DE102010038810B4

DE102010038810B4 - Verfahren zum Verkappen eines mikromechanischen Bauelements

Info

Publication number: DE102010038810B4
Application number: DE102010038810.6A
Authority: DE
Inventors: Ando Feyh
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-08-03
Filing date: 2010-08-03
Publication date: 2020-01-02
Anticipated expiration: 2030-08-04
Also published as: DE102010038810A1

Abstract

Verfahren zum Verkappen eines mikromechanischen Bauelements (101), umfassend die folgenden Schritte:
- Bereitstellen eines mikromechanischen Bauelements (101) mit einer Opferschicht (105),
- Abscheiden einer Funktionsschicht (107) auf der Opferschicht (105), wobei die Funktionsschicht (107) in einem Bereich mikrostrukturiert wird,
- Bilden einer Kappenschicht (113) auf dem mikromechanischen Bauelement (101), wobei die Kappenschicht (113) auf das mikromechanische Bauelement (101) abgeschieden wird,
- Bilden einer Perforation (115) in der Kappenschicht (113), und
- Strukturieren des mikromechanischen Bauelements (101) über die Perforation (115), wobei die Opferschicht (105) mittels eines Ätzprozesses zumindest teilweise durch die Perforation (115) hindurch entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- nach dem zumindest teilweisen Entfernen der Opferschicht (105) eine die Kappenschicht (113) reduzierende Umgebungsatmosphäre in der Kappenschicht (113) erzeugt wird, um die Kappenschicht (113) zum Fließen zu bringen, so dass die Perforation (115) verschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verkappen eines mikromechanischen Bauelements und ein mikromechanisches Bauelement.
Stand der Technik
Es ist bekannt, mikromechanische Bauelemente zu verkappen bzw. zu versiegeln, indem auf das Bauelement eine Kappenschicht abgeschieden wird. Diese Kappenschicht wird dann perforiert. Durch die Perforationen wird eine Opferschicht des Bauelements mittels Ätzprozesse entfernt. Anschließend werden die Perforationen versiegelt, indem eine weitere Schicht auf die perforierte Kappenschicht abgeschieden wird. Hierbei wird aber auch Material durch die Perforationen hindurch auf das mikromechanische Bauelement unter der Kappenschicht abgeschieden, da die Abscheideprozesse sehr konform sind. Dies kann beispielsweise zu elektrischen Kurzschlüssen an elektrischen Anschlüssen und Leitungen des Bauelements führen, wodurch das Bauelement beschädigt werden oder sogar ausfallen kann.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2005 042 648 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von kommunizierenden Hohlräumen.
Die Offenlegungsschrift DE 103 23 559 A1 offenbart eine mikromechanische Vorrichtung.
Die Offenlegungsschrift US 2006/0131651 A1 offenbart ein Halbleitersubstrat.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2006 050 188 A1 offenbart ein mikromechanisches Bauelement.
Die Patentschrift US 7,736,929 B1 offenbart ein mikromechanisches Bauelement.
Die Patentschrift US 7,846,512 B2 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Mustern in einer Polymerschicht.
Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, ein Verfahren zum Verkappen eines mikromechanischen Bauelements anzugeben, welches die bekannten Nachteile überwindet und eine sichere Versiegelung des Bauelements ermöglichen.
Die Aufgabe wird mittels des Verfahrens nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen. Die Erfindung umfasst den Gedanken, ein mikromechanisches Bauelement, insbesondere einen Inertialsensor oder einen Hohlraumresonator, bereitzustellen. Vorzugsweise umfasst das Bauelement ein Substrat, auf welchem eine Opferschicht aufgebracht oder abgeschieden wird. Ferner wird vorzugsweise eine Funktionsschicht auf der Opferschicht abgeschieden. Bevorzugterweise wird die Funktionsschicht in einem Bereich mikrostrukturiert. Insbesondere werden in dem mikrostrukturierten Bereich elektrische Schaltkreise und/oder elektrische Elemente, beispielsweise Elektroden, gebildet. Insbesondere wenn das mikromechanische Bauelement solche elektrische Elemente und/oder elektrische Schaltkreise umfasst, kann das mikromechanische Bauelement auch als ein elektronisches Bauelement, insbesondere als ein mikromechanisches elektronisches Bauelement bezeichnet werden.
Auf dem Bauelement wird dann eine Kappenschicht ausgebildet. Beispielsweise kann die Kappenschicht auf das Bauelement abgeschieden werden. Vorzugsweise wird die Kappenschicht mittels chemischer Gasphasenabscheidung, physikalischer Gasphasenabscheidung, galvanischer Verfahren, Epitaxie-Verfahren oder Sol-Gel-Verfahren abgeschieden. Die vorgenannten Abscheideverfahren können allgemein dafür verwendet werden, um Schichten auf das Bauelement abzuscheiden. Vorzugsweise ist die Kappenschicht aus Silizium oder Germanium.
Anschließend wird die Kappenschicht perforiert, indem eine Perforation in der Kappenschicht gebildet wird, d. h., dass eine Verbindung zwischen dem Bauelement, insbesondere der Opferschicht, und der Umgebung des Bauelements durch die Perforation ausgebildet ist. Insbesondere können auch mehrere Perforationen gebildet werden. Nach einer beispielhaften Ausgestaltung weist die Perforation oder die Perforationen eine Zylinderform auf. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der Perforation weniger als 1µm, insbesondere liegt der Durchmesser der Perforation im sub-µm-Bereich. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Aspektverhältnis der Zylinderform, d.h. das Verhältnis von Länge zu Durchmesser, größer als 10.
In einem weiteren Schritt wird dann das mikromechanische Bauelement über die Perforation strukturiert. Bevorzugterweise wird die Opferschicht mittels eines Ätzprozesses zumindest teilweise entfernt. Ein solcher Vorgang kann auch als eine Opferschichtätzung bezeichnet werden. Die Opferschichtätzung erfolgt durch die Perforation hindurch, d. h. das ätzende Element gelangt durch die Perforation zu der Opferschicht und ätzt diese dort weg.
Erfindungsgemäß wird dann eine die Kappenschicht reduzierende Umgebungsatmosphäre am Bauelement erzeugt, insbesondere reduziert die Umgebungsatmosphäre die Oberfläche der Kappenschicht. In einer solchen Umgebung beginnt die Kappenschicht zu fließen und verschließt so die Perforationen. Das Bauelement wird folglich versiegelt und insbesondere hermetisch von der Umgebungsatmosphäre abgekapselt. Ein solches verkapptes mikromechanisches Bauelement kann auch als ein dünnschichtverkapptes Bauelement bezeichnet werden. Wenn das Bauelement ein Inertialsensor oder ein Hohlraumresonator ist, kann das verkappte Bauelement auch als ein dünnschichtverkappter Inertialsensor oder als ein dünnschichtverkappter Hohlraumresonator bezeichnet werden.
Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik wird also keine weitere Schicht mehr auf die perforierte Kappenschicht zur Versiegelung derselben abgeschieden, so dass auch kein Material aus dieser weiteren Schicht auf die Funktionsschicht abgeschieden wird. Elektrische Kurzschlüsse werden so in vorteilhafter Weise vermieden.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass eine Umgebung des Bauelements auf eine Temperatur zwischen 900° C und 1200° C, insbesondere zwischen 950° C und 1200° C, erwärmt wird. Vorzugsweise wird die Umgebung auf etwa 1100° C erwärmt. In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung wird das Bauelement direkt erwärmt.
Vorzugsweise wird ein Umgebungsdruck des mikromechanischen Bauelements auf einen Druck zwischen 1mTorr und 100mTorr, insbesondere auf einen Druck von 10mTorr, eingestellt (1mTorr entspricht etwa 0,133 Pa). Beispielsweise wird Wasserstoff dosiert, so dass die Umgebungsatmosphäre des Bauelements zumindest teilweise aus Wasserstoff besteht. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Bauelement eine Umgebungsatmosphäre aufweist, welche zu einem überwiegenden Teil, d.h. größer als 90%, insbesondere größer als 95%, beispielsweise größer als 99%, aus Wasserstoff besteht. Es kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die Umgebungsatmosphäre aus reinem Wasserstoff besteht.
Die Verwendung von Wasserstoff bewirkt insbesondere, dass Oberflächendefekte auf der Kappenschicht, welche beispielsweise durch native Oxide auf der Oberfläche der Kappenschicht gebildet sind, ausheilen, so dass eine atomare Oberfläche gebildet wird. Im Fall einer Kappenschicht aus Silizium sind die Oberflächendefekte insbesondere durch SiO₂ gebildet. In einer Wasserstoffatomsphäre heilen diese Defekte aus, so dass eine reine Silizium-Oberfläche entsteht. Eine solche reine atomare Oberfläche begünstigt, dass bei einer entsprechenden Temperatur die Kappenschicht zu fließen beginnt.
Während des Fließens wird die Oberflächenenergie der Struktur der Perforation minimiert, indem die Oberfläche der Perforation selbst die Form einer Minimalfläche annimmt. Beispielsweise ändert sich eine Zylinderform in eine Kugelform, so dass in der Kappenschicht eingeschlossene Hohlräume in Kugelform entstehen. Folglich wird ein Verschluss der Perforation erreicht. Des Weiteren wird mittels des Verfließens der Kappenschicht eine zusammenhängende Kappenschicht, insbesondere eine zusammenhängende Silizium-Schicht, ohne einen inhärenten Schichtstress erzeugt.
In den obigen Ausführungen wurde Wasserstoff als ein Beispiel für ein Bestandteil der Umgebungsatmosphäre des Bauelements genannt. Das erfindungsgemäße Verfahren soll darauf aber nicht beschränkt sein. Möglich sind sämtliche Gase, welche die Oberfläche der Kappenschicht reduzieren und insbesondere Oberflächendefekte ausheilen.
In einer Ausführungsform ist ein mikromechanisches Bauelement vorgesehen, umfassend:

ein Substrat,
eine auf dem Substrat angeordnete Funktionsschicht und
eine auf der Funktionsschicht angeordnete Kappenschicht,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Kappenschicht Hohlräume gebildet sind.

In einer Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements ist vorgesehen, dass auf der Kappenschicht eine Verstärkungsschicht gebildet ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen

1 einen Querschnitt eines mikromechanischen Bauelements vor einer Versiegelung nach dem Stand der Technik;
2 einen Querschnitt des Bauelements aus 1 nach der Versiegelung nach dem Stand der Technik;
3 einen Querschnitt eines mikromechanischen Bauelements vor dem Verkappen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
4 einen Querschnitt des Bauelements aus 3 nach dem Verkappen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren; und
5 ein mikromechanisches Bauelement, welches mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verkappt wurde, mit einer Verstärkungsschicht.

Im Folgenden werden in den Zeichnungen für gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt ein mikromechanisches Bauelement 101. Das Bauelement 101 umfasst ein Substrat 103, auf welchem eine Opferschicht 105 abgeschieden ist. Auf der Opferschicht 105 ist eine Funktionsschicht 107 abgeschieden, welche in einem Kernbereich 109 mikrostrukturiert ist. Insbesondere sind in dem Kernbereich 109 elektrische Schaltkreise (nicht gezeigt) gebildet. Das mikromechanische Bauelement 101 kann insofern auch als ein elektronisches Bauelement bezeichnet werden. Auf die Funktionsschicht 107 ist ferner eine Isolationsschicht 111 angeordnet, auf welcher eine Kappenschicht 113 abgeschieden ist. In der Kappenschicht 113 wurden in bekannter Weise Perforationen 115 gebildet. Durch die Perforationen 115 ist eine zumindest teilweise Wegätzung der Opferschicht 105 möglich, so dass die Opferschicht 105 mittels eines Ätzprozesses zumindest teilweise entfernt werden kann. Bevorzugterweise wird die Opferschicht 105 komplett entfernt.
Zum Versiegeln wird, wie in 2 gezeigt, herkömmlicherweise eine Verschlussschicht 117, beispielsweise aus Silizium, auf die Kappenschicht 113 abgeschieden, vorzugsweise mittels Epitaxie. Aufgrund der Konformität des Abscheidungsprozesses wird im Kernbereich 109 ebenfalls Material, beispielsweise Silizium oder Germanium, der Verschlussschicht 117 abgeschieden. Das im Kernbereich abgeschiedene Material ist hier mit dem Bezugszeichen 119 gekennzeichnet. Dieses Material 119 kann elektrische Kurzschlüsse bilden, was zu einer Beschädigung oder gar einen Ausfall des Bauelements 101 führen kann.
3 zeigt das Bauelement 101 vor dem Verkappen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Es wird ebenfalls eine Kappenschicht 113 auf die Isolationsschicht 111 abgeschieden. Die Dicke der Kappenschicht 113 kann hierbei bevorzugterweise die Summer der Dicke der Kappenschicht 113 aus 1 und der Dicke der Verschlussschicht 117 aus 2 betragen. Beispielsweise beträgt eine Dicke der Kappenschicht 113, welche in dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgetragen wird, zwischen 10µm und 20µm.
Es werden analog zu 1 Perforationen 115 in der Kappenschicht 113 gebildet, welche hier eine Zylinderform aufweisen. Ein Durchmesser des Zylinders beträgt beispielsweise einige µm. Er kann aber auch im sub-µm-Bereich liegen. Ein Aspektverhältnis, d.h. das Verhältnis von Länge zu Durchmesser ist bevorzugterweise größer als 10.
Nachdem die Opferschicht 105 zumindest teilweise mittels einer Opferschichtätzung entfernt wurde, wird das Bauelement 101 einer Umgebung mit einer Umgebungsatmosphäre ausgesetzt, wobei die Umgebungsatmosphäre eine Temperatur zwischen 900° C und 1200° C, insbesondere zwischen 950° C und 1200 ° C, aufweist. Die Umgebungsatmosphäre weist einen Druck zwischen 1mTorr und 100mTorr auf, insbesondere einen Druck von 10mTorr. Bevorzugterweise besteht die Atmosphäre zu über 90% aus Wasserstoff, insbesondere zu über 95%, beispielsweise zu über 99% aus Wasserstoff. Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Bauelement 101 einer Umgebungsatmosphäre mit einem Druck von 10mTorr und einer Temperatur von 1100° C ausgesetzt.
Das Aussetzen des Bauelements 101 einer wie oben beschriebenen Umgebungsatmosphäre bewirkt insbesondere, dass die Kappenschicht 113, welche bevorzugterweise aus Silizium oder Germanium gebildet ist, zu fließen anfängt. Das Kappenschichtmaterial wird insofern thermisch umgelagert. Während des Fließens wird nun die Oberflächenenergie der Perforationen 115 minimiert, indem die Oberfläche der Zylinder selbst die Form einer Minimalfläche in Form einer kugelähnlichen Form 121 (vgl. 4) annimmt. Die Perforationen verfließen und bilden insofern Hohlräume 121 mit einer kugelähnlichen Form in der Kappenschicht 113. Die Kappenschicht 113 ist somit hermetisch verschlossen. Auf die Funktionsschicht 107, insbesondere auf den Kernbereich 109, hat das Aussetzen des Bauelements 101 der reduzierenden Umgebungsatmosphäre keine nachteiligen Auswirkungen. Hierbei glätten sich lediglich eventuelle Trenchkanten.
In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann vor dem Abscheiden der Kappenschicht 113 noch eine Antihaftschicht auf das Bauelement 101, insbesondere auf die Funktionsschicht 107 deponiert bzw. abgeschieden werden. Insbesondere wenn die Funktionsschicht 107 sowohl bewegbar angeordnete als auch fest angeordnete elektronische Komponenten, beispielsweise Elektroden, aufweist, kann so in vorteilhafter Weise eine Reibung zwischen diesen Komponenten reduziert werden, so dass bei Kontakt ein Verharken oder Verkeilen wirksam vermieden wird. Die Antihaftschicht kann vorzugsweise aus Siliziumcarbid gebildet sein.
5 zeigt das Bauelement 101 nach der erfindungsgemäßen Verkappung bzw. Versiegelung, wobei auf die Kappenschicht 113 noch eine Verstärkungsschicht 123 abgeschieden wurde, beispielsweise mittels Epitaxie, so dass die Kappenschicht 113 besonders verstärkt wird. Somit kann in vorteilhafter Weise eine erhebliche mechanische Stabilisierung des Bauelements 101 erreicht werden. Hierbei sei angemerkt, dass die Verstärkungsschicht 113 lediglich optional vorgesehen ist. Vorzugsweise beträgt eine Dicke der Kappenschicht 113 und der Verstärkungsschicht 123 zusammen zwischen 10µm und 20µm.
Erfindungsgemäß kann das mikromechanische Bauelement 101 beispielsweise ein Resonator, insbesondere ein Hohlraumresonator, ein Intertialsensor, insbesondere ein kleinbauender Inertialsensor, oder ein Bewegungssensor, vorzugsweise ein Drehratensensor, sein. Allgemein lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren aber auch auf sämtliche Sensoren oder mikromechanische und/oder elektronische Bauelemente mit Dünnschichtverkappung anwenden.

Claims

Verfahren zum Verkappen eines mikromechanischen Bauelements (101), umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines mikromechanischen Bauelements (101) mit einer Opferschicht (105), - Abscheiden einer Funktionsschicht (107) auf der Opferschicht (105), wobei die Funktionsschicht (107) in einem Bereich mikrostrukturiert wird, - Bilden einer Kappenschicht (113) auf dem mikromechanischen Bauelement (101), wobei die Kappenschicht (113) auf das mikromechanische Bauelement (101) abgeschieden wird, - Bilden einer Perforation (115) in der Kappenschicht (113), und - Strukturieren des mikromechanischen Bauelements (101) über die Perforation (115), wobei die Opferschicht (105) mittels eines Ätzprozesses zumindest teilweise durch die Perforation (115) hindurch entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - nach dem zumindest teilweisen Entfernen der Opferschicht (105) eine die Kappenschicht (113) reduzierende Umgebungsatmosphäre in der Kappenschicht (113) erzeugt wird, um die Kappenschicht (113) zum Fließen zu bringen, so dass die Perforation (115) verschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen der reduzierenden Umgebungsatmosphäre ein Erwärmen der Umgebungsatmosphäre des mikromechanischen Bauelements (101) auf eine Temperatur zwischen 900° C und 1200° C umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Erzeugen der reduzierenden Umgebungsatmosphäre ein Dosieren von Wasserstoff umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die reduzierende Umgebungsatmosphäre einen Druck zwischen 1 mTorr und 100 mTorr (entspricht etwa 0,133-13,3 Pa) aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei nach dem Verschließen der Perforation (115) eine Verstärkungsschicht (123) auf der Kappenschicht (113) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kappenschicht (113) eine Dicke zwischen 10 µm und 20 µm aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Perforation (115) eine Zylinderform aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Durchmesser der Perforation (115) kleiner als 1µm beträgt.