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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements, wobei ein Substrat mit einer auf dem Substrat angeordneten Schichtanordnung bereitgestellt und ein Ätzprozess zum Ausbilden eines Strukturelements durchgeführt wird.
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Stand der Technik
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Mikromechanische Bauelemente, welche beispielsweise im Automobilbereich als Inertial- oder Beschleunigungssensoren zum Einsatz kommen oder auch ihm Rahmen von Mikrofonen verwendet werden, weisen üblicherweise eine Mikrostruktur mit beweglichen Funktionselementen auf. Die Mikrostruktur wird auch als MEMS-Struktur (Mikro-Electro-Mechanical System) bezeichnet. Im Betrieb der Sensoren wird eine Auslenkung eines Funktionselements zum Beispiel durch eine Änderung der elektrischen Kapazität gegenüber einer festen Bezugselektrode erfasst.
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Zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente können unterschiedliche Verfahren durchgeführt werden. Eine mögliche Vorgehensweise besteht darin, Funktions- bzw. MEMS-Strukturen auf der Basis von CMOS-Herstellungstechniken (Complementary Metal Oxide Semiconductor) auszubilden. Beispielsweise ist es bekannt, in CMOS-Prozesstechnik erzeugte metallische Leiterbahnen als freistehende bewegliche Funktionselemente und als Auswerteelektroden einzusetzen. Zum (partiellen) Freistellen von Leiterbahnen wird ein unter den Leiterbahnen liegendes und als Opferschicht dienendes Oxid entfernt. Von Nachteil ist jedoch, dass (freigestellte) Metallbahnen relativ schlechte mechanische Eigenschaften besitzen. Auch erweisen sich bekannte CMOS-Prozesse als ungeeignet, um Strukturen mit einem hohen Aspektverhältnis herzustellen.
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Daher gibt es auch alternative Ansätze, bei denen die Leiterbahnen über Oxidschichten mit einem zugehörigen Siliziumsubstrat verbunden bleiben. Das Substrat wird ferner derart strukturiert, dass Siliziumstege unterhalb der Leiterbahnen erzeugt werden. Bei einer solchen Mikrostruktur werden die mechanischen Eigenschaften im Wesentlichen durch die Siliziumstege bestimmt, welche die Eigenschaften von reinen freigestellten Metallbahnen übertreffen. Auch können Siliziumstrukturen mit einem hohen Aspektverhältnis erzeugt werden.
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Die Dicke bzw. Höhe einer gemäß CMOS-Prozesstechnik hergestellten und als Elektrode eingesetzten Leiterbahnstruktur (typischerweise 5 bis 10 μm) ist (wesentlich) kleiner als die Elektrodenhöhe bei Bauelementen mit Funktionsstrukturen aus reinem Silizium (zum Beispiel 10 bis 100 μm). Bei einem solchen Prozess ist es daher wichtig, eine Herstellung von schmalen Strukturen mit geringen Abständen zu ermöglichen. Eine Herausforderung stellt insbesondere das Ausbilden von schmalen tiefen Gräben in einem Oxid dar.
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Anisotrope Plasmaätzprozesse, welche zum Oxidätzen einsetzbar sind, haben jedoch eine Tendenz zum Erzeugen von positiv zulaufenden Ätzflanken. Auch können die Leiterbahnen, welche gegebenenfalls als Ätzmaske dienen, einem Metallabtrag ausgesetzt sein. Anisotrope Plasmaätzprozesse beschränken daher den minimal erreichbaren Abstand zwischen Metallbahnen und die maximal zu erreichende Ätztiefe. Isotrope Oxidätzverfahren haben hingegen ein seitliches Anätzen eines Oxids im Bereich von Ätzzugängen zwischen einzelnen Leiterbahnen zur Folge. Daher kann es bei Funktionsstrukturen, welche aus mehreren übereinander angeordneten und über Oxidschichten isolierend verbundenen Leiterbahnen aufgebaut werden, zu einer vollständigen Unterätzung der Leiterbahnen kommen. Dies kann durch Auslegen der Leiterbahnen mit einer großen Breite vermieden werden. Da die Ätzrate zwischen einzelnen Oxiden je nach Herstellung stark unterschiedlich sein kann, ist dieser Ansatz jedoch mit relativ breiten Elektrodenstrukturen verbunden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Substrats mit einer auf dem Substrat angeordneten Schichtanordnung. Die Schichtanordnung umfasst ein Isolationsmaterial, einen leitfähigen Schichtabschnitt, und eine mit dem leitfähigen Schichtabschnitt verbundene Schutzschichtstruktur, welche einen Abschnitt des Isolationsmaterials einfasst. Das Verfahren umfasst des Weiteren ein Durchführen eines isotropen Ätzprozesses zum Entfernen eines Teils des Isolationsmaterials. Hierbei verhindern der leitfähige Schichtabschnitt und die Schutzschichtstruktur ein Entfernen des eingefassten Abschnitts des Isolationsmaterials. Durch das Ätzen wird ferner ein Strukturelement ausgebildet, welches den leitfähigen Schichtabschnitt, die Schutzschichtstruktur und den eingefassten Abschnitt des Isolationsmaterials umfasst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein isotroper Ätzprozess durchgeführt, wobei die Schutzschichtstruktur (zusammen mit dem leitfähigen Schichtabschnitt) als „Ätzstoppschicht” dient. Ein solches Verfahren bietet die Möglichkeit, das Strukturelement, welches bei dem Bauelement als Elektrodenstruktur eingesetzt werden kann, mit einer kleinen Breite auszubilden. Auch können mehrere Elektrodenstrukturen mit geringen Abständen erzeugt werden. Das Durchführen des isotropen Ätzverfahrens kann mit einem relativ geringen Abtrag des leitfähigen Schichtabschnitts verbunden sein. Hierdurch ist es möglich, eine relativ große Dicke des Isolationsmaterials durchzuätzen bzw. das Strukturelement mit einer großen Höhe zu erzeugen. Auch kann eine hohe Reproduzierbarkeit erzielt werden. Aufgrund des Einsatzes der Schutzschichtstruktur ist der isotrope Ätzprozess relativ unkritisch im Hinblick auf Ätzparameter wie die Ätzzeit und die Ätzgleichmäßigkeit („Uniformity”). Hiermit verbunden ist eine deutliche Vereinfachung der Prozessierung, wodurch sich ferner eine Kostenersparnis ergibt. Darüber hinaus kann das bei konventionellen Plasmaätzprozessen bei hoher Leistung bzw. großer Ätzrate auftretende Problem von elektrischen Überschlägen („Arching”) mit der Folge einer Zerstörung eines Bauelements umgangen werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die auf dem bereitgestellten Substrat angeordnete Schichtanordnung eine Mehrzahl an in unterschiedlichen Ebenen angeordneten und durch Schutzschichtstrukturen verbundenen leitfähigen Schichtabschnitten. Die Schutzschichtstrukturen fassen jeweils einen Abschnitt des Isolationsmaterials ein. Durch das Durchführen des isotropen Ätzprozesses zum Entfernen eines Teils des Isolationsmaterials wird ein Strukturelement ausgebildet, welches in mehreren Ebenen angeordnete leitfähige Schichtabschnitte, Schutzschichtstrukturen und eingefasste Abschnitte des Isolationsmaterials umfasst. In dieser Ausgestaltung können die Schutzschichtstrukturen und die leitfähigen Schichtabschnitte in entsprechender Weise als Ätzstoppschichten dienen, um auf einfache und reproduzierbare Weise ein Strukturelement mit mehreren übereinander angeordneten leitfähigen Schichtabschnitten herstellen zu können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nach dem Durchführen des isotropen Ätzprozesses zum Entfernen eines Teils des Isolationsmaterials ein Ätzprozess zum Entfernen der Schutzschichtstruktur bzw. der Schutzschichtstrukturen durchgeführt. Hierdurch kann auf einfache Weise erreicht werden, dass in mehreren Ebenen angeordnete leitfähige Schichtabschnitte nur noch über (zuvor eingefasste) Abschnitte des Isolationsmaterials, und daher isolierend miteinander verbunden sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren des Weiteren ein Entfernen von Substratmaterial des Substrats zum Freistellen des Strukturelements. Hierdurch kann bewirkt werden, dass das Strukturelement beweglich auf dem Substrat angeordnet ist, wodurch beispielsweise eine auf das Substrat einwirkende Beschleunigung erfasst werden kann. Das Entfernen von Substratmaterial kann zum Beispiel in Form von Grabenätzen durchgeführt werden, um einen Substratmaterial umfassenden Steg für das Strukturelement auszubilden. Das Entfernen des Substratmaterials und das vorstehend beschriebene Entfernen der Schutzschichtstruktur(en) kann gegebenenfalls in einem gemeinsamen Prozess durchgeführt werden, wodurch sich das Verfahren weiter vereinfachen lässt.
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Das Verfahren kann in vorteilhafter Weise auch zur Herstellung von schmalen differenziellen Elektrodenstrukturen eingesetzt werden. In dieser Hinsicht wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ein Strukturelement ausgebildet, welches in unterschiedlichen Ebenen jeweils zwei leitfähige Schichtabschnitte aufweist. In entsprechender Weise können hierbei Schutzschichtstrukturen und leitfähige Schichtabschnitte als Ätzstoppschichten dienen, um ein Entfernen von Abschnitten des Isolationsmaterials zu verhindern.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist bei der auf dem bereitgestellten Substrat angeordneten Schichtanordnung eine mit einem leitfähigen Schichtabschnitt verbundene Schutzschichtstruktur (auch) mit dem Substrat verbunden. Hierdurch kann erzielt werden, dass das im Rahmen des isotropen Ätzverfahrens ausgebildete Strukturelement direkt auf dem Substrat angeordnet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die auf dem bereitgestellten Substrat angeordnete Schichtanordnung zusätzlich eine Trennungsschicht auf, welche über eine Schutzschichtstruktur mit einem leitfähigen Schichtabschnitt verbunden ist, und durch welche ein mit dem Substrat verbundener Abschnitt des Isolationsmaterials von einem weiteren Abschnitt des Isolationsmaterials getrennt ist. Bei dem Durchführen des isotropen Ätzprozesses zum Entfernen eines Teils des Isolationsmaterials wird der weitere Abschnitt des Isolationsmaterials entfernt, wohingegen der mit dem Substrat verbundene Abschnitt des Isolationsmaterials vor einem Entfernen geschützt wird. Eine solche Vorgehensweise bietet die Möglichkeit, ein (unerwünschtes) Entfernen von Substratmaterial bei einem nachfolgend durchgeführten Entfernen von Schutzschichtstrukturen zu vermeiden.
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Vorzugsweise wird die Trennungsschicht im Rahmen des Entfernens der Schutzschichtstruktur(en) entfernt, und es wird ein weiterer Ätzprozess zum Entfernen bzw. Öffnen eines Teils des mit dem Substrat verbundenen Abschnitts des Isolationsmaterials durchgeführt. Im Anschluss hieran kann zum Beispiel ein Grabenätzprozess zum Entfernen von Substratmaterial durchgeführt werden, wobei ein schmaler, Substratmaterial umfassender Steg für das Strukturelement erzeugt werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Isolationsmaterial ein Oxidmaterial. Das Oxidmaterial kann insbesondere aus mehreren nacheinander aufgebrachten Oxidschichten aufgebaut sein. In dieser Hinsicht kann es sich bei dem bereitgestellten Substrats insbesondere um einen CMOS-Wafer handeln, und kann die auf dem Substrat angeordnete Schichtabordnung in Form eines „Backend”-Stapels ausgebildet sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Schutzschichtstruktur bzw. weisen die Schutzschichtstrukturen Wolfram oder Kupfer auf. Derartige Materialien sind übliche, in einem CMOS-Prozess eingesetzte Materialien, und ermöglichen daher ein kosteneffizientes Durchführen des Verfahrens.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 bis 5 die Herstellung einer mikromechanischen Funktionsstruktur, jeweils in einer seitlichen schematischen Schnittdarstellung;
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6 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung von Schritten eines Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements;
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7 und 8 schematische Schnittdarstellungen von weiteren mikromechanischen Funktionsstrukturen;
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9 bis 14 die Herstellung einer weiteren mikromechanischen Funktionsstruktur, jeweils in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung; und
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15 bis 18 die Herstellung einer weiteren mikromechanischen Funktionsstruktur, jeweils in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung.
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Anhand der folgenden Figuren werden mögliche Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen bzw. MEMS-Bauelementen beschrieben, welche auf CMOS-Herstellungstechniken basieren können. Bei den beispielhaft dargestellten Bauelementen handelt es sich um kapazitive Inertial- bzw. Beschleunigungssensoren, welche eine von einem Substrat teilweise losgelöste und damit bewegliche Kammstruktur mit dazugehörigen fingerartigen Strukturelementen und eine auf dem Substrat fest verankerte Kammstruktur mit weiteren fingerartigen Strukturelementen aufweisen. Die Strukturelemente beider Kammstrukturen sind nebeneinander bzw. „ineinander greifend” angeordnet. Im Betrieb solcher Sensoren können Strukturelemente der beweglichen Kammstruktur infolge einer Beschleunigung gegenüber Strukturelementen der festen Kammstruktur ausgelenkt werden. Die Auslenkung, welche von der jeweils einwirkenden Beschleunigung abhängt, wird auf der Grundlage einer Kapazitätsänderung zwischen den Kammstrukturen bzw. den als Elektroden dienenden Strukturelementen („Kammelektroden”) der Kammstrukturen erfasst.
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In den Figuren ist die Herstellung derartiger Mikrostrukturen ausschnittsweise in Form von schematischen seitlichen Schnittdarstellungen veranschaulicht. Diese zeigen die Ausbildung von lediglich drei nebeneinander angeordneten Strukturelementen 180, 181, 182 (1 bis 5, 7 bis 14) bzw. von lediglich drei nebeneinander angeordneten Strukturelementen 180, 183, 182 (15 bis 18). Hierbei können die beiden in den Figuren jeweils außen liegenden Strukturelemente 180, 182 Bestandteile einer fest verankerten bzw. unbeweglichen Kammstruktur, und das jeweils mittig angeordnete Strukturelement 181 bzw. 183 kann Bestandteil einer frei beweglichen Kammstruktur sein. Die jeweilige aus den Strukturelementen 180, 181, 182 bzw. 180, 183, 182 bestehende Struktur kann sich dabei in seitlicher Richtung gesehen vielfach wiederholen.
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Im Rahmen der Herstellungsverfahren können in der Halbleiter- bzw. Mikrosystemtechnik bekannte Verfahrensprozesse, insbesondere CMOS-Prozesse und MEMS-Prozesse durchgeführt werden, sowie übliche Materialien zum Einsatz kommen, so dass hierauf nur teilweise eingegangen wird. Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Bauelemente weitere als die gezeigten Strukturen umfassen können. In gleicher Weise können bei der Herstellung neben den dargestellten und beschriebenen Prozessen weitere Verfahrensschritte durchgeführt werden, um die Herstellung der gezeigten Bauelemente zu vervollständigen.
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Die 1 bis 5 zeigen die Herstellung eines Bauelements mit einer mikromechanischen Funktionsstruktur, jeweils in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung. In dem Verfahren durchgeführte Verfahrensschritte sind ferner in dem Ablaufdiagramm von 6 zusammengefasst, auf welches im Folgenden ebenfalls Bezug genommen wird. Bei dem Verfahren wird in einem Schritt 191 ein Substrat 100 mit einer auf dem Substrat 100 angeordneten Schichtanordnung bereitgestellt (siehe 1). Bei dem Substrat 100 kann es sich insbesondere um ein übliches Silizium-Substrat bzw. um einen Silizium-Wafer, und bei der auf dem Substrat 100 angeordneten Schichtanordnung um einen mit Hilfe von CMOS-Prozesstechniken hergestellten „Backend”-Stapel handeln.
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Die Schichtanordnung umfasst in drei unterschiedlichen Ebenen angeordnete Schichtabschnitte 120 eines metallischen Materials und Schutzschichtstrukturen 130, welche (zum Teil) in einem Oxidmaterial 110 eingebettet sind. Hierbei können, wie in 1 dargestellt ist, lediglich Oberseiten der oberen metallischen Schichtabschnitte 120 freiliegen. Die Schutzschichtstrukturen 130 sind jeweils zwischen den metallischen Schichtabschnitten 120 bzw. zwischen den (unteren) metallischen Schichtabschnitten 120 und dem Substrat 100 angeordnet, und daher mit den metallischen Schichtabschnitten 120 bzw. mit den metallischen Schichtabschnitten 120 und dem Substrat 100 verbunden.
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Die metallischen Schichtabschnitte 120 können zum Beispiel Aluminium, und die Schutzschichtstrukturen 130 Wolfram aufweisen. Bei Verwendung eines solchen Materials können die Schutzschichtstrukturen 130 auch als „Wolfram-Plugs” bezeichnet werden. Bei dem Oxidmaterial 110 kann es sich insbesondere um Siliziumoxid handeln. Entgegen der Darstellung in 1 (und den weiteren Figuren) ist das Oxidmaterial 110 aus mehreren, nacheinander aufgebrachten Oxidschichten aufgebaut.
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Im Folgenden wird die Struktur des mittleren Schichtenstapels der Schichtanordnung von 1, aus welchem das Strukturelement 181 hervorgeht (siehe 2), näher beschrieben. Der mittlere Schichtenstapel umfasst drei übereinander und in unterschiedlichen Ebenen angeordnete metallische Schichtabschnitte 120, welche zur besseren Veranschaulichung mit den Bezugszeichen 121, 122, 123 gekennzeichnet sind. In gleicher Weise sind die zugehörigen und in unterschiedlichen Ebenen übereinander angeordneten Schutzschichtstrukturen 130 mit den Bezugszeichen 131, 132, 133 gekennzeichnet. Die metallischen Schichtabschnitte 121, 122, 123 sind (zumindest im Bereich der in 1 dargestellten Schnittansicht) jeweils in der Aufsicht in Form von länglichen oder fingerartigen Leiterbahnstrukturen ausgebildet, und werden im Folgenden auch als „Metallbahnen” 121, 122, 123 bezeichnet.
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Die zwei zwischen den drei Metallbahnen 121, 122, 123 angeordneten Schutzschichtstrukturen 132, 133 und die zwischen der unteren Metallbahn 121 und dem Substrat 100 angeordnete untere Schutzschichtstruktur 121 weisen jeweils eine umschließende Form auf, so dass die Schutzschichtstrukturen 131, 132, 133 (zusammen mit den Metallbahnen 121, 122, 123 und dem Substrat 100) jeweils einen Abschnitt des Oxidmaterials 110 einfassen. Dies ist in der Schnittdarstellung von 1 anhand der zwei trapez- bzw. pfropfenförmigen Teilstücke pro Schutzschichtstruktur 131, 132, 133 veranschaulicht, zwischen denen jeweils ein Abschnitt des Oxidmaterials 110 angeordnet ist. Die zwischen den Metallbahnen 121, 122, 123 und dem Substrat 100 angeordneten Schutzschichtstrukturen 131, 132, 133 können ferner, wie in 1 angedeutet ist, im Bereich der Randseiten bzw. Außenkanten der Metallbahnen 121, 122, 123 vorgesehen, und dabei gegenüber den Außenkanten etwas nach innen versetzt bzw. zurückversetzt sein.
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Eine vergleichbare Ausgestaltung liegt auch bei den seitlich hiervon angeordneten Schichtenstapeln vor, aus welchen die Strukturelemente 180, 182 hervorgehen (siehe 2). Diese Schichtenstapel, von denen lediglich ein Teilbereich dargestellt ist, weisen daher in entsprechender Weise drei fingerartige, in unterschiedlichen Ebenen übereinander angeordnete Metallbahnen 120 und zwischen den Metallbahnen 120 bzw. zwischen der unteren Metallbahn 120 und dem Substrat 100 angeordnete umschließende Schutzschichtstrukturen 130 auf (in 1 lediglich anhand eines einzelnen trapez- bzw. pfropfenförmigen Teilstücks pro Schutzschichtstruktur 130 angedeutet), wobei die Schutzschichtstrukturen 130 (zusammen mit den Metallbahnen 120 und dem Substrat 100) jeweils einen Abschnitt des Oxidmaterials 110 einfassen. Auch hierbei können die Schutzschichtstrukturen 130 im Bereich der Außenkanten der Metallbahnen 120 vorgesehen, und gegenüber den Außenkanten etwas zurückversetzt sein.
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Das Durchführen des Schrittes 191 zum Bereitstellen des in 1 dargestellten Substrats 100 mit dem darauf angeordneten Schichtensystem kann wie oben beschrieben mithilfe von CMOS-Prozessen erfolgen. Eine mögliche Prozessfolge umfasst ein Aufbringen einer Schicht des Oxidmaterials 110 auf das Substrat 100 und Strukturieren derselben zum Ausbilden von Aussparungen bzw. Grabenstrukturen für Schutzschichtstrukturen 130, Auffüllen der Aussparungen mit entsprechendem Schutzschichtmaterial zum Ausbilden von Schutzschichtstrukturen 130, Aufbringen einer metallischen Schicht 120 und Strukturieren derselben zum Ausbilden von Metallbahnen 120, sowie ein (mehr bzw. zweifaches) Wiederholen dieser Prozesse. Durch die oben beschriebene nach innen versetzte Ausgestaltung der Schutzschichtstrukturen 130 gegenüber den Außenkanten der Metallbahnen 120 kann ein Beschädigen der Schutzschichtstrukturen 130 beim Strukturieren der jeweiligen metallischen Schicht 120 verhindert werden.
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Im Anschluss an das Bereitstellen des in 1 dargestellten „CMOS-Wafers” wird in einem weiteren Schritt 192 (6) ein isotroper Ätzprozess durchgeführt, um einen frei zugänglichen bzw. offen liegenden Teils des als Opferschicht bzw. Opfermaterial dienenden Oxidmaterials 110 zu entfernen. Hierdurch werden, wie in 2 dargestellt ist, einen Teil der Oberseite des Substrats 100 freilegende schmale Gräben 150 („Oxidgräben”) erzeugt, und infolgedessen voneinander getrennte, definierte Strukturelemente 180, 181, 182 auf dem Substrat 100 ausgebildet. Die dargestellten Gräben 150 können hierbei Teil einer gemeinsamen und zusammenhängenden Grabenstruktur sein. Bei der Oxidätzung dienen die Schutzschichtstrukturen 130 zusammen mit den Metallbahnen 120 als Ätzstoppschichten, wodurch ein Entfernen der jeweils von diesen Strukturen eingefassten Abschnitte des Oxidmaterials 110 verhindert wird. Anders ausgedrückt kann durch die Schutzschichtstrukturen 130 ein seitliches Unterätzen der Metallbahnen 120 vermieden bzw. eine Unterätzung unter die Metallbahnen 120 lokal eingeschränkt werden.
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In Betracht kommende isotrope Oxidätzverfahren, bei welchen eine hohe Ätzselektivität in Bezug auf das Oxidmaterial 110 besteht und daher ein Ätzangriff der Metallbahnen 120 vermieden bzw. vernachlässigt werden kann, sind zum Beispiel Gasphasenätzen mit HF oder Plasmaätzen, insbesondere mit C3F8 + O2 oder einem der folgenden Gase: CHF3, C4F8, CxFyHz, NF3. Ebenso vorstellbar ist auch die Verwendung einer nasschemischen Ätzlösung. Hierunter fällt zum Beispiel ein sogenannter BOE-Prozess (Buffered Oxide Etch) auf HF-Basis. Bei einem solchen Prozess kann eine derartige Verdünnung der ätzaktiven Substanz gewählt werden, dass die Selektivität zwischen Oxid und Metall entsprechend hoch und infolgedessen ein Ätzangriff der Metallbahnen 120 vernachlässigbar ist.
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Die durch das Oxidätzen hergestellten und auf dem Substrat 100 angeordneten Strukturelemente 180, 181, 182 umfassen jeweils drei übereinander angeordnete Metallbahnen 120, Schutzschichtstrukturen 130 und eingefasste Abschnitte des Oxidmaterials 110. Die Strukturelemente 180, 181, 182 weisen – entsprechend den zugehörigen Metallbahnen 120 – (zumindest im Bereich der in 2 dargestellten Schnittansicht) in der Aufsicht jeweils längliche bzw. fingerartige Konturen auf. Dabei können, wie bereits oben angedeutet, die Strukturelemente 180, 182 (sowie weitere nicht dargestellte vergleichbare Strukturelemente) als Bestandteile einer unbeweglichen Kammstruktur, und kann das Strukturelement 181 (sowie weitere nicht dargestellte vergleichbare Strukturelemente) als Bestandteil einer beweglichen Kammstruktur vorgesehen sein.
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Im Anschluss an das Durchführen des isotropen Ätzprozesses zum Öffnen von Oxidgräben 150 werden weitere Prozesse durchgeführt, welche bei dem Ablaufdiagramm von 6 in einem weiteren Schritt 193 zusammengefasst sind. Hierunter fällt zum Beispiel, wie in 3 dargestellt ist, ein Entfernen der nach dem Oxidätzen offen liegenden Schutzschichtstrukturen 130. Hierdurch kann auf einfache Weise erreicht werden, dass die in den unterschiedlichen Ebenen angeordneten Metallbahnen 120 der Strukturelemente 180, 181, 182 nur noch über (die zuvor eingefassten) Abschnitte des Oxidmaterials 110 miteinander verbunden sind, und infolgedessen voneinander isoliert sind. Zum Entfernen der Schutzschichtstrukturen 130, welche somit Opferstrukturen darstellen und daher auch als „Opfer-Plugs” bzw. „Opfer-Vias” bezeichnet werden können, kann zum Beispiel ein isotroper Ätzprozess bzw. ein Trockenätzprozess vorgesehen werden. Ein mögliches Beispiel ist ein Plasmaätzprozess mit zum Beispiel SF6 oder CIF3. Im Verlauf dieses Ätzprozesses kann auch ein Teil des Substrats 100 zwischen den Strukturelementen 180, 181, 182 angeätzt werden, wie in 3 anhand der Ätzbereiche 160 angedeutet ist.
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Im Rahmen des Schrittes 193 erfolgt darüber hinaus ein Strukturieren bzw. (weiteres) Entfernen von Substratmaterial des Substrats 100, um ein (partielles) Freistellen und damit Ermöglichen einer Beweglichkeit des Strukturelements 181 (sowie weiterer nicht dargestellter Strukturelemente der beweglichen Kammstruktur) gegenüber den Strukturelementen 180, 182 (sowie weiterer nicht dargestellter Strukturelemente der unbeweglichen Kammstruktur) zu bewirken. Zu diesem Zweck kann nach dem Entfernen der Schutzschichtstrukturen 130 ein vorderseitiger Grabenätzprozess zum Ausbilden von Gräben 161 zwischen den Strukturelementen 180, 181, 182 (siehe 4) und ein rückseitiger Grabenätzprozess (siehe 5) durchgeführt werden. Die Gräben 161 können hierbei Teil einer gemeinsamen und zusammenhängenden Grabenstruktur sein. Für das Grabenätzen (auch als „Trenchen” bezeichnet) kommt insbesondere ein alternierender Trockenätzprozess wie zum Beispiel der sogenannte Bosch-Prozess in Betracht, bei welchem Passivierungs- und Ätzschritte zyklisch wiederholt werden. Infolge des Grabenätzens ist das Strukturelement 181 (zumindest im Bereich der in 5 dargestellten Schnittansicht) auf einem Teilabschnitt bzw. Steg aus Substratmaterial des Substrats 100 angeordnet.
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Das den Steg umfassende Strukturelement 181 ist an einer anderen Stelle an dem (restlichen) Substrat 100 beweglich bzw. auslenkbar aufgehängt. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass im Rahmen der Schritte 191, 192, 193 eine auf dem Substrat 100 angeordnete Basis- bzw. Verankerungsstruktur ausgebildet wird, an welcher das Strukturelement 181 (und weitere Strukturelemente der beweglichen Kammstruktur) federnd befestigt ist/sind.
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Eine durch das vorder- und rückseitige Grabenätzen hervorgerufene Struktur mit einem Substratmaterial umfassenden Steg ist auch für die anderen Strukturelemente 180, 182 möglich, wie in 5 angedeutet ist. Die Strukturelemente 180, 182 sind hierbei jedoch an einer anderen Stelle derart an das (restliche) Substrat 100 angebunden, dass lediglich das Strukturelement 181 beweglich und die anderen Strukturelemente 180, 182 unbeweglich sind. In dieser Hinsicht kann im Rahmen der Schritte 191, 192, 193 eine weitere auf dem Substrat 100 angeordnete Basis- bzw. Verankerungsstruktur ausgebildet werden, an welcher die Strukturelemente 180, 182 (und weitere Strukturelemente der unbeweglichen Kammstruktur) unbeweglich befestigt sind.
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Bei der gemäß dieses Verfahrens hergestellten mikromechanischen Funktionsstruktur kann eine Auslenkung (insbesondere lateral bzw. horizontal oder vertikal) der aus dem Strukturelement 181 und weiteren nicht dargestellten Strukturelementen aufgebauten beweglichen Kammstruktur gegenüber der aus den Strukturelementen 180, 182 und weiteren nicht dargestellten Strukturelementen aufgebauten unbeweglichen Kammstruktur auf kapazitive Weise erfasst werden. Hierbei fungieren die in unterschiedlichen Ebenen angeordneten Metallbahnen 120 als Elektroden, mit deren Hilfe eine bei der Auslenkung auftretende Kapazitätsänderung erfasst werden kann. Dabei besteht die Möglichkeit, die Kapazität bzw. Kapazitätsänderung zwischen Metallbahnen 120 der gleichen oder auch unterschiedlichen Ebenen auszuwerten.
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Das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren bietet die Möglichkeit, die Funktionsstruktur derart auszubilden, dass die beweglichen und unbeweglichen Strukturelemente 180, 181, 182 schmal sind bzw. eine relativ geringe Breite und ein relativ hohes Aspektverhältnis (Verhältnis von Höhe zu Breite) aufweisen. Auch können die Strukturelemente 180, 181, 182 mit kleinen Abständen zueinander erzeugt werden. Diese Vorteile basieren insbesondere auf dem Einsatz der (zusammen mit den Metallbahnen 120) als Ätzstoppschichten fungierenden Schutzschichtstrukturen 130 und dem Durchführen des isotropen Oxidätzprozesses. Da das Oxidätzen mit einem geringen bzw. vernachlässigbaren Abtrag der Metallbahnen 120 und Schutzschichtstrukturen 130 verbunden ist, kann eine relativ große Dicke des Oxidmaterials 110 durchgeätzt werden. Aufgrund des Einsatzes der Schutzschichtstrukturen 130 ist der isotrope Ätzprozess des Weiteren relativ unkritisch im Hinblick auf Ätzparameter wie die Ätzzeit und die Ätzgleichmäßigkeit, wodurch sich eine deutliche Vereinfachung der Prozessierung, insbesondere der Oxidstrukturierung, ergibt. In dieser Hinsicht kann das bei konventionellen Plasmaätzprozessen bei hoher Leistung bzw. großer Ätzrate auftretende Problem von elektrischen Überschlägen mit der Folge einer Zerstörung eines Bauelements umgangen werden.
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Ein weiterer Vorteil ist eine hohe Reproduzierbarkeit der Struktur, da diese im Wesentlichen allein durch die Toleranz der CMOS-Herstellungstechniken vorgegeben ist. Auch ist das Verfahren kompatibel zu anderen bekannten Prozessen zur CMOS-MEMS-Herstellung. Der Einsatz der schützenden Schutzschichtstrukturen 130 bietet ferner die Möglichkeit, Unterätzraten bzw. -weiten des Oxidmaterials 110 in den verschiedenen Ebenen gezielt festzulegen, je nachdem, wieweit die Schutzschichtstrukturen 130 von den Außenkanten der Metallbahnen 120 zurückversetzt sind. Auf diese Wiese ist es möglich, Konfigurationen mit großen und kleinen Unterätzweiten in allen Oxidebenen zu erzeugen. In dieser Hinsicht ist es zum Beispiel auch möglich, im Unterschied zu der in 2 gezeigten Anordnung verschiedene Ätzweiten in unterschiedlichen Ebenen einzustellen. Da Strukturen aus Wolfram bzw. „Wolfram-Plugs” standardmäßig in CMOS-Prozesstechniken vorgesehen sind, kann das Verfahren darüber hinaus relativ kosteneffizient durchgeführt werden.
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Von Vorteil ist des Weiteren, dass bei dem Entfernen der Schutzschichtstrukturen 130 durch Trockenätzen (siehe 3) relativ hohe Ätzraten möglich sind (zum Beispiel 200 bis 800 nm/min). Aufgrund der möglichen Ätzselektivität eines Grabenätzprozesses besteht alternativ auch die Möglichkeit, das Entfernen der Schutzschichtstrukturen 130 (3) und das Ausbilden von Gräben 161 (4) in einem gemeinsamen Ätz- bzw. Grabenätzprozess durchzuführen. Auf diese Weise kann das Verfahren weiter vereinfacht werden.
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Anhand der folgenden Figuren werden weitere Bauelemente mit mikromechanischen Funktionsstrukturen und zugehörige Herstellungsverfahren beschrieben, welche weitere mögliche Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen) darstellen. Dabei wird darauf hingewiesen, dass im Hinblick auf bereits beschriebene Details, welche sich auf gleichartige oder übereinstimmende Komponenten, einsetzbare Herstellungsprozesse und Materialien, mögliche Vorteile usw. beziehen, auf die vorstehenden Ausführungen Bezug genommen wird
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Eine weitere mögliche Alternative besteht zum Beispiel darin, auf ein Entfernen der Schutzschichtstrukturen 130 zu verzichten. In dieser Hinsicht zeigt 7 eine gegenüber 5 etwas abgeänderte Funktionsstruktur, wobei die einzelnen Strukturelemente 180, 181, 182 weiterhin mit den Schutzschichtstrukturen 130 versehen sind, so dass die in den unterschiedlichen Ebenen angeordneten Metallbahnen 120 leitend miteinander verbunden sind. Eine solche Ausgestaltung kann für Anwendungen in Betracht kommen, bei denen keine Isolation zwischen den in den unterschiedlichen Ebenen angeordneten Metallbahnen 120 erforderlich bzw. vorgesehen ist, bzw. bei welchen an sämtliche Metallbahnen 120 eines Strukturelements 180, 181, 182 jeweils das gleiche elektrische Potential angelegt wird. Die Herstellung der Funktionsstruktur von 7 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ausgehend von der Anordnung von 2 in dem Schritt 193 (6) ein alternierender Trockenätzprozess (zyklische Abfolge von Passivierungs- und Ätzschritten) zum Grabenätzen durchgeführt wird, wobei mit einem kurz ausgeführten Ätzschritt oder einem Passivierungsschritt begonnen wird.
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Doch selbst bei Anwendungen, bei welchen keine Isolation zwischen den in den unterschiedlichen Ebenen angeordneten Metallbahnen 120 vorgesehen bzw. erforderlich ist, kann gleichwohl ein Entfernen der Schutzschichtstrukturen 130 erfolgen. Das Entfernen bzw. Fehlen der Wolfram umfassenden Schutzschichtstrukturen 130 ist hierbei für die Kapazität der als Elektroden eingesetzten Metallbahnen 120 von untergeordneter Bedeutung, da die Schutzschichtstrukturen 130 wie oben beschrieben gegenüber den Außenkanten der Metallbahnen 120 zurückversetzt sind, und infolgedessen die Kapazität im Wesentlichen durch die Metallbahnen 120 vorgegeben ist.
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Eine weitere mögliche Alternative besteht in der Ausbildung von (beweglichen) Strukturelementen, bei denen keine Stege aus Substratmaterial („Silizium-Unterstützung”) vorgesehen sind. Im Hinblick auf eine solche Ausgestaltung können die oben angegebenen. Vorteile des Verfahrens ausgenutzt werden, insbesondere dass die mechanischen Strukturen mit einer hohen Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erzeugt werden können.
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Zur Veranschaulichung zeigt 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Funktionsstruktur, bei welcher ein Freistellen des Strukturelements 181 (sowie weiterer nicht dargestellter Strukturelemente der beweglichen Kammstruktur) nicht durch vorder- und rückseitige Grabenätzprozesse, sondern durch einen isotropen Ätzprozess erfolgt. Im Verlauf des Ätzprozesses wird ein Ätzbereich 162 unterhalb des Strukturelements 181 in dem Substrat 100 ausgebildet. Bei einem solchen isotropen Ätzprozess kann zum Beispiel SF6 oder CIF3 eingesetzt werden, wodurch gleichzeitig auch die entsprechenden Schutzschichtstrukturen 130 entfernt werden können. Das auf diese Weise freigestellte Strukturelement 181 weist (zumindest im Bereich der in 7 dargestellten Schnittansicht) lediglich einen Schichtenstapel aus Abschnitten des Oxidmaterials 110 und Metallbahnen 120 auf. An einer anderen Stelle ist das Strukturelement 181 auslenkbar bzw. federnd an dem Substrat 100 aufgehängt, beispielsweise über eine entsprechende Basis- bzw. Verankerungsstruktur. Die Strukturelemente 180, 182 der unbeweglichen Kammstruktur sind hingegen auch im Bereich der in 7 dargestellten Schnittansicht auf dem Substrat 100 angeordnet und fest mit diesem verbunden.
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Das Entfernen der offen liegenden Schutzschichtstrukturen 130 kann je nach eingesetztem Ätzprozess ein Entfernen von Substratmaterial zwischen den Strukturelementen 180, 181, 182 zur Folge haben, wie weiter oben in Zusammenhang mit 3 (Ätzbereiche 160) beschrieben ist. In einer normalen Prozessfolge ist eine solche Substratanätzung unkritisch. Für das Erzeugen von besonderes schmalen Stegen ist es jedoch von Vorteil, wenn eine Substratanätzung vermieden werden kann. Zu diesem Zweck kann das im Folgenden anhand der 9 bis 14 beschriebene Verfahren durchgeführt werden, welches eine weitere mögliche Variante des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens darstellt.
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Bei diesem abgewandelten Verfahren wird wiederum in einem Schritt 191 (6) ein Substrat 100 mit einer auf dem Substrat 100 angeordneten Schichtanordnung bereitgestellt, welche den in 9 gezeigten Aufbau besitzt. Vergleichbar zu der Schichtanordnung von 1 weist (auch) die Schichtanordnung von 9 in drei unterschiedlichen Ebenen angeordnete metallische Schichtabschnitte bzw. Metallbahnen 120 und umschließende Schutzschichtstrukturen 130 auf, welche (zum Teil) in einem Oxidmaterial 110 eingebettet sind. Diese Schichten sind erneut in Form von Schichtenstapeln angeordnet, aus welchen Kammelektroden bzw. Strukturelemente 180, 181, 182 hervorgehen (siehe 10).
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Im Unterschied zu der Schichtanordnung von 1 sind die unteren Schutzschichtstrukturen 130 (bei dem mittleren Schichtenstapel mit dem Bezugszeichen 134 gekennzeichnet) jedoch nicht mit dem Substrat 100, sondern mit Trennungsschichten 140 verbunden, welche im Bereich der späteren Oxidätzung („Öffnungsbereiche” bzw. „Öffnungsflächen”) angeordnet sind. Im Hinblick auf den mittleren Schichtenstapel (des späteren Strukturelements 181) ist die zugehörige Schutzschichtstruktur 134 wie in 9 dargestellt mit zwei Trennungsschichten 140 verbunden, welche weiter mit den unteren Schutzschichtstrukturen 130 der seitlich hiervon angeordneten Schichtenstapel (der späteren Strukturelemente 180, 182) verbunden sind. Die Trennungsschichten 140 bewirken eine Trennung des Oxidmaterials 110, und zwar in einen auf dem Substrat 100 angeordneten bzw. mit diesem verbundenen Abschnitt 115, auf welchem die Trennungsschichten 140 angeordnet sind, und zwischen den Schichtenstapeln vorliegende weitere Abschnitte 116, welche auf den Trennungsschichten 140 angeordnet sind. Die in 9 gezeigte Struktur kann sich dabei in seitlicher Richtung gesehen vielfach wiederholen.
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Bei einer Trennungsschicht 140 kann es sich insbesondere um eine in einem CMOS-Prozessablauf üblicherweise vorhandene bzw. ausgebildete Polysiliziumschicht handeln. Der darunter liegende Schichtabschnitt 115 des Oxidmaterials 110 kann hierbei eine Gateoxidschicht mit einer Dicke von typischerweise wenigen 10 nm, oder eine Feldoxidschicht mit einer Dicke von typischerweise wenigen 100 nm darstellen.
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Die Herstellung des in 9 dargestellten und mit der Schichtanordnung versehenen Substrats 100 bzw. „CMOS”-Wafers im Rahmen des Schrittes 191 kann erneut mithilfe von CMOS-Prozessen durchgeführt werden. Ein möglicher Prozessablauf umfasst ein Ausbilden des Abschnitts 115 des Oxidmaterials 110 auf dem Substrat 100, Aufbringen einer (großflächigen) Schicht 140 und Strukturieren derselben zum Ausbilden der Trennungsschichten 140, Aufbringen einer (weiteren) Schicht des Oxidmaterials 110 und Strukturieren derselben zum Ausbilden von Aussparungen bzw. Grabenstrukturen für Schutzschichtstrukturen 130, Auffüllen der Aussparungen mit entsprechendem Schutzschichtmaterial zum Ausbilden von Schutzschichtstrukturen 130, Aufbringen einer metallischen Schicht 120 und Strukturieren derselben zum Ausbilden von Metallbahnen 120, sowie ein (mehr bzw. zweifaches) Wiederholen der auf das Ausbilden der Trennungsschichten 140 folgenden Prozesse.
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Im Anschluss hieran wird in einem weiteren Schritt 192 (6) wiederum ein isotroper Oxidätzprozess durchgeführt, wodurch der frei zugängliche Anteil des Oxidmaterials 110, d. h. die Abschnitte 116, entfernt werden. Wie in 10 dargestellt ist, werden hierdurch einen Teil der Trennungsschichten 140 freilegende Gräben 151, und durch die Gräben 151 voneinander getrennte Strukturelemente 180, 181, 182 ausgebildet. Bei der Oxidätzung dienen die Schutzschichtstrukturen 130 zusammen mit den Metallbahnen 120 als Ätzstoppschichten, wodurch ein Entfernen der jeweils von diesen Strukturen eingefassten Abschnitte des Oxidmaterials 110 verhindert wird. In entsprechender Weise wirken auch die Trennungsschichten 140 als Ätzstoppschichten, und verhindern zusammen mit den unteren Schutzschichtstrukturen 130 ein Entfernen des Schichtabschnitts 115 des Oxidmaterials 110.
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Nach dem Durchführen des isotropen Ätzprozesses zum Öffnen von Oxidgräben 151 werden erneut weitere Prozesse durchgeführt, welche gemäß des Ablaufdiagramms von 6 in einem Schritt 193 zusammengefasst sind. Hierunter fällt ein Entfernen der Schutzschichtstrukturen 130, zum Beispiel durch Plasmaätzen mit SF6 oder CIF3, wodurch gleichzeitig auch ein Entfernen der Trennungsschichten 140 bewirkt werden kann, wie in 11 dargestellt ist. Dieser Ätzprozess kann auf dem Schichtabschnitt 115 des Oxidmaterials 110 gestoppt werden.
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In einem weiteren im Rahmen des Schrittes 193 durchgeführten Prozess werden, wie in 12 dargestellt ist, Öffnungen 152 zwischen den Strukturelementen 180, 181, 182 in dem Schichtabschnitt 115 ausgebildet, durch welche die Oberseite des Substrats 100 an diesen Stellen freigelegt wird. Dies ist zum Beispiel mit einem anisotropen Plasmaätzprozess möglich. Die Öffnungen 152 können hierbei, wie in 12 angedeutet ist, relativ schmal ausgeführt sein. Nachfolgend werden die oben beschriebenen Folgeprozesse zum Freistellen des Strukturelements 181 (und weiterer Strukturelemente der beweglichen Kammstruktur) durchgeführt, d. h. ein vorderseitiger Grabenätzprozess zum Ausbilden von Gräben 161 zwischen den Strukturelementen 180, 181, 182 (siehe 13) und ein rückseitiger Grabenätzprozess (siehe 14).
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Die oben beschriebenen Prozesse können auch zur Herstellung von schmalen differenziellen Elektrodenstrukturen herangezogen werden, bei denen (bewegliche) Strukturelemente jeweils zwei nebeneinander in einer Ebene angeordnete Metallbahnen aufweisen. Eine mögliche Vorgehensweise wird im Folgenden anhand der 15 bis 18 näher beschrieben.
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Hierbei wird in einem Schritt 191 (6) ein Substrat 100 mit einer auf dem Substrat 100 angeordneten Schichtanordnung bereitgestellt, welche den in 15 gezeigten Aufbau besitzt. Vergleichbar zu der Schichtanordnung von 1 weist (auch) die Schichtanordnung von 9 in drei unterschiedlichen Ebenen angeordnete metallische Schichtabschnitte bzw. Metallbahnen 120 und umschließende Schutzschichtstrukturen 130 auf, welche (zum Teil) in einem Oxidmaterial 110 eingebettet sind. Diese Schichten sind erneut in Form von Schichtenstapeln angeordnet, aus welchen Kammelektroden bzw. Strukturelemente 180, 183, 182 hervorgehen (siehe 16). Die in 15 gezeigte Anordnung, welche sich in seitlicher Richtung gesehen vielfach wiederholen kann, kann erneut mithilfe der oben beschriebenen CMOS-Prozesse hergestellt werden.
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Im Unterschied zu der Schichtanordnung von 1 weist der mittlere Schichtenstapel der Schichtanordnung von 15, aus welchem das „differenzielle” Strukturelement 183 hervorgeht, einen komplexeren Aufbau aus Metallbahnen 120 und Schutzschichtstrukturen 130 auf, welche zur besseren Veranschaulichung mit den Bezugszeichen 121a, 121b, 122a, 122b, 123a, 123b bzw. 135, 136, 137, 138 gekennzeichnet sind. Der mittlere Schichtenstapel besitzt pro „Metallebene” jeweils zwei nebeneinander angeordnete und voneinander getrennte Metallbahnen 121a und 121b, 122a und 122b, sowie 123a und 123b. Zwischen den Metallbahnen 121a, 121b und dem Substrat 100 ist eine einzelne umschließende Schutzschichtstruktur 135, und zwischen den Metallbahnen 121a, 121b und den Metallbahnen 122a, 122b ist eine einzelne umschließende Schutzschichtstruktur 136 angeordnet. Im Gegensatz hierzu sind zwischen den Metallbahnen 122a, 122b und den Metallbahnen 123a, 123b zwei umschließende Schutzschichtstrukturen 137, 138 vorgesehen. Hierbei ist die rechts angeordnete Schutzschichtstruktur 138 lediglich mit den rechts angeordneten Metallbahnen 122b, 123b, und ist die links angeordnete Schutzschichtstruktur 137 mit den beiden Metallbahnen 122a, 122b und der Metallbahn 123a verbunden. Die beiden seitlich hiervon angeordneten Schichtenstapel, aus welchen die Strukturelemente 180, 182 hervorgehen, weisen den oben beschriebenen Aufbau mit lediglich einer Metallbahn 120 und einer umschließenden Schutzschichtstruktur 130 pro Ebene auf.
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Im Anschluss an das Bereitstellen des in 16 dargestellten „CMOS-Wafers” wird im Rahmen eines weiteren Schritts 192 (6) ein isotroper Ätzprozess durchgeführt, um einen frei zugänglichen Teils des Oxidmaterials 110 zu entfernen, wobei die Schutzschichtstrukturen 130 zusammen mit den Metallbahnen 120 erneut als Ätzstoppschichten dienen. Bei der Oxidätzung werden, wie in 16 dargestellt ist, einen Teil der Oberseite des Substrats 100 freilegende Oxidgräben 150, und infolgedessen voneinander getrennte Strukturelemente 180, 183, 182 ausgebildet. Bei dem mittleren Schichtenstapel bzw. Strukturelement 183 erfolgt eine Oxidätzung zusätzlich auch zwischen den oberen Schutzschichtstrukturen 137, 138, wie in 16 anhand eines Ätzbereichs 153 angedeutet ist.
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16 veranschaulicht eine weitere mögliche Abwandlung des Herstellungsverfahrens. Dabei ist vorgesehen, einen rückseitigen Ätz- bzw. Grabenätzprozess, in welchem ein rückseitiger Ätzbereich 164 in dem Substrat 100 unterhalb des Strukturelements 183 ausgebildet wird, bereits in einem früheren Verfahrensstadium durchzuführen. Ein solcher Ätzprozess kann vor oder auch nach dem isotropen Oxidätzen vorgesehen sein.
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Hieran anschließend werden im Rahmen eines Schritts 193 (6) weitere Prozesse durchgeführt. Hierunter fällt, wie in 17 dargestellt ist, ein Entfernen der nach dem Oxidätzen offen liegenden Schutzschichtstrukturen 130, wodurch die in den unterschiedlichen Ebenen angeordneten Metallbahnen 120 der Strukturelemente 180, 183, 182 voneinander isoliert werden. Bei dem differenziellen Strukturelement 183 können auf diese Weise die jeweils in der gleichen Metallebene angeordneten Metallbahnen 121a und 121b, 122a und 122b, sowie 123a und 123b voneinander isoliert werden. Hierdurch ist es möglich, unterschiedliche elektrische Potentiale an die voneinander isolierten Metallbahnen bzw. Elektrodenseiten anzulegen. Im Verlauf des Entfernens der Schutzschichtstrukturen 130 kann auch ein Teil des Substrats 100 zwischen den Strukturelementen 180, 183, 182 angeätzt werden, wie in 17 anhand der Ätzbereiche 165 angedeutet ist
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Im Rahmen des Schrittes 193 erfolgt darüber hinaus ein (weiteres) Entfernen von Substratmaterial des Substrats 100, um ein (partielles) Freistellen und damit Ermöglichen einer Beweglichkeit des Strukturelements 183 (sowie weiterer nicht dargestellter Strukturelemente einer beweglichen Kammstruktur) gegenüber den Strukturelementen 180, 182 (sowie weiterer nicht dargestellter Strukturelemente einer unbeweglichen Kammstruktur) zu bewirken. Zu diesem Zweck kann nach dem Entfernen der Schutzschichtstrukturen 130 ein vorderseitiger Grabenätzprozess zum Ausbilden von Gräben 166 zwischen den Strukturelementen 180, 183, 182 durchgeführt werden, wie in 18 dargestellt ist. Infolge des Grabenätzens ist das Strukturelement 183 (zumindest im Bereich der in 18 dargestellten Schnittansicht) auf einem Teilabschnitt bzw. Steg aus Substratmaterial des Substrats 100 angeordnet, und daher beweglich. An einer anderen Stelle ist das Strukturelement 183 an dem (restlichen) Substrat 100 auslenkbar aufgehängt. Die beiden anderen Strukturelemente 180, 182 sind hingegen auch im Bereich der in 18 dargestellten Schnittansicht auf dem Substrat 100 angeordnet und fest mit diesem verbunden.
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Die anhand der Figuren erläuterten Ausführungsformen stellen bevorzugte bzw. beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar. Anstelle der beschriebenen Ausführungsformen sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen, oder auch Kombinationen von beschriebenen Merkmalen umfassen können.
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Beispielsweise kann die anhand von 17 beschriebene Vorgehensweise, ein (rückseitiges) Substrat- bzw. Grabenätzen in einem früheren Verfahrensstadium durchzuführen, auch bei den anderen beschriebenen Herstellungsverfahren angewendet werden. In gleicher Weise kann bei dem anhand der 15 bis 18 beschriebenen Verfahren ein (vorder- und rückseitiges) Grabenätzen (entsprechend des in den 1 bis 5 gezeigten Verfahrens) erst nach einem Entfernen von Schutzschichtstrukturen 130 erfolgen. Das Verfahren gemäß den 15 bis 18 kann alternativ auch derart abgewandelt werden, dass ein isotroper Ätzprozess zum Entfernen von Substratmaterial entsprechend 8, oder dass die Verwendung von Trennungsschichten 140 entsprechend den 9 bis 14 vorgesehen wird.
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Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, weitere als die beschriebenen Prozesse durchzuführen und/oder weitere Elemente und Strukturen auszubilden. Unter weitere Prozesse fällt zum Beispiel ein Vereinzelungsprozess, um ein Bauelement, welches gemeinsam mit anderen Bauelementen auf einem Substrat bzw. Wafer 100 erzeugt wird, von den anderen Bauelementen zu trennen bzw. zu vereinzeln.
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Ein bereitgestellter CMOS-Wafer kann auch zusätzlich mit entsprechenden Schaltungsstrukturen bzw. CMOS-Schaltungsstrukturen versehen sein, welche insbesondere eine Auswerteschaltung für die mikromechanischen Funktionsstrukturen des zugehörigen Bauelements bzw. Sensors bilden. Hierdurch können MEMS-Strukturen und eine zugehörige Auswerteschaltung in Form einer CMOS-Schaltung auf einem bzw. innerhalb eines einzigen Chips verwirklicht werden („monolithisch integrierter mikromechanischer Sensor”). In dieser Hinsicht kann ferner vorgesehen sein, CMOS-Schaltungsbereiche und andere Bereiche, die nicht als Funktionsstrukturen benötigt werden, vor einem isotropen Oxidätzen durch eine Schutzschicht zu bedecken. Eine solche Schutzschicht kann am Prozessende entfernt, oder bei Bedarf während des Herstellungsverfahrens erneuert werden. Vorteilhaft an einem solchen Verfahren ist, dass sämtliche Schritte zur Erzeugung von Funktionsstrukturen erst nach dem eigentlichen CMOS-Herstellungsprozess stattfinden können.
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Eine weitere mögliche Abwandlung des Verfahrens besteht darin, ein partielles Freistellen eines Strukturelements zum Ermöglichen einer Beweglichkeit (ebenfalls) im Rahmen einer isotropen Oxidätzung durchzuführen. Beispielsweise ist es möglich, einen Schichtenstapel für ein Strukturelement mit mehreren in unterschiedlichen Ebenen angeordneten Metallbahnen 120 und einer oder mehreren Schutzschichtstrukturen 130 auszubilden, wobei in einer unteren Ebene (angrenzend an ein Substrat 100) keine schützende Schutzschichtstruktur 130 vorgesehen ist. Auf diese Weise kann die unterste Metallbahn 120 eines solchen Schichtenstapels beim Oxidätzen unterätzt, und damit das zugehörige Strukturelement (welches bei der Oxidätzung zusätzlich strukturiert bzw. von benachbarten Strukturelementen getrennt wird) an dieser Stelle vom Substrat losgelöst werden.
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Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass anstelle der beschriebenen Materialien andere Materialien zum Einsatz kommen können. Beispielsweise ist es möglich, anstelle von Wolfram ein anderes Material für Schutzschichtstrukturen 130, zum Beispiel Kupfer, zu verwenden. Auch können Metallbahnen 120 aus einem anderen elektrisch leitfähigen Material als Aluminium, zum Beispiel ebenfalls aus Kupfer, ausgebildet werden. Des Weiteren kann ein Substrat 100 ein anderes Material als Silizium aufweisen bzw. aus einem anderen Material gefertigt sein. Ein mögliches Beispiel für ein alternatives Substratmaterial ist Siliziumcarbid. Ferner kann anstelle des beschriebenen Oxidmaterials 110 ein anderes isolierendes bzw. dielektrisches Material, zum Beispiel ein Nitridmaterial, in Betracht kommen. Anstelle eines Oxidmaterials 110 sind auch Kombinationen verschiedener Materialien oder Kombinationen von (nacheinander aufgebrachten) Schichten aus verschiedenen Materialien, beispielsweise Kombinationen aus einem Oxid- und einem Nitridmaterial, möglich.
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Des Weiteren ist es möglich, Strukturelemente mit einem anderen Aufbau, insbesondere mit anderen Anzahlen von übereinander angeordneten Metallbahnen 120 und Schutzschichtstrukturen 130 vorzusehen. In dieser Hinsicht kann auch nur eine Metallbahn 120 und nur eine zugehörige Schutzschichtstruktur 130 für ein Strukturelement in Betracht kommen.
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Das Verfahren sowie dessen mögliche Abänderungen sind ferner nicht nur auf die Herstellung von kapazitiven Inertialsensoren mit Kammelektroden beschränkt, sondern können auch zur Herstellung anderer mikromechanischer Bauelemente und Sensoren, und/oder zur Herstellung anderer mikromechanischer bzw. freitragender Funktionsstrukturen als fingerartiger Kammelektroden herangezogen werden. Mögliche Beispiele für andere Bauelemente sind kapazitive Drehratensensoren und Magnetfeldsensoren.
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Die dargestellten Strukturen bzw. Schichtaufbauten können ebenfalls beim Aufbau eines mikromechanischen Mikrofons Verwendung finden. Bei entsprechender Dimensionierung der Strukturen können schon akustische Anregungen ausreichen, die herausgearbeiteten Schichtstrukturen derart zu bewegen, dass in den zugeordneten kapazitiven Elementen ein Signal erfasst werden kann.
