DE102009047628B4

DE102009047628B4 - Bauelement mit einer mikromechanischen Struktur und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102009047628B4
Application number: DE102009047628.8A
Authority: DE
Inventors: Jochen Reinmuth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-08
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2029-12-09
Also published as: DE102009047628A1

Abstract

Bauelement (10) mit einer mikromechanischen Struktur, die in einem Schichtaufbau über einem Substrat (1) realisiert ist, umfassend mindestens ein freitragendes Strukturelement (11), insbesondere eine Membran, das in mindestens einer dünnen Funktionsschicht (2) des Schichtaufbaus realisiert ist und über einen im Randbereich des Strukturelements (11) umlaufenden Opferschichtsockel (12) in den Schichtaufbau eingebunden und mit dem Substrat (1) verbunden ist; wobei• das freitragende Strukturelement (11) über mindestens eine Hilfsschicht (5) mit dem Opferschichtsockel (12) verbunden ist,• der Verbindungsbereich auf den Mittelbereich des Opferschichtsockels (12) beschränkt ist,• sich die Hilfsschicht (5) seitlich über den Verbindungsbereich hinaus erstreckt und• außerhalb des Verbindungsbereichs ein deutlicher Abstand zwischen dem freitragenden Strukturelement (11) und der Hilfsschicht (5) besteht, und• die Hilfsschicht (5) im Wesentlichen die gleichen Materialeigenschaften aufweist wie die dünne Funktionsschicht (2), in der das freitragende Strukturelement (11) ausgebildet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einer mikromechanischen Struktur, die in einem Schichtaufbau über einem Substrat realisiert ist. Die mikromechanische Struktur des Bauelements umfasst mindestens ein freitragendes Strukturelement, das in mindestens einer dünnen Funktionsschicht des Schichtaufbaus realisiert ist und über zumindest einen Opferschichtsockel in den Schichtaufbau eingebunden ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements.
Ein derartiges Bauelement wird beispielsweise in der DE 10 2007 060 878 A1 beschrieben. Es umfasst ein Halbleitersubstrat, das als Träger für ein mikromechanisches System mit drei übereinander angeordneten planaren Elektroden dient. Die erste Elektrode befindet sich im Bereich der Substratoberfläche, entweder in Form einer geeignet dotierten und strukturierten Schicht oder in Form eines dotierten Bereichs der Substratoberfläche. Die zweite Elektrode ist in einem Abstand über der ersten Elektrode angeordnet. Dazu wurde zunächst eine Opferschicht und darüber eine dünne Funktionsschicht auf die Substratoberfläche mit der ersten Elektrode aufgebracht. Die dünne Funktionsschicht wurde dann strukturiert, um die zweite Elektrode als Strukturelement auszubilden. Die dritte Elektrode des bekannten mikromechanischen Systems ist in einer dicken Funktionsschicht oberhalb der ersten und zweiten Elektrode ausgebildet. Dazu wurde auf die strukturierte dünne Funktionsschicht zunächst eine weitere Opferschicht aufgebracht, auf der dann die dicke Funktionsschicht abgeschieden wurde. Durch Strukturierung der dicken Funktionsschicht wurde zum einen die dritte Elektrode elektrisch und mechanisch vom Rest des mikromechanischen Systems entkoppelt. Zum anderen wurden Ätzöffnungen geschaffen, über die das Opferschichtmaterial über und auch unter der zweiten Elektrode herausgelöst wurde, um diese freizulegen. Die zweite Elektrode ist hier also in Form eines freitragenden Strukturelements realisiert, das über die verbleibenden Opferschichtbereiche seitlich in den Schichtaufbau des mikromechanischen Systems eingebunden ist.
Das bekannte Bauelement kann beispielsweise als kapazitives Mikrofon konzipiert sein. In diesem Fall ist das freitragende Strukturelement als membranförmige Elektrode ausgebildet, die durch den Schalldruck ausgelenkt wird. Diese akustisch aktive Membran ist im Randbereich über die Opferschichten mit dem Substrat und/oder mit der dicken Funktionsschicht verbunden. Aufgrund von über dem Membranbereich angeordneten Durchgangsöffnungen ist die dicke Funktionsschicht für den Schalldruck transparent und bildet so ein feststehenden Gegenelement, in dem einen Gegenelektrode für die bewegliche Membran ausgebildet ist. Der Schalldruck wird hier als Kapazitätsänderung zwischen der beweglichen und der feststehenden Elektrode erfasst.
Es ist bekannt, dass freitragende Strukturelemente, die in dünnen Schichten ausgebildet sind, am Aufhängungspunkt - also dort, wo sie in den Schichtaufbau eingebunden sind, - eine Verbiegung erfahren, wenn sich die Materialeigenschaften der freitragenden Schicht und der Anbindungsschicht unterscheiden. Da die Materialeigenschaften der unterschiedlichen Schichtmaterialien in der Regel stark von äußeren Parametern, wie z.B. der Temperatur, abhängen, ist auch der Grad der Verbiegung abhängig von diesen äußeren Parametern. Eine derartige Verbiegung des freitragenden Strukturelements einer mikromechanischen Bauelementstruktur beeinträchtigt die Funktion des Bauelements in unvorhersehbarer Weise und ist deshalb möglichst zu vermeiden.
Aus der Schrift DE 100 24 697 A1 ist ein Aufbau eines mikromechanischen Bauelements bekannt, welches eine Sensorstruktur mit Kammstrukturen aufweist. Die Sensorstruktur wird dabei als Teil einer Funktionsschicht herausstrukturiert. Zur Stabilisierung dieser Sensorstruktur bzw. der damit erzeugten Kammstruktur wird die Funktionsschicht auf einer mit Leiterbahnen versehenen vergrabenenen Polysiliziumschicht aufgesetzt, die ihrerseits widerum mittels eines ganzflächig aufgebrachten Oxids auf dem Substrat aufliegt.
Die Schrift DE 196 23 072 A1 zeigt einen Aufbau eines Halbleitersensors mit einem Dünnfilmstrukturkörper, bei dem die Dünnfilmstruktur vor einer Biegung aufgrund einer Eigenspannungsverteilung bzw. innerem Spannungsverteilung in Dickenrichtung bewahrt wird. Hierzu wird oberhalb des beweglichen Bauteils des Dünnfilms eine oberflächenmodifizierte Schicht zur Unterdrückung einer Verformung ausgebildet und zwar ohne eine Biegung nach oben oder unten. Der Randbereich des Dünnfilmstrukturkörpers wird direkt über nachfolgend verfüllte Kontaktabschnitte mit einer darunter befindlichen Elektrode mechanisch und elektrisch verbunden.
Aus der Schrift DE 199 59 135 A1 ist ein mikromechanischer Aufbau bekannt, bei dem bewegliche Elektroden eines Sensorelement mittels einer Anordnung in ihrer Beweglichkeit begrenzt werden. Hierzu werden zentrale Anker verwendet, die die seitlich ausgebreiteten (Elektroden-) Körper tragen. Die Anker sind dabei über eine ganzflächig auf dem Trägersubstrat aufgebrachte dielektrische Schicht und eine darauf befindlichen leitfähigen Schicht mit dem Substrat verbunden.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen zur möglichst stressarmen Einbindung eines dünnen, freitragenden Strukturelements in den Schichtaufbau eines mikromechanischen Bauelements.
Erfindungsgemäß wird das freitragende Strukturelement dazu über mindestens eine Hilfsschicht mit dem Opferschichtsockel verbunden, und zwar so, dass sich der Verbindungsbereich auf den Mittelbereich des Opferschichtsockels beschränkt, während sich die Hilfsschicht seitlich über den Verbindungsbereich hinaus erstreckt und außerhalb des Verbindungsbereichs ein deutlicher Abstand zwischen dem freitragenden Strukturelement und der Hilfsschicht besteht. Wesentlich ist, dass die Hilfsschicht im Wesentlichen die gleichen Materialeigenschaften aufweist wie die dünne Schicht, in der das freitragende Strukturelement ausgebildet ist.
Durch diese Maßnahmen werden die mechanischen Spannungen, die an der Grenzfläche zum Opferschichtmaterial, insbesondere im Randbereich des Opferschichtsockels, auftreten, von der Hilfsschicht gerade auch im Randbereich des Opferschichtsockels aufgenommen. Erstreckt sich die Hilfsschicht bis über den Randbereich des Opferschichtsockels hinaus, so führen diese mechanischen Spannungen zwar zu einer Verbiegung des äußeren Randes der Hilfsschicht. Diese Verbiegung wird aber nicht auf das dünne freitragende Strukturelement übertragen, da es lediglich im Mittelbereich des Opferschichtsockels auf der Hilfsschicht aufsitzt und ansonsten deutlich von der Hilfsschicht beabstandet ist. An der Grenzfläche zwischen dem freitragenden Strukturelement und der Hilfsschicht treten aufgrund der sehr ähnlichen bzw. sogar gleichen Materialeigenschaften keine mechanischen Spannungen auf.
Die erfindungsgemäße Bauelementstruktur mit dem dünnen freitragenden Strukturelement und der Hilfsschicht lässt sich einfach durch Opferschichtätzen freilegen. Dabei werden die Eigenheiten eines derartigen Prozesses ausgenutzt, um den Ort der größten materialbedingten Stressentfaltung aus dem Aufhängungsbereich des dünnen freitragenden Strukturelements in einen unkritischen Bereich des Schichtaufbaus zu verlagern.
Die Ausdehnung der Hilfsschicht bis über den Rand des Opferschichtsockels hinaus hängt wesentlich von der Prozessführung beim Opferschichtätzen ab, insbesondere von der Dauer und dem Grad der Unterätzung. Als Ergebnis einer relativ einfachen Prozessführung ragt die Hilfsschicht lateral über den Opferschichtsockel hinaus.
Mikromechanische Bauelemente der hier in Rede stehenden Art werden meist auf Siliziumbasis realisiert. In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, eine dünne Polysiliziumschicht als erste Funktionsschicht vorzusehen. Polysiliziumschichten lassen sich sehr einfach und wohl definiert mit bekannten Verfahren der Mikromechanik strukturieren. Die dabei entstehenden Strukturelemente eignen sich aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften sehr gut zum Erfassen von mechanischen Größen, wie Schall, Druck, Beschleunigungen, etc. Außerdem können Polysilizium-Strukturelemente durch geeignete Dotierung einfach mit Schaltungselementen zur Signalerfassung ausgestattet werden. Als Hilfsschicht wird dann vorteilhafterweise ebenfalls eine Polysiliziumschicht verwendet. Dadurch kann zum einen gewährleistet werden, dass das dünne Strukturelement und die Hilfsschicht gleiche Materialeigenschaften aufweisen. Zum anderen vereinfacht sich dadurch das Opferschichtätzen, da die Hilfsschicht dabei genauso wenig angegriffen wird wie das Strukturelement.
Abhängig von der Funktion, der Bestimmung und dem Einsatzort des Bauelements kann der Schichtaufbau des Bauelements zusätzlich zu der ersten dünnen Funktionsschicht, in der das freitragende Strukturelement ausgebildet wird, noch eine dicke Funktionsschicht über dem freitragenden Strukturelement umfassen. Als Anwendungsbeispiel für einen derartigen Aufbau sei hier das eingangs beschriebene kapazitive Mikrofonbauelement genannt, das eine akustisch aktive Membran als freitragendes Strukturelement und ein darüber angeordnetes feststehendes Gegenelement in einer dicken Funktionsschicht umfasst.
In einer einfachsten Variante des erfindungsgemäßen Bauelements ist das freitragende Strukturelement an das Substrat des Schichtaufbaus angebunden. Diese Anbindung kann lediglich einseitig realisiert sein, wie beispielsweise im Falle eines Paddels zum Erfassen von Beschleunigungen, oder auch umlaufend, wie beispielsweise im Falle einer Mikrofonmembran. Bei einer Substratanbindung sitzt das Strukturelement auf dem mindestens einen entsprechend angeordneten und mit einer Hilfsschicht versehenen Opferschichtsockel auf. Umfasst der Schichtaufbau des Bauelements eine dicke feststehende Funktionsschicht oberhalb des freitragenden Strukturelements, dann kann dieses alternativ oder ergänzend zu einer Substratanbindung auch an die dicke Funktionsschicht angebunden sein.
Entsprechend dieser zwei Anbindungsvarianten werden zwei unterschiedliche Verfahrensvarianten zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelements beansprucht, bei denen jeweils mindestens ein Strukturelement in einer ersten dünnen Funktionsschicht über einer ersten Opferschicht ausgebildet wird, und bei denen das Opferschichtmaterial in mindestens einem ersten Bereich unter dem Strukturelement entfernt wird, um das Strukturelement freizulegen.
Zur Anbindung des freitragenden Strukturelements an das Substrat wird gemäß der ersten beanspruchten Verfahrensvariante noch vor dem Abscheiden der dünnen Funktionsschicht über der ersten Opferschicht mindestens eine Hilfsschicht auf der ersten Opferschicht abgeschieden und so strukturiert, dass die Hilfsschicht zumindest einen Bereich eines Opferschichtsockels vollständig überdeckt. Dann wird auf diese Hilfsschicht mindestens eine zweite Opferschicht aufgebracht und im Mittelbereich des Opferschichtsockels geöffnet, so dass die auf die zweite Opferschicht aufgebrachte dünne Funktionsschicht lediglich im Mittelbereich des Opferschichtsockels direkt mit der Hilfsschicht verbunden ist. Zum Freilegen des Strukturelements in der dünnen Funktionsschicht wird zunächst das Opferschichtmaterial der zweiten Opferschicht im Bereich unter dem Strukturelement komplett entfernt, um dann das Opferschichtmaterial der ersten Opferschicht bis auf den Opferschichtsockel zu entfernen. Im Ergebnis ist das freigelegte Strukturelement schließlich lediglich über die Hilfsschicht und den Opferschichtsockel in den Schichtaufbau eingebunden.
Soll das freitragende Strukturelement an eine zweite dicke Funktionsschicht oberhalb des Strukturelements angebunden werden, so wird auf die strukturierte dünne erste Funktionsschicht eine dritte Opferschicht aufgebracht und im Mittelbereich mindestens eines in einer vierten Opferschicht auszubildenden Opferschichtsockels geöffnet. Auf der so strukturierten dritten Opferschicht wird eine Hilfsschicht abgeschieden, so dass die Hilfsschicht im Mittelbereich dieses Opferschichtsockels direkt mit dem Strukturelement verbunden ist. Die Hilfsschicht wird dann so strukturiert, dass sie zumindest den Bereich des Opferschichtsockels vollständig überdeckt. Auf die so strukturierte Hilfsschicht wird dann mindestens eine vierte Opferschicht aufgebracht, über der dann die dicke Funktionsschicht abgeschieden wird. Zum Freilegen des mindestens einen Strukturelements in der dünnen Funktionsschicht wird das Opferschichtmaterial der vierten Opferschicht bis auf den mindestens einen Opferschichtsockel entfernt. Dann wird das Opferschichtmaterial der dritten Opferschicht im Bereich über dem Strukturelement komplett entfernt, so dass das freigelegte Strukturelement über den Opferschichtsockel und die Hilfsschicht an die dicke Funktionsschicht angebunden ist.
Figurenliste
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.

1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Schichtaufbaus eines ersten erfindungsgemäßen Bauelements 10 mit einem freitragenden, an das Substrat angebundenen Strukturelement,
2 zeigt eine vorteilhafte Variante der in 1 dargestellten Bauelementstruktur,
3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Schichtaufbaus eines dritten erfindungsgemäßen Bauelements 30 mit einem freitragenden, sowohl an das Substrat als auch an eine übergeordnete dicke Funktionsschicht angebundenen Strukturelement und
4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Schichtaufbaus eines vierten erfindungsgemäßen Bauelements 40 mit einer Membran, die an eine übergeordnete dicke Funktionsschicht angebunden ist.

Ausführungsformen der Erfindung
Die mikromechanische Struktur des in 1 dargestellten Bauelements 10 wurde in einem Schichtaufbau über einem Substrat 1 realisiert. Sie umfasst ein freitragendes Strukturelement 11 in Form einer perforierten Membran, die in einer ersten dünnen Funktionsschicht 2 des Schichtaufbaus ausgebildet ist. 1 zeigt lediglich die linke Hälfte der Membran 11 mit deren Anbindung an den Schichtaufbau des Bauelements 10. Über der Membran 11 und von dieser beabstandet befindet sich eine dicke Funktionsschicht 3, die ebenfalls mit Durchgangsöffnungen 4 versehen ist. Die Membran 11 ist über einen im Randbereich umlaufenden Opferschichtsockel 12 mit dem Substrat 1 verbunden.
Die Membran 11 sitzt nicht direkt auf dem Opferschichtsockel 12 auf. Statt dessen ist sie erfindungsgemäß über eine Hilfsschicht 5 mit dem Opferschichtsockel 12 verbunden. Diese Hilfsschicht 5 weist die gleichen Materialeigenschaften auf wie die Membran 11, so dass an der Grenzfläche zwischen Hilfsschicht 5 und Membran 11 keine mechanischen Spannungen auftreten, sondern lediglich an der Grenzfläche zwischen Hilfsschicht 5 und Opferschichtsockel 12, und zwar hauptsächlich im Randbereich des Opferschichtsockels 12. Diese mechanischen Spannungen führen zu einer Verbiegung der Hilfsschicht 5, die im hier dargestellten Ausführungsbeispiel seitlich über den Opferschichtsockel 12 hinausragt. Um die mechanischen Spannungen bzw. die dadurch bedingte Verbiegung der Hilfsschicht 5 nicht auf die Membran 11 zu übertragen, ist der Verbindungsbereich zwischen Membran 11 und Hilfsschicht 5 auf den Mittelbereich des Opferschichtsockels 12 beschränkt. Zudem besteht außerhalb des Verbindungsbereichs ein deutlicher Abstand zwischen der Membran 11 und der Hilfsschicht 5.
Das in 1 dargestellte Bauelement 10 lässt sich einfach mit bekannten Prozessen der Oberflächenmikromechanik herstellen. Ausgangspunkt ist ein Siliziumsubstrat 1, auf dem zunächst eine Siliziumoxidschicht als erste Opferschicht 6 erzeugt wird. Auf der ersten Opferschicht 6 wird dann eine Polysiliziumschicht als Hilfsschicht 5 abgeschieden und so strukturiert, dass die Hilfsschicht 5 zumindest den Bereich eines in der Opferschicht 6 auszubildenden Sockels für die Membran 11 vollständig überdeckt. Danach wird eine zweite Siliziumoxid-Opferschicht 7 aufgebracht. Diese wird im Mittelbereich des noch freizulegenden Opferschichtsockels geöffnet, um die nachfolgend abgeschiedene Polysiliziumschicht 2 mit der Hilfsschicht 5 zu verbinden. Die Polysiliziumschicht 2 wird dann strukturiert, um die Membran 11 mit der Membranperforation 13 auszubilden. Auf die so strukturierte dünne Funktionsschicht 2 wird nun eine dritte Siliziumoxid-Opferschicht 8 aufgebracht, um darüber schließlich noch eine dicke Polysiliziumschicht 3 als weitere Funktionsschicht abzuscheiden. Diese Funktionsschicht 3 wird, beispielsweise in einem Trenchprozess, mit Durchgangsöffnungen 4 versehen.
Im hier erläuterten Ausführungsbeispiel wird die Membran 11 mit dem Operschichtsockel 12 erst danach in einem von der Bauteilvorderseite ausgehenden Opferschichtätzprozess freigelegt. Der Ätzangriff erfolgt also über die Durchgangsöffnungen 4 in der Funktionsschicht 3. Diese sind so angeordnet, dass das Siliziumoxid der dritten Opferschicht 8 zwischen der Membran 11 und der Funktionsschicht 3 vollständig entfernt wird. Zudem ist die Membranperforation 13 so ausgelegt, dass auch das Siliziumoxid der zweiten Opferschicht 7 vollständig entfernt wird. Da die Hilfsschicht 5 im Anschlussbereich der Membran 11 geschlossen ist, wird das Siliziumoxid der ersten Opferschicht 6 hier jedoch nicht vollständig herausgelöst. Die Hilfsschicht 5 wird zwar in der Regel seitlich unterätzt. Es verbleibt aber ein Siliziumoxid-Sockel 12, über den die Membran 11 an das Substrat 1 angebunden und in den Schichtaufbau des Bauelements 10 eingebunden ist.
Bei dem in 2 dargestellten Bauelement 20 handelt es sich um eine Variante des Bauelements 10. Deshalb sind gleiche Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und werden hier nicht nochmals erläutert.
Im Unterschied zum Bauelement 10 ist die Membran 21 des Bauelements 20 nicht ganzflächig plan ausgebildet. Vielmehr befinden sich oberhalb der Hilfsschicht 5 Ausbuchtungen 22 in der Membran 21, die verhindern sollen, dass sich die Hilfsschicht 5 und die Membran 21 bei extremer Verbiegung der Hilfsschicht 5 und Auslenkung der Membran 21 berühren. Zur Realisierung dieser Ausbuchtungen 22 wurde das voranstehend beschriebene Herstellungsverfahrens insofern geringfügig modifiziert, als die zweite Opferschicht 7 in den entsprechenden Bereichen zwischen Hilfsschicht 5 und Membran 21 dicker ausgelegt wurde.
In 3 ist eine Variante des Bauelements 10 dargestellt, bei der die freitragende Membran 31 über einen ersten umlaufenden Opferschichtsockel 32 mit dem Substrat 1 verbunden ist und über einen zweiten umlaufenden Opferschichtsockel 33 mit der dicken Funktionsschicht 3 oberhalb der Membran 31. Die Membran 31 ist jeweils nicht direkt mit den Opferschichtsockeln 32 und 33 verbunden sondern über eine Hilfsschicht 51 bzw. 52. Beide Hilfsschichten 51 und 52 sind aus demselben Material wie die Membran 31 und weisen die gleichen Materialeigenschaften auf, so dass an den Grenzflächen zwischen Hilfsschicht 51 bzw. 52 und Membran 31 keine mechanischen Spannungen auftreten sondern lediglich an den Grenzflächen zwischen Hilfsschicht 51 und Opferschichtsockel 32 und zwischen Hilfsschicht 52 und Opferschichtsockel 33. Dementsprechend erfahren beide Hilfsschichten 51 und 52 eine Verbiegung. Um diese nicht auf die Membran 31 zu übertragen, sind die Verbindungsbereiche zwischen Membran 31 und Hilfsschicht 51 bzw. 52 auf den Mittelbereich des jeweiligen Opferschichtsockels 32 bzw. 33 beschränkt. Zudem besteht außerhalb der Verbindungsbereiche ein deutlicher Abstand zwischen der Membran 31 und der Hilfsschicht 51 bzw. 52.
Auch das in 3 dargestellte Bauelement 30 lässt sich einfach mit bekannten Prozessen der Oberflächenmikromechanik herstellen. Wie im Fall des Bauelements 10 bildet ein Siliziumsubstrat 1 den Ausgangspunkt des Verfahrens. Als erste Opferschicht 6 wird hier jedoch eine Siliziumnitridschicht auf der Substratoberfläche erzeugt. Darauf wird eine Polysiliziumschicht als erste Hilfsschicht 51 abgeschieden und so strukturiert, dass die Hilfsschicht 51 zumindest den Bereich des unteren, in der Opferschicht 6 auszubildenden Sockels für die Membran 31 vollständig überdeckt. Danach wird eine Siliziumoxidschicht als zweite Opferschicht 7 aufgebracht. Diese wird im Mittelbereich des noch freizulegenden Opferschichtsockels geöffnet, um die nachfolgend abgeschiedene Polysiliziumschicht 2, aus der die Membran 31 mit den Membranperforationen 13 herausstrukturiert wird, mit der Hilfsschicht 51 zu verbinden.
Auf die so strukturierte dünne Funktionsschicht 2 wird nun eine weitere Siliziumoxidschicht als dritte Opferschicht 8 aufgebracht und im Mittelbereich des erst in einer vierten Opferschicht auszubildenden oberen Sockels geöffnet. Da sich der untere und der obere Opferschichtsockel 32 und 33 im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel gegenüberstehen, entspricht die Strukturierung der dritten Opferschicht 8 derjenigen der zweiten Opferschicht 7. Auf der so strukturierten dritten Opferschicht 8 wird nun eine weitere Polysiliziumschicht als zweite Hilfsschicht 52 abgeschieden, so dass diese Hilfsschicht 52 im Mittelbereich des noch auszubildenden oberen Sockels direkt mit der Membran 31 verbunden ist. Auch die zweite Hilfsschicht 52 wird so strukturiert, dass sie zumindest den Bereich des oberen Sockels vollständig überdeckt. Erst dann wird eine Siliziumnitridschicht als vierte Opferschicht 9 aufgebracht, über der dann schließlich noch eine dicke Polysiliziumschicht 3 als weitere Funktionsschicht abgeschieden wird. Diese Funktionsschicht 3 wird, beispielsweise in einem Trenchprozess, mit Durchgangsöffnungen 4 versehen, die im Mittelbereich der Membran 31 und außerhalb des Membranbereichs angeordnet sind.
Sowohl die Membran 31 als auch die Opferschichtsockel 32 und 33 werden in einem HF-Gasphasenätzprozess freigelegt, bei dem das die Membran 31 umgebende Opferschichtmaterial gezielt herausgelöst wird. Da der Ätzangriff hier ausschließlich ausgehend von der Bauteilvorderseite, über die Durchgangsöffnungen 4 in der Funktionsschicht 3 erfolgt, wurde für die erste und vierte Opferschicht 6 und 9 Siliziumnitrid gewählt, das gegenüber Fluorwasserstoff eine niedrigere Selektivität aufweist als das Siliziumoxid der zweiten und dritten Opferschicht 7 und 8, also langsamer geätzt wird als Siliziumoxid.
Aufgrund der Anordnung der Durchgangsöffnungen 4 in der dicken Funktionsschicht 3 wird das Siliziumnitrid der vierten Opferschicht 9 im Mittelbereich der Membran 31 und außerhalb des Membranbereichs entfernt. Es verbleibt jedoch ein Sockel 33 oberhalb der Hilfsschicht 52, was auch auf die geringe Selektivität des Siliziumnitrids gegenüber Fluorwasserstoff zurückzuführen ist. Da Siliziumoxid mit einer deutlich höheren Ätzrate angegriffen wird, wird das Siliziumoxid der dritten Opferschicht 8 bei fortschreitendem Ätzprozess vollständig entfernt, und zwar auch zwischen der Hilfsschicht 52 und der Membran 31. Die Membranperforation 13 ist so ausgelegt, dass dann auch das Siliziumoxid der zweiten Opferschicht 7 vollständig entfernt wird. Da die Hilfsschicht 51 im Anschlussbereich der Membran 31 geschlossen ist und aufgrund seiner geringeren Selektivität, wird das Siliziumnitrid der ersten Opferschicht 6 - wie das Siliziumnitrid der vierten Opferschicht 9 - lediglich im Mittelbereich der Membran 31 und außerhalb des Membranbereichs entfernt und es verbleibt ein Sockel 32 unterhalb der Hilfsschicht 51.
Auch in 4 ist die mikromechanische Struktur eines Bauelements 40 mit einer freitragenden Membran 41 dargestellt, die in einer dünnen Funktionsschicht 2 über einem Substrat 1 realisiert ist. Im Randbereich der Membran 41 sind Federelemente 44 ausgebildet. Über der Membran 41 und von dieser beabstandet befindet sich eine dicke Funktionsschicht 3, die mit Durchgangsöffnungen 4 versehen ist. Im Unterschied zu den voranstehend beschriebenen Bauelementen 10, 20 und 30 ist die Membran 41 nicht mit dem Substrat 1 sondern ausschließlich mit der dicken Funktionsschicht 3 verbunden, und zwar über einen im Randbereich der Membran 41 umlaufenden Opferschichtsockel 43 und eine Hilfsschicht 5 zwischen dem Opferschichtsockel 43 und der Membran 41. Erfindungsgemäß weist die Hilfsschicht 5 die gleichen Materialeigenschaften auf wie die Membran 41, so dass lediglich an der Grenzfläche zwischen Hilfsschicht 5 und Opferschichtsockel 43 im Randbereich des Opferschichtsockels 43 mechanische Spannungen auftreten. Diese resultieren in einer Verbiegung des seitlich über den Opferschichtsockel 43 hinausragenden Randbereichs der Hilfsschicht 5. Erfindungsgemäß ist der Verbindungsbereich zwischen Membran 41 und Hilfsschicht 5 auf den Mittelbereich des Opferschichtsockels 43 beschränkt und außerhalb des Verbindungsbereichs besteht ein deutlicher Abstand zwischen der Membran 41 und der Hilfsschicht 5.
Auch das in 3 dargestellte Bauelement 40 lässt sich einfach mit bekannten Prozessen der Mikromechanik ausgehend von einem Siliziumsubstrat 1 herstellen. Dazu wird zunächst eine Siliziumoxidschicht als erste Opferschicht 6 auf der Substratoberfläche erzeugt. Darüber wird eine Polysiliziumschicht als dünne Funktionsschicht 2 abgeschieden und strukturiert, um die Membran 41 mit den Federelementen 44 auszubilden. Danach wird eine zweite Siliziumoxid-Opferschicht 7 aufgebracht und im Randbereich der Membran 41 geöffnet, um eine nachfolgend abgeschiedene als Hilfsschicht 5 fungierende Polysiliziumschicht mit der Membran 41 zu verbinden. Die Hilfsschicht 5 wird so strukturiert, dass sie zumindest den Bereich eines Sockels 43 vollständig überdeckt, der in der nachfolgend aufgebrachten und als dritte Opferschicht 8 dienenden Siliziumnitridschicht auszubilden ist. Über der dritten Opferschicht 8 wird schließlich noch eine dicke Polysiliziumschicht 3 als weitere Funktionsschicht abgeschieden. Über dem Mittelbereich der Membran 41 wird diese Funktionsschicht 3 mit Durchgangsöffnungen 4 versehen. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird außerdem die Rückseite des Substrats 1 geöffnet, was durch Trenchen oder auch in einem isotropen Ätzprozess erfolgen kann.
Erst dann wird die Membran 41 in einem kombinierten Vorderseiten- und Rückseitenätzprozess freigelegt. Dabei wird von der Substratrückseite ausgehend das Opferschichtmaterial der ersten Opferschicht 6 unter der Membran 41 komplett entfernt. Außerdem wird über die Durchgangsöffnungen zwischen den Federelementen 44 der Membran 41 das Siliziumoxid der zweiten Opferschicht 7 unter der Hilfsschicht 5 und am äußeren Rand der Membran 41 herausgelöst. Dabei wird auch das Siliziumnitrid der dritten Opferschicht 8 am äußeren Rand der Membran 41 angegriffen. Der Ätzangriff des Vorderseitenätzprozesses erfolgt über die Durchgangsöffnungen 4 in der dicken Funktionsschicht 3. Dabei wird zunächst das Siliziumnitrid der dritten Opferschicht 8 über der Membran 41 entfernt. Aufgrund der geringeren Ätzrate des Siliziumnitrids verbleibt hier jedoch ein Siliziumnitridsockel 43 über der Hilfsschicht 5, während das Siliziumoxid der zweiten Opferschicht 7 über der Membran 41 vollständig herausgelöst wird. Im Ergebnis ist die Membran 41 über die Hilfsschicht 5 und den Siliziumnitrid-Sockel stressfrei an die dicke Funktionsschicht 3 angebunden und in den Schichtaufbau des Bauelements 40 eingebunden.
Alternativ zur Verwendung einer Opferschicht 8 aus Nitrid kann auch eine Opferschicht aus Oxid verwendet werden. Bei geeigneter lateraler Ausdehnung der Hilfsstruktur 5 ist man in der Lage, bei gleichzeitigem Ätzangriff von der Vorderseite und der Rückseite den Oxidsockel 43 stehen zu lassen, die Membran 41 aber dennoch vollständig freizustellen.

Claims

Bauelement (10) mit einer mikromechanischen Struktur, die in einem Schichtaufbau über einem Substrat (1) realisiert ist, umfassend mindestens ein freitragendes Strukturelement (11), insbesondere eine Membran, das in mindestens einer dünnen Funktionsschicht (2) des Schichtaufbaus realisiert ist und über einen im Randbereich des Strukturelements (11) umlaufenden Opferschichtsockel (12) in den Schichtaufbau eingebunden und mit dem Substrat (1) verbunden ist; wobei • das freitragende Strukturelement (11) über mindestens eine Hilfsschicht (5) mit dem Opferschichtsockel (12) verbunden ist, • der Verbindungsbereich auf den Mittelbereich des Opferschichtsockels (12) beschränkt ist, • sich die Hilfsschicht (5) seitlich über den Verbindungsbereich hinaus erstreckt und • außerhalb des Verbindungsbereichs ein deutlicher Abstand zwischen dem freitragenden Strukturelement (11) und der Hilfsschicht (5) besteht, und • die Hilfsschicht (5) im Wesentlichen die gleichen Materialeigenschaften aufweist wie die dünne Funktionsschicht (2), in der das freitragende Strukturelement (11) ausgebildet ist.
Bauelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschicht (5) lateral über den Opferschichtsockel (12) hinausragt.
Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das freitragende Strukturelement (11) in einer Polysiliziumschicht (2) realisiert ist und dass die Hilfsschicht (5) ebenfalls in Form einer Polysiliziumschicht realisiert ist.
Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtaufbau eine dicke Funktionsschicht (3) über dem freitragenden Strukturelement (11) umfasst.
Bauelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das freitragende Strukturelement (31) über mindestens einen Opferschichtsockel (33) mit der dicken Funktionsschicht (3) verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelements (10) mit einer mikromechanischen Struktur, die in einem Schichtaufbau über einem Substrat (1) realisiert wird, wobei • mindestens ein Strukturelement (11), insbesondere eine Membran in mindestens einer dünnen Funktionsschicht (2) über mindestens einer ersten Opferschicht (6) ausgebildet wird und durch Entfernen des Opferschichtmaterials in mindestens einem ersten Bereich unter dem Strukturelement (11) freigelegt wird, • mindestens eine Hilfsschicht (5) auf der ersten Opferschicht (6) abgeschieden wird und so strukturiert wird, dass die Hilfsschicht (5) zumindest den Bereich mindestens eines Opferschichtsockels (12) vollständig überdeckt, • auf die Hilfsschicht (5) mindestens eine zweite Opferschicht aufgebracht (7) und im Mittelbereich des mindestens einen Opferschichtsockels (12) geöffnet wird, • die auf die zweite Opferschicht (7) aufgebrachte dünne Funktionsschicht (2) lediglich im Mittelbereich des mindestens einen Opferschichtsockels (12) direkt mit der Hilfsschicht (5) verbunden ist, und • zum Freilegen des mindestens einen Strukturelements (11) in der dünnen Funktionsschicht (2) das Opferschichtmaterial der zweiten Opferschicht (7) im Bereich unter dem Strukturelement vollständig (11) entfernt wird und das Opferschichtmaterial der ersten Opferschicht (6) bis auf den mindestens einen im Randbereicht des Strukturelements (11) umlaufenden Opferschichtsockel (12) entfernt wird, so dass das freigelegte Strukturelement (11) über die Hilfsschicht (5) und den Opferschichtsockel (12) in den Schichtaufbau eingebunden und mit dem Substrat (1) verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelements (40) mit einer mikromechanischen Struktur, die in einem Schichtaufbau über einem Substrat (1) realisiert wird, - indem mindestens ein Strukturelement (41) in mindestens einer dünnen Funktionsschicht (2) über mindestens einer ersten Opferschicht (6) ausgebildet wird, - indem auf das Strukturelement (41) mindestens eine weitere Opferschicht (7, 8) aufgebracht wird, über der eine dicke Funktionsschicht (3) ausgebildet wird, und - indem das Strukturelement (41) durch Entfernen des Opferschichtmaterials in mindestens einem ersten Bereich unter und über dem Strukturelement (41) freigelegt wird, insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, - dass die auf das Strukturelement (41) aufgebrachte Opferschicht (7) im Mittelbereich mindestens eines in einer weiteren Opferschicht (8) auszubildenden Opferschichtsockels (43) geöffnet wird, - dass mindestens eine Hilfsschicht (5) auf der so strukturierten Opferschicht (7) abgeschieden wird, so dass die Hilfsschicht (5) im Mittelbereich des mindestens einen Opferschichtsockels (43) direkt mit dem Strukturelement (11) verbunden ist, und die Hilfsschicht (5) so strukturiert wird, dass sie zumindest den Bereich des mindestens einen Opferschichtsockels (43) vollständig überdeckt, - dass auf die Hilfsschicht (5) mindestens eine weitere Opferschicht (8) aufgebracht wird, über der dann die dicke Funktionsschicht (3) ausgebildet wird, und - dass zum Freilegen des mindestens einen Strukturelements (41) in der dünnen Funktionsschicht (2) das Opferschichtmaterial dieser weiteren Opferschicht (8) bis auf den mindestens einen Opferschichtsockel (43) entfernt wird und das Opferschichtmaterial der übrigen Opferschichten (7) im Bereich über dem Strukturelement (41) komplett entfernt wird, so dass das freigelegte Strukturelement über den Opferschichtsockel (43) und die Hilfsschicht (5) an die dicke Funktionsschicht angebunden ist.