglichst einfache Weise ein Anhaften der Strukturelemente nach Entfernen der Opferschicht vermieden werden kann, wobei die Verfahrensschritte bei möglichst niedrigen Temperaturen ausführbar sein sollen, um beispielsweise polymere Funktionsschichten zur Ausbildung eines Sensors oder Aktors einsetzen zu können.
Die Aufgabe wird einerseits durch ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einer Kavität in einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur unter Verwendung wenigstens einer Opferschicht gelöst, wobei die Opferschicht aus wenigstens einem unterhalb seiner Schmelztemperatur mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h sublimierenden Feststoff ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Opferschicht, die aus dem sublimierenden Feststoff ausgebildet ist, ähnlich wie im Stand der Technik bekannte Opferschichten, dazu genutzt werden kann, während des Aufbaues einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur einen Platzhalter zur Verfügung zu stellen, auf welchem weitere Schichten oder Schichtfolgen aufgebracht werden können. Indem die Opferschicht unterhalb ihrer Schmelztemperatur mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h sublimiert, kann diese, ohne dass ein flüssiges Lösungsmittel nötig ist, aus der auszubildenden Kavität entfernt werden. So wird beispielsweise nach der Strukturierung eines Sensors oder Aktors die Opferschicht bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des Materials der Opferschicht sublimiert. Dabei wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren das Material der Opferschicht in technologisch akzeptablen Zeitgrenzen flüchtig und man erhält eine freitragende Sensor- oder Aktorstruktur.
Hierbei ist es besonders von Vorteil, wenn der sublimierende Feststoff eine Schmelztemperatur in einem Bereich von 18°C bis 200°C aufweist. Derartige Feststoffe weisen somit bei relativ niedrigen Temperaturen ein technisch verwertbares Sublimationsverhalten auf. Der sublimierende Feststoff kann daher als Opferschicht in Technologien wie der Polymer-Mikrosystemtechnik eingesetzt werden, in welchen die verwendeten Materialien eine begrenzte Temperaturbeständigkeit aufweisen.
Es ist ganz besonders von Vorteil, wenn der sublimierende Feststoff ein in einem Temperaturbereich von 18°C bis 25°C mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h sublimierender Feststoff ist. Somit sublimiert der Feststoff bei Raumtemperatur und die Opferschicht zersetzt sich, ohne dass ein Aufheizen der Struktur erforderlich ist.
Als besonders geeignete Materialien zur Ausbildung der Opferschicht haben sich Materialien wie Camphen, Campher, Cyclododecan, Naphtalin, Methylnaphtalin, Neopentylalkohol, Tricyclen, Menthol, Thymol oder Diphenylether und/oder eine Mischung aus wenigstens zwei dieser Materialien erwiesen. Diese Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie beispielsweise in gelöster oder geschmolzener Form mit herkömmlichen Mitteln auf einen Untergrund aufgebracht werden können und bei Raumtemperatur ein technisch nutzbares Sublimationsverhalten aufzeigen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf ein Substrat wenigstens eine leitfähige Schicht aufgebracht; auf die leitfähige Schicht wenigstens eine Isolatorschicht aufgebracht und unter Ausbildung eines Freiraumes auf der leitfähigen Schicht strukturiert oder strukturiert aufgebracht; in den Freiraum der wenigstens eine sublimierende Feststoff in geschmolzenem, gelöstem, dispergiertem, wachsförmigem oder gelförmigem Zustand eingebracht oder in den Freiraum eingebracht und darin geschmolzen, gelöst oder dispergiert; der sublimierende Feststoff unter Ausbildung der Opferschicht zum Erstarren gebracht; wenigstens auf die Opferschicht eine Deckschicht aufgebracht und die Opferschicht sublimiert. Mit dieser Technologie können beispielsweise Beschleunigungs- oder Drucksensoren hergestellt werden, wobei die zunächst auf das Substrat aufgebrachte leitfähige Schicht als Gegenelektrode zu einer aus der Deckschicht ausgebildeten beweglichen Elektrode des auszubildenden Sensors genutzt werden kann. Dabei ist man gemäß der vorgeschlagenen Technologieabfolge relativ frei, in welcher Form und mit welchem Verfahren der sublimierende Feststoff in den Freiraum eingebracht wird.
Es ist bei dieser Verfahrensvariante besonders günstig, wenn der sublimierende Feststoff vor dessen Erstarren in dem Freiraum mit einem Stempel oder einer Rolle planarisiert und/oder verdichtet wird. Hiermit kann eine stabile Opferschicht mit planer Oberfläche realisiert werden, welche eine gute Grundlage für nachfolgende Prozessschritte und/oder eine Strukturierung der Opferschicht darstellt.
Es ist hierbei vorteilhaft, wenn der Stempel oder die Rolle vorzugsweise unter Raumtemperatur (18°C bis 25°C) gekühlt ist und/oder eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 1 W/mK aufweist. Durch die Verwendung eines solchen Stempels oder einer solchen Rolle kann durch die rasche Abkühlung eine schnelle Verfestigung der Opferschicht realisiert werden, was zum Ausbilden einer amorphen Opferschicht führt. Hierdurch kann eine Kristallisierung der Opferschicht, welche beispielsweise mit einer Whiskerbildung verbunden ist, verhindert werden.
Besonders vielfältige Strukturen lassen sich bei diesem Verfahren dadurch erzeugen, wenn durch den Stempel oder die Rolle eine einer auszubildenden Struktur entsprechende Negativstruktur in den erstarrenden sublimierenden Feststoff eingebracht wird. So ist es beispielsweise möglich, durch den Stempel oder die Rolle Reliefstrukturen oder Oberflächenmodifikationen in die Opferschicht während des Erstarrungsvorganges einzubringen, wonach die auf die Opferschicht nachfolgend aufgebrachte Schicht eine der Reliefstruktur oder der Oberflächenmodifikation entsprechende Form erhält.
Bei verschiedenen Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung empfiehlt es sich, vor dem Aufbringen der Deckschicht wenigstens einen Haftvermittler auf die Opferschicht aufzubringen oder eine Oberflächenbehandlung der Opferschicht zum Erhöhen der Haftfestigkeit auszuführen. Hierdurch kann die Deckschicht mit erhöhter Haftfestigkeit auf die Opferschicht aufgebracht und die Stabilität der auszubildenden Struktur verbessert werden.
Um dies zu realisieren, kann beispielsweise der Stempel oder die Rolle mit einem Haftvermittler vor dem jeweiligen Kontakt mit dem sublimierenden Feststoff benetzt werden. So kann in einem Arbeitsschritt beim Planarisieren und/oder Verdichten der Opferschicht gleichzeitig die Haftfestigkeit von auf der Opferschicht abgeschiedenen Schichten erhöht werden.
Erfindungsgemäß können besonders vorteilhafte mikroelektronische und/oder mikromechanische Strukturen erzeugt werden, wenn die Deckschicht aus einem leitfähigen oder piezoelektrischen Polymer ausgebildet wird. Derartige Materialien finden bisher in der Mikroelektronik und/oder Mikromechanik nur sehr selten Anwendung, da sie nur eine begrenzte Temperaturstabilität aufweisen. Infolge des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem bei der Strukturierung relativ niedrige Temperaturen zum Einsatz kommen, ist es nun auch möglich, leitfähige oder piezoelektrische Polymere geeignet in mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Strukturen als polymere Funktionsschichten zur Anwendung zu bringen.
In einer weiteren vorteilhaften Variante der vorliegenden Erfindung wird die Deckschicht durch Sintern von Metallen oder Metalllegierungen in einem Temperaturbereich von 90°C bis 150°C ausgebildet. Der Sinterprozess ermöglicht somit ein Ausbilden einer elektrisch leitfähigen Deckschicht bei relativ niedrigen Temperaturen. Desweiteren kann die leitfähige Schicht auch durch Sputtern oder Laminieren von Folien erzeugt werden.
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird die Deckschicht unter Ausbildung wenigstens eines Durchbruches in der Deckschicht auf der noch nicht sublimierten Opferschicht strukturiert oder strukturiert auf, der noch nicht sublimierten Opferschicht abgeschieden. Durch den Durchbruch in der Deckschicht kann das sublimierte Material der Opferschicht leicht entweichen. Ferner kann der Durchbruch als Bestandteil der auf der Opferschicht ausgebildeten Deckstruktur genutzt werden.
In einer anderen Variante der Erfindung weisen das Substrat und die wenigstens eine auf dem Substrat aufgebrachte Isolatorschicht wenigstens einen, bis an die Opferschicht reichenden Durchbruch auf und die Deckschicht auf der Opferschicht wird geschlossen ausgebildet. Auf diese Weise können Strukturen mit einer oder mehreren inneren Kavitäten ausgebildet werden, wobei die Strukturen durch die geschlossene Deckschicht oben abgedeckt sind.
Es ist ferner erfindungsgemäß möglich, auf die Deckschicht wenigstens eine weitere Opferschicht aus einem in einem Temperaturbereich von 18°C bis 25°C sublimierenden Feststoff und wenigstens eine weitere Deckschicht aufzubringen. Somit können Strukturen mit mehreren Ebenen ausgebildet werden, wobei in jeder der Ebenen eine Kavität ausgebildet werden kann und/oder die einzelnen Kavitäten miteinander verbunden werden können. So ist es mit dieser Technologievariante beispielsweise möglich, Pumpen- oder Ventilanordnungen auszubilden.
Die Aufgabe wird zudem durch einen Sensor oder Aktor mit wenigstens einer unter Verwendung einer Opferschicht ausgebildeten Kavität gelöst, wobei die Opferschicht aus wenigstens einem unterhalb seiner Schmelztemperatur mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h sublimierenden Feststoff ausgebildet ist.
Der erfindungsgemäße Sensor oder Aktor kann durch die geringen, für seine Herstellung benötigten Temperaturen aus Materialien ausgebildet werden, die auf Grund ihrer geringen Temperaturbeständigkeit bisher nicht in mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Strukturen zum Einsatz kommen konnten. Dies betrifft insbesondere polymere Funktionsschichten, welche typischerweise bis maximal 200°C temperaturbeständig sind. Dabei kann der erfindungsgemäße Sensor oder Aktor mit gleicher Qualität und Strukturgenauigkeit wie bisher bekannte Sensoren oder Aktoren ausgebildet werden, wobei die Technologie zu seiner Herstellung im Vergleich zu bisher bekannten Technologien bedeutend vereinfacht ist, da es für das Entfernen der Opferschicht aus der auszubildenden Kavität keiner besonderen technologischen Schritte bedarf, sondern sich die Opferschicht selbst auflöst.
Es ist besonders von Vorteil, wenn der erfindungsgemäße Sensor oder Aktor wenigstens eine freistehende und/oder bewegliche Deckschicht aus einem leitfähigen oder piezoelektrischen Polymer aufweist. Auf diese Weise können beispielsweise Beschleunigungs-, Drehrate-, und/oder Drucksensoren, Taster oder Schalter, dreidimensional integrierte Strukturen, Pumpen- oder Ventilanordnungen auf Polymerbasis hergestellt werden.
Hierbei ist es besonders günstig, wenn der erfindungsgemäße Sensor oder Aktor auf einem Substrat ausgebildet ist, in oder auf welchem eine aktive Elektronik integriert ist. Damit kann eine Steuerung und/oder Auswertelektronik direkt in oder auf dem Chip integriert werden, auf welchem sich der Sensor oder Aktor befindet.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand der Figuren der Zeichnungen näher erläutert, wobei
1 schematisch Schritte einer Variante einer erfindungsgemäßen Technologieabfolge, beispielsweise zur Herstellung eines Beschleunigungssensors, zeigt;
2 schematisch Schritte einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung einer Stempelstruktur zeigt;
3 schematisch eine weitere mögliche erfindungsgemäße Technologieabfolge, beispielsweise zur Herstellung eines Drucksensors, zeigt;
4 schematisch ein Beispiel für einen erfindungsgemäß hergestellten Taster zeigt;
5 schematisch Technologieschritte gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur mit mehreren Ebenen und geschlossener Decke zeigt; und
6 schematisch Schritte einer weiteren möglichen Technologieabfolge des erfindungsgemäßen Verfahrens, beispielsweise zur Herstellung einer Pumpen- oder Ventilanordnung, zeigt.
1 zeigt schematisch Technologieschritte 1a bis 1g einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches beispielsweise zur Herstellung von Beschleunigungssensoren verwendet werden kann.
In dem in 1a gezeigten Verfahrensschritt wird auf ein Substrat 1, dessen Material variabel ist, eine leitfähige Schicht 2 aufgebracht. In dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Substrat 1 ein Polymersubstrat, welches beispielsweise aus PA, PVC, PP, PET oder PEN ausgebildet ist. Die in dem Beispiel von 1a verwendete leitfähige Schicht 2 ist eine leitfähige Polymerschicht, wie beispielsweise PEDOT:PSS oder Polyanilin (PANI). In anderen, nicht gezeigten Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung kann die leitfähige Schicht 2 auch eine Kupferschicht oder eine andere, vorzugsweise strukturierbare, Metall- oder Metalllegierungsschicht sein.
Die leitfähige Schicht 2 kann beispielsweise durch Ätzen strukturiert werden oder strukturiert aufgetragen werden, zum Beispiel durch Druckprozesse.
Gemäß dem in 1b dargestellten Verfahrensschritt wird zunächst auf die leitfähige Schicht 2 eine Isolatorschicht 3 aufgebracht. Die Dicke der Isolatorschicht 3 bestimmt den zukünftigen Abstand zwischen beweglicher Sensor- oder Aktorstruktur und der als Substratelektrode verwendeten leitfähigen Schicht 2. Wie in 1b zu sehen, wird die Isolatorschicht 3, beispielsweise durch Ätzen, strukturiert, wobei durch die Strukturierung wenigstens ein Freiraum 4 ausgebildet wird, welcher die lateralen und vertikalen Ausdehnungen einer auszubildenden Kavität einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur definiert.
Wie aus 1c ersichtlich ist, wird in den Freiraum 4 ein sublimierender Feststoff 5 in geschmolzenem, gelöstem, dispergiertem, wachsförmigem oder gelförmigem Zustand eingebracht oder in den Freiraum 4 eingebracht und darin geschmolzen, gelöst oder dispergiert. Das Einbringen des sublimierenden Feststoffes 5 in den Freiraum 4 kann beispielsweise mittels Ink-Jet-Drucktechnik erfolgen. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der sublimierende Feststoff 5 auch mittels Spin-Coating, Tauchen, Rakeln oder Sprühen aufgebracht werden.
Der sublimierende Feststoff 5 ist in dem in 1b dargestellten Ausführungsbeispiel aus Cyclododecan ausgebildet. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung kann der sublimierende Feststoff 5 auch ein anderer, vorzugsweise bei Raumtemperatur sublimierender Kohlenwasserstoff wie beispielsweise Camphen, Campher, Naphtalin, Methylnaphtalin, Neopentylalkohol, Tricyclen, Menthol, Thymol oder Diphenylether und/oder eine Mischung aus wenigstens zwei der vorgenannten Materialien sein.
Der sublimierende Feststoff 5 zeichnet sich dadurch aus, dass er unterhalb seiner Schmelztemperatur mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h, vorzugsweise von einem 1 μm/h, sublimiert. Dabei weist der erfindungsgemäß einzusetzende sublimierende Feststoff 5 eine Schmelztemperatur in einem Bereich von 18°C bis 200°C auf. Der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel verwendete sublimierende Feststoff 5 ist ein in einem Temperaturbereich von 18°C bis 25°C, das heißt bei Raumtemperatur, mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h, vorzugsweise von 1 μm/h, sublimierender Feststoff.
Gemäß 1d wird in einem nächsten Verfahrensschritt der sublimierende Feststoff 5 noch vor seinem Erstarren mit Hilfe einer Rolle oder eines Stempels 6 in den Freiraum 4, wie es durch die Pfeile A angedeutet ist, gedrückt und dabei planarisiert. Durch Nutzen eines unter Raumtemperatur (18°C bis 25°C) gekühlten und gleichzeitig gut wärmeleitenden Stempels 6 kommt es beim Kontakt zum Erstarren des sublimierenden Feststoffes 5 und gleichzeitig zu dessen Verdichtung. Damit wird das Material des sublimierenden Feststoffes 5 zur Opferschicht 5'.
Wie in 1e dargestellt, wird auf die Opferschicht 5' eine Deckschicht 7 aufgebracht, wobei die Deckschicht 7 vorzugsweise aus einen leitfähigen oder piezoelektrischen Polymer oder einer anderen organischen Schicht ausgebildet ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Deckschicht 7 auch aus einer halbleitenden oder isolierenden Polymer oder einem organischen small-Molekül ausgebildet sein. In dem in 1e gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Deckschicht 7 zunächst eine wässrige PEDOT:PSS-Dispersion. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung kann auch ein anderes Material, wie beispielsweise eine andere Polymerschicht wie PANI, als Deckschicht 7 genutzt werden.
Die Deckschicht 7 wird entweder strukturiert auf die Opferschicht 5' und das seitlich der Opferschicht 5' befindliche Isolatormaterial 3 aufgebracht oder ganzflächig auf die Opferschicht 5' und die Isolatorschicht 3 aufgebracht und nachfolgend strukturiert. Das Aufbringen der Deckschicht 7 kann beispielsweise durch Aufdrucken erfolgen. Die Strukturierung kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise mittels Druck- oder Photolithographieprozessen erfolgen.
Vorzugsweise wird, wie in 1e schematisch dargestellt, in der Deckschicht 7 beim Strukturieren wenigstens ein Durchbruch 8 ausgebildet, durch welchen die Opferschicht 5' wenigstens teilweise in Kontakt mit der Umgebungsluft ist.
Die Deckschicht 7 bildet nachfolgend beispielsweise eine Feder-/Masse-Struktur einer auszubildenden Beschleunigungssensorstruktur aus.
Wie aus 1f hervorgeht, wird nach dem Trocknen der Deckschicht 7 die Opferschicht 5' durch Sublimation abgebaut. Die Sublimation erfolgt hier grundsätzlich bei Raumtemperatur, kann aber durch Erhöhen der Temperatur noch intensiviert werden. Der Abtransport des gasförmigen Sublimates 9 geschieht in dem Beispiel von 1 über den wenigstens einen Durchbruch 8 in der Deckschicht 7 und/oder die Außenbereiche der Struktur.
Im Ergebnis entsteht, wie in 1g gezeigt, eine freitragende, in vertikaler Richtung B bewegliche Elektrode 7', die zusammen mit der Substratelektrode, die aus der leitfähigen Schicht 2 ausgebildet wird, eine veränderbare Kapazität ergibt.
2 zeigt schematisch Verfahrensschritte einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, beispielsweise zur Herstellung eines Beschleunigungssensors.
Zunächst wird in dem Verfahren gemäß 2, ähnlich wie in den 1a bis 1c, auf ein Substrat 1 eine leitfähige Schicht 2 und darauf eine Isolatorschicht 3 aufgebracht, die Isolatorschicht 3 unter Ausbildung eines Freiraumes 4 strukturiert oder die Isolatorschicht 3 strukturiert auf der leitfähigen Schicht abgeschieden. Daraufhin wird, wie in 2a gezeigt, in den Freiraum 4 ein sublimierender Feststoff 5 in geschmolzenem, gelöstem, dispergiertem, wachsförmigem oder gelförmigem Zustand eingebracht oder in den Freiraum 4 eingebracht und darin geschmolzen, gelöst oder dispergiert. Hinsichtlich des Materials, der Eigenschaften und der verwendbaren Technologien zur Aufbringung des sublimierenden Feststoffes 5 wird auf obige Ausführungen zu 1 verwiesen.
2b zeigt einen nächsten Verfahrensschritt, in welchem ein Stempel 6' entsprechend den mit A gekennzeichneten Pfeilen auf den sublimierenden Feststoff 5 gedrückt wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Stempel 6' an seiner dem sublimierenden Feststoff 5 zugewandten Seite ein Oberflächenrelief 10 auf, mit welchem durch den Stempel 6' eine einer auszubildenden Struktur entsprechende Negativstruktur 11 in den erstarrenden sublimierenden Feststoff 5 eingebracht wird. An den nicht strukturierten Bereichen des Stempels 6' erfolgt eine Planarisierung der Oberfläche des sublimierenden Feststoffes 5. Zudem wird durch den Stempel 6' das Material des sublimierenden Feststoffes 5 verdichtet.
In dem in 2b gezeigten Ausführungsbeispiel ist ferner auf der dem sublimierenden Feststoff 5 zugewandten Seite des Stempels 6' ein Haftvermittler 12 vorgesehen, mit dem der Stempel 6' vor seinem Kontakt mit dem sublimierenden Feststoff 5 benetzt wird.
2c zeigt die Struktur aus 2b nach dem Erstarren des sublimierenden Feststoffs 5 unter Ausbildung einer Opferschicht 5' in dem Freiraum, der durch die strukturierte Isolatorschicht 3 definiert ist.
Wie in 2d gezeigt, wird nachfolgend in die in der Opferschicht 5' ausgebildete Negativstruktur 11 ein Deckmaterial 7' eingebracht, welches nachfolgend beispielsweise eine bewegliche Elektrode eines zu fertigenden Beschleunigungssensors ausbildet. Als Deckmaterial 7' kann beispielsweise ein leitfähiges oder piezoelektrisches Polymer, wie beispielsweise eine PEDOT:PSS-Dispersion, verwendet werden.
Wie in 2e gezeigt, wird nach dem Trocknen der Deckschicht 7' das Material der Opferschicht 5' durch Sublimation abgebaut. Dabei entweicht das Sublimat 9.
Im Ergebnis entsteht eine Struktur, wie der in 2f schematisch dargestellte Beschleunigungssensor 13' mit einer aus der Deckschicht 7' ausgebildeten frei beweglichen Elektrode und einer dieser Elektrode gegenüber befindlichen, aus der leitfähigen Schicht 2 ausgebildeten festen Elektrode.
Die 3a bis 3c zeigen schematisch Verfahrensschritte einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches hier zur Ausbildung eines Drucksensors 14 verwendet wird.
Wie aus 3a ersichtlich ist, wird zunächst auf ein Substrat 1, welches aus einem beliebigen Material ausgebildet sein kann, eine leitfähige Schicht 2 aufgebracht. Bezüglich der Materialien und Eigenschaften der leitfähigen Schicht 2 wird auf obige Ausführungen zu 1 und 2 verwiesen. Das Substrat 1 und die leitfähige Schicht 2 können nachfolgend unter Ausbildung eines Kanals 17, der durch das Substrat 1 und die leitfähige Schicht 2 führt, strukturiert werden oder bereits entsprechend vorstrukturiert sein.
Nachfolgend wird, wie in 1b dargestellt, auf die leitfähige Schicht 2 eine Isolatorschicht 3 strukturiert aufgebracht oder aufgebracht und nachfolgend strukturiert, wobei durch die Isolatorschicht 3 ein Freiraum definiert wird, der einen Platzhalter für das Vorsehen einer Opferschicht und das Ausbilden einer in 3c gezeigten Kavität 16 darstellt. In den Freiraum wird, wie zu 1 und 2 detailliert beschrieben, ein sublimierender Feststoff 5 eingebracht, der durch eine Rolle oder einen Stempel 6 zu einer Opferschicht 5' verdichtet und planarisiert wird. Auf die Opferschicht 5' und die Isolatorschicht 3 wird im weiteren Verlauf des Verfahrens ein Haftvermittler 12 und darauf eine Deckschicht 7 derart aufgebracht, dass die Opferschicht 5' vollständig abgedeckt wird.
Hinsichtlich der für den sublimierenden Feststoff 5 und die Deckschicht 7 verwendeten Materialien und Technologien wird auf obige Ausführungen zu 1 und 2 verwiesen.
Wie in 3b gezeigt, sublimiert nach dem Trocknen der Deckschicht 7 die Opferschicht 5', wobei bei dieser Ausführungsvariante der Erfindung das Sublimat 9 sowohl durch den Kanal 17 nach unten als auch an den Strukturseitenkanten aus der Struktur entweicht. Durch das Sublimieren der Opferschicht 5' wird ein Ankleben der Deckschicht 7 auf der leitfähigen Schicht 2 verhindert.
Im Ergebnis entsteht eine Struktur, wie der schematisch in 3c dargestellte Drucksensor 14 mit einer Kavität 16, welche nach oben hin flächig durch die als drucksensible Membran wirkende Deckschicht 7 abgedeckt ist. Dabei kann gemäß den mit C gekennzeichneten Pfeilen eine Druckdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite an die Struktur angelegt werden und diese durch eine beispielsweise in oder auf dem Substrat vorgesehene Elektronik detektiert werden.
Neben Beschleunigungssensoren und Drucksensoren kann das erfindungsgemäße Prinzip auch bei Drehratesensoren Anwendung finden. Desweiteren sind für andere Sensortypen freistehende Strukturen zur thermischen, mechanischen, elektrischen oder akustischen Isolation von Substrat und Träger, wie für Temperatur- und Durchflusssensoren, vorteilhaft.
4 zeigt schematisch in Ergänzung zu 3 einen mit der Technologieabfolge aus 3 hergestellten Taster 14', dessen Deckschicht 7 als Tastmembran benutzt werden kann, auf welche gemäß dem Pfeil D eine Kraft ausgeübt werden kann, welche kapazitiv über die leitfähige Schicht 2 detektiert werden kann.
5 zeigt schematisch eine weitere Möglichkeit der Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens, um einen Mehrfachaufbau auszubilden.
Dabei wird, wie in 5a gezeigt, zunächst auf ein Substrat 1 eine leitfähige Schicht 2 aufgebracht. Das Substrat 1 und die leitfähige Schicht 2 können nachfolgend strukturiert werden oder bereits unter Ausbildung eines Kanals 17, ähnlich wie oben zu 3a beschrieben, vorstrukturiert sein. Bezüglich der hierfür verwendeten Materialien und Technologieschritte wird auf obige Ausführungen zu den 1 bis 3 verwiesen.
Daraufhin wird eine Isolatorschicht 3 auf die leitfähige Schicht 2 aufgebracht und strukturiert oder strukturiert auf der leitfähigen Schicht abgeschieden. Dabei definiert die Isolatorschicht 3 zunächst einen ersten Teilbereich 4a eines Freiraumes, welcher der Aufnahme eines sublimierenden Feststoffes 5 dient.
Nachfolgend wird, ähnlich wie zu den 1 bis 3 beschrieben, der in den Freiraum 4a eingebrachte sublimierende Feststoff 5 planarisiert und verdichtet, woraufhin eine Deckschicht 7 abgeschieden und strukturiert oder strukturiert auf dem Feststoff 5 abgeschieden wird.
Der Vorgang des Abscheidens einer Isolatorschicht 3, das Einbringen eines sublimierenden Feststoffes 5 in einen oder mehrere Teilbereiche 4b, 4c eines Freiraums und das Aufbringen der Deckschicht 7 kann bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrfach wiederholt werden, wobei letztlich der gesamte Freiraum 4a, 4b, 4c mit dem erstarrten sublimierenden Feststoff 5 unter Ausbildung einer in mehreren Ebenen vorliegenden Opferschicht 5' gefüllt ist.
Die oberste, den Schichtstapel abdeckende Deckschicht 7 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel so ausgeführt, dass sie keinen Durchbruch aufweist und somit die Opferschicht 5' flächig abdeckt.
Wie in 5b gezeigt, sublimiert nachfolgend die Opferschicht 5', wobei das Sublimat 9 seitlich sowie durch den Kanal 17 unten aus der Struktur entweichen kann. Dabei wird in den durch die Opferschicht 5' definierten Bereichen eine sich über mehrere Ebenen erstreckende Kavität 18 ausgebildet. Somit kann die erfindungsgemäße Technologie auch zur dreidimensionalen Integration von Sensor- und/oder Aktorstrukturen, wie in 5c gezeigt, verwendet werden.
6 zeigt schematisch eine weitere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisierbare Verfahrensabfolge, welche beispielsweise zur Herstellung von Aktoren, wie Pumpen- und/oder Ventilanordnungen einsetzt werden kann.
Gemäß 6a wird hierfür beispielsweise ein Substrat 1, dessen Material variabel ist, unter Ausbildung von Kanälen 19, 20, die sowohl in die Substratoberflächen 21, 22 münden als auch mit den Strukturseiten 23, 24 in Verbindung stehen, ausgebildet. Wahlweise kann, wie in 6a gezeigt, auch ein Kanal 25 durch das gesamte Substrat 1 hindurchgehend ausgebildet sein.
Entsprechend 6b werden daraufhin auf der Substratober- und -unterseite 21, 22 Strukturelemente, wie beispielsweise bewegliche Strukturelemente 26, 26', ausgebildet. Dabei wird, wie in 6b gezeigt, der Abstand der Strukturelemente 26, 26' zu der Substratober- und -unterseite 21, 22 durch Opferschichten 5'a, 5'b aus einem sublimierenden Feststoff definiert. Bezüglich der hierfür verwendbaren Materialien und der Möglichkeiten der Aufbringungen zur Festigung der Opferschichten 5'a, 5'b wird auf obige Ausführungen bezüglich der Opferschichten 5' in den 1 bis 5 verwiesen.
Wie aus 6c hervorgeht, wird sowohl auf die Ober- als auch auf die Unterseite der in 6b dargestellten Struktur ein weiterer Schichtaufbau, bestehend aus einer Isolatorschicht 3', die strukturiert wird oder strukturiert abgeschieden wird, weiteren Opferschichten 5'c, 5'd und jeweiligen Deckschichten 7 aufgebracht, wobei die Deckschichten 7 die Opferschichten 5'c, 5'd flächig abdecken.
Gemäß 6d sublimiert nachfolgend das Opferschichtmaterial und entweicht als Sublimat 9 seitlich sowie aus den Kanälen 19, 20 nach außen. Dabei entsteht zwischen dem Substrat 1, den Strukturelementen 26, 26' und den jeweiligen Deckschichten 7 eine Kavität 27.
6e zeigt die Struktur aus 6d nach vollständiger Entfernung der Opferschichten 5'a, 5'b, 5'c und 5'd. Im Ergebnis entsteht in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Pumpen- und/oder Ventilanordnung 29, die, wie durch die Pfeile E angedeutet, über die als Membranen fungierenden Deckschichten 7 aktiviert werden kann. Dabei besitzt die in 6e schematisch dargestellte Pumpen- und/oder Ventilanordnung gegenüber herkömmlichen Strukturen den Vorteil, dass hier für die Ausbildung der Strukturelemente 26, 26' als auch für die Deckschichten 7 polymere Funktionsschichten, wie oben zu den 1 bis 5 ausgeführt, eingesetzt werden können, da auch bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich niedrigere Temperaturen (< 200°C) als bei der klassischen Mikrosystemtechnik Anwendung finden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 96/30457 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Electrostatically driven vacuum-encapsulated polysilicon resonators; Part I. Design and fabrication” von Rob Legtenberg und Harry A. C. Tilman in Sensors and Actuators A 45 (1994), S. 57–66 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung wenigstens einer Kavität (15, 15', 16, 18, 27) in einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur unter Verwendung wenigstens einer Opferschicht (5'), dadurch gekennzeichnet, dass die Opferschicht (5') aus wenigstens einem unterhalb seiner Schmelztemperatur mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h sublimierenden Feststoff (5) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sublimierende Feststoff (5) eine Schmelztemperatur in einem Bereich von 18°C bis 200°C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der sublimierende Feststoff (5) ein in einem Temperaturbereich von 18°C bis 25°C mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h sublimierender Feststoff ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferschicht (5') aus Camphen, Campher, Cyclododecan, Naphtalin, Methylnaphtalin, Neopentylalkohol, Tricyclen, Menthol, Thymol oder Diphenylether und/oder einer Mischung aus wenigstens zwei dieser Materialien ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf ein Substrat (1) wenigstens eine leitfähige Schicht (2) aufgebracht wird; auf die leitfähige Schicht (2) wenigstens eine Isolatorschicht (3) aufgebracht und unter Ausbildung eines Freiraumes (4) auf der leitfähigen Schicht (2) strukturiert oder strukturiert aufgebracht wird; in den Freiraum (4) der wenigstens eine sublimierende Feststoff (5) in geschmolzenem, gelöstem, dispergiertem, wachsförmigem oder gelförmigem Zustand eingebracht oder in den Freiraum (4) eingebracht und darin geschmolzen, gelöst oder dispergiert wird; der sublimierende Feststoff (5) unter Ausbildung der Opferschicht (7) erstarrt; wenigstens auf die Opferschicht (5') eine Deckschicht (7) aufgebracht wird und die Opferschicht (5') sublimiert.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der sublimierende Feststoff (5) vor dessen Erstarren in dem Freiraum (4) mit einem Stempel (6, 6') oder einer Rolle planarisiert und/oder verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (6, 6') oder die Rolle gekühlt ist und/oder eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 1 W/mK aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Stempel (6, 6') oder die Rolle eine einer auszubildenden Struktur entsprechende Negativstruktur (11) in den erstarrenden sublimierenden Feststoff (5) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Deckschicht (7) wenigstens ein Haftvermittler (12) auf die Opferschicht (5') aufgebracht wird oder eine Oberflächenbehandlung der Opferschicht (5') zum Erhöhen der Haftfestigkeit ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (6, 6') oder die Rolle mit einem Haftvermittler (12) vor ihrem Kontakt mit dem sublimierenden Feststoff (5) benetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (7) aus einem leitfähigen oder piezoelektrischen Polymer ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (7) durch Sintern von Metallen oder Metalllegierungen in einem Temperaturbereich von 90°C bis 150°C ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (7) unter Ausbildung wenigstens eines Durchbruches (8) in der Deckschicht (7) auf der noch nicht sublimierten Opferschicht (5') strukturiert wird, oder strukturiert auf der noch nicht sublimierten Opferschicht (5') abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) und die wenigstens eine auf dem Substrat (1) aufgebrachte leitfähige Schicht (2) wenigstens einen, bis an die Opferschicht (5') reichenden Durchbruch (8) aufweisen und die Deckschicht (7) auf der Opferschicht (5') geschlossen ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Deckschicht (7) wenigstens eine weitere Opferschicht (5') aus einem in einem Temperaturbereich von 18°C bis 25°C sublimierenden Feststoff (5) und wenigstens eine weitere Deckschicht (7) aufgebracht wird.
Sensor oder Aktor (13, 13', 14, 14', 28, 29) mit wenigstens einer unter Verwendung einer Opferschicht (5') ausgebildeten Kavität (15, 15', 16, 18, 27), dadurch gekennzeichnet, dass die Opferschicht (5') aus wenigstens einem unterhalb seiner Schmelztemperatur mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h sublimierenden Feststoff (5) ausgebildet ist.
Sensor oder Aktor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor oder Aktor (13, 13', 14, 14', 28, 29) wenigstens eine freistehende und/oder bewegliche Deckschicht (7) aus einem leitfähigen oder piezoelektrischen Polymer aufweist.
Sensor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor oder Aktor (13, 13', 14, 14', 28, 29) auf einem Substrat (1) ausgebildet ist, in oder auf welchem eine aktive Elektronik integriert ist.