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Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches System und ein mikromechanisches System.
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Stand der Technik
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Obwohl auf beliebige mikromechanische Systeme anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Hintergrund im Hinblick auf mikromechanische Systeme in Siliziumtechnologie erläutert.
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Mikromechanische Systeme finden heutzutage verbreitet in Kraftfahrzeugen Anwendung. Ein verbreitetes Beispiel ist ein mikromechanischer Beschleunigungssensor in Form eines kapazitiven Differenzschwingers, welcher schwebend elastisch auslenkbar auf einem Substrat aufgehängt ist und welcher eine Kammanordnung aufweist, die mit einer fest auf dem Substrat verankerten Kammanordnung in kapazitiver Wechselwirkung steht. Ein derartiger mikromechanischer Beschleunigungssensor ist beispielsweise in der
EP 0 773 443 B1 beschrieben. Zu dessen Herstellung bekannt ist ein Verfahren, bei dem eine dicke Polysilizium-Funktionsschicht über einer dünnen vergrabenen Polysiliziumschicht angeordnet wird, wobei die vergrabene Polysiliziumschicht als Leiterbahn dient. Die Polysilizium-Funktionsschicht wird über einen Trenchätzprozess und ein Opferschichtverfahren freigestellt.
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Weiterhin bekannt ist ein Verfahren, bei dem eine zweite Polysilizium-Funktionsschicht vorgesehen wird, die wie die erste Polysilizium-Funktionsschicht freigestellt werden kann. Diese zweite Polysilizium-Funktionsschicht kann als Leiterbahn eingesetzt werden, wodurch beispielsweise in Kombination mit der vergrabenen Leiterbahn auch Leiterbahnkreuzungen realisierbar sind. Diese zweite Funktionsschicht kann auch als mechanisch freitragende Schicht eingesetzt werden. Es ist somit möglich, mechanisch freitragende Elemente aus der ersten oder zweiten Funktionsschicht oder in beliebigen Kombinationen dieser beiden Schichten herzustellen. Derartig hergestellte Elemente können über die erste oder die zweite Funktionsschicht mechanisch gekoppelt werden. Ebenso können mit den beiden Funktionsschichten ähnlich einer Leiterbahnkreuzung mechanisch entkoppelte Brückenelemente hergestellt werden.
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Die
DE 10 2007 060 878 A1 offenbart ein mikromechanisches System mit einem Substrat, einer ersten planaren Elektrode, einer zweiten planaren Elektrode und einer dritten planaren Elektrode. Die zweite planare Elektrode ist beabstandet über der ersten planaren Elektrode beweglich angeordnet, und die dritte planare Elektrode ist beabstandet über der zweiten planaren Elektrode angeordnet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein mikromechanisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 9 bzw. 10.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt darin, durch eine Hohlraumstruktur mit länglichen Ätzkanälen zwischen einer ersten und zweiten Opferschicht, welche mittels einer dazwischenliegenden Strukturierungsschicht hergestellt wird, die Ätzung von Opferschichtbereichen lokal zu beschleunigen. Somit können mit einem Opferschichtverfahren mit geringer Unterätzweite auch Bereiche, die große Unterätzweiten benötigen, unterätzt werden. Aufgrund der möglichen lokalen geringeren Unterätzweiten sind kleine Stützstellen und schmälere vergrabene Leiterbahnen möglich.
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Die Isolation der unterschiedlichen leitfähigen Funktionsschichten erfolgt vorzugsweise über Oxidschichten, die auch gleichzeitig als Opferschichten dienen. Das Opferschichtätzen erfolgt vorzugsweise über ein isotropes Ätzverfahren, z. B. HF-Gasphasenätzen. Je nach Diometrie des Schichtaufbaus und der Ätzzugänge können einzelne Schichten oder Schichtbereiche freigestellt werden.
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Dies ermöglicht beispielsweise eine schnellere Unterätzung größerer Bereiche oberhalb der Hohlraumstruktur mit Ätzkanälen als deren Umgebung, wodurch Beschleunigungssensoren mit größerer durchgehender, d. h. unperforierter Masse hergestellt werden können.
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Beispielsweise ist es auch möglich, eine tieferliegende Opferschicht zu entfernen und eine höherliegende Opferschicht nur teilweise zu entfernen. Die Hohlraumstruktur mit den länglichen Ätzkanälen liegt dabei unterhalb der tieferliegenden Opferschicht, die schnell entfernt werden soll. Die höherliegende Opferschicht ist relativ zur tieferliegenden Opferschicht in verringerter Geschwindigkeit. Die verbleibende höherliegende Opferschicht wird dazu verwendet, eine mechanische Verbindung, die elektrisch getrennt ist, zwischen zwei freigestellten beweglichen Bereichen herzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit beispielsweise, zwei freitragende Elemente mechanisch zu koppeln und diese gleichzeitig elektrisch isoliert, also galvanisch getrennt, zu halten.
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Die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des betreffenden Gegenstandes der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert.
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1a)–d) bis 9a)–d) zeigen aufeinanderfolgende Prozessstadien einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches System; Figurenteil a) zeigt jeweils eine obere Draufsicht, Figurenteil b) einen Schnitt entlang der Linie S1 in Figurenteil a), Figurenteil c) einen Schnitt entlang der Linie S2 in Figurenteil a) und Figurenteil d) einen partiell vergrößerten Schnitt entlang der Linie S3 in Figurenteil a).
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10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines mikromechanischen Systems in Form eines mikromechanischen Beschleunigungssensors, welches sich mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren bilden lässt.
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11 zeigt eine Modifikation der Strukturierungsschicht P1 analog der Darstellung zu 2a).
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12 zeigt eine weitere Modifikation der Strukturierungsschicht P1 analog der Darstellung zu 3d).
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13a)–c) zeigen aufeinanderfolgende Prozessstadien einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches System in Form eines mikromechanischen Beschleunigungssensors; Figurenteile a) und b) zeigen einen Schnitt entlang der Linie S4 in Figurenteil c).
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.
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Mit Bezug auf 1a) bis d) wird zunächst über einem Siliziumsubstrat S eine erste Opferschicht O1 aus Siliziumoxid abgeschieden, beispielsweise mittels eines TEOS-Verfahrens.
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Wie aus 2a) bis d) ersichtlich, wird anschließend eine Strukturierungsschicht P1 aus Polysilizium ganzflächig über der ersten Opferschicht O1 abgeschieden und in einem zentralen Bereich in eine längliche Grabenstruktur GS strukturiert. Dabei sind die länglichen Gräben G, welche ein relativ hohes Aspektverhältnis aufweisen, parallel zueinander angeordnet und werden von entsprechenden Stegen ST flankiert, welche eine größere Breite aufweisen als die Gräben G. Vorteilhafterweise werden die Gräben G schmäler als die Dicke der Strukturierungsschicht P1 gewählt.
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Wie in 3a) bis d) illustriert, erfolgt anschließend die Abscheidung einer zweiten Opferschicht O2 aus Siliziumoxid. Diese zweite Opferschicht O2 aus Siliziumoxid wird beispielsweise ebenfalls mittels des TEOS-Verfahrens derart abgeschieden, dass die schmalen Gräben G erschlossen werden und sich ein jeweiliger Hohlraum H als späterer länglicher Ätzkanal bildet. Dabei besitzt das Abscheideverfahren eine geringe Uniformität, scheidet also in der Tiefe der Gräben G weniger Oxid ab als direkt an der Oberfläche, sodass sich eine geeignete Hohlraumstruktur HS zwischen der ersten und zweiten Opferschicht, flankiert von den Stegen ST, ausbilden kann.
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In einem weiteren Prozessschritt, welcher in 4a) bis d) illustriert ist, wird eine erste leitfähige Funktionsschicht F1 aus Polysilizium über der gesamten zweiten Opferschicht O2 abgeschieden. Anschließend erfolgt ein Strukturieren der ersten leitfähigen Funktionsschicht F1 aus Polysilizium in einen ersten Bereich F1a und einen zweiten Bereich F1b, welche durch einen dazwischenliegenden Graben G1, der bis zur zweiten Opferschicht O2 reicht, voneinander getrennt sind, d. h. ebenfalls elektrisch nicht miteinander in Verbindung stehen. Der Graben G1 befindet sich über der Hohlraumstruktur HS.
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Weiter mit Bezug auf 5a) bis d) wird anschließend eine dritte Opferschicht O3 über der Struktur von 4a) bis d) abgeschieden und strukturiert. Die Abscheidung erfolgt zweckmäßigerweise ebenfalls mittels des TEOS-Verfahrens, wobei beim Abscheiden der dritten Opferschicht O3 der erste Graben G1 gefüllt wird. Anschließend erfolgt ein Strukturieren der dritten Opferschicht O3 derart, dass der erste Bereich F1a und der zweite Bereich F1b zumindest teilweise freigelegt werden. Ein Restbereich O3' der dritten Opferschicht O3 verbleibt oberhalb der Hohlraumstruktur HS.
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Wie in 6a) bis d) illustriert, wird anschließend eine zweite leitfähige Funktionsschicht F2 auf dem teilweise freigelegten ersten und zweiten Bereich F1a, F1b und dem Restbereich O3' der dritten Opferschicht O3 aus Polysilizium gebildet.
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Anschließend wird die zweite leitfähige Funktionsschicht F2 in einen dritten Bereich F2a und einen vierten Bereich F2b strukturiert, welche durch einen dazwischenliegenden Graben G2 voneinander getrennt sind, d. h. elektrisch nicht miteinander verbunden sind. Der zweite Graben G2 erstreckt sich dabei von der Oberseite der zweiten leitfähigen Funktionsschicht F2 bis zum Restbereich O3' der dritten Opferschicht O3.
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Der erste und dritte Bereich F1a, F2a bilden somit einen ersten leitfähigen Funktionsbereich B1, und der zweite und vierte Bereich F1b, F2b bilden einen zweiten leitfähigen Funktionsbereich B2.
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Weiterhin werden Ätzgräben EG gebildet, welche durch die erste und zweite leitfähige Funktionsschicht F1, F2 zur Oberseite der zweiten Opferschicht O2 verlaufen. Es ist vorteilhaft, diese Ätzgräben EG teilweise direkt über die Ätzkanäle H der Hohlraumstruktur HS zu legen, um später beim Opferätzen einen schnellen Zugang zu den Ätzkanälen H zu erlangen.
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Wie in 7a) bis d) illustriert, beginnt anschließend das Opferschichtätzen der ersten und zweiten Opferschicht O1, O2 und des Restbereichs O3' der dritten Opferschicht O3 durch die Ätzgräben EG und Ätzkanäle H hindurch. In diesem Zusammenhang zeigen 7a) bis d), 8a) bis d) und 9a) bis d) drei aufeinanderfolgende Phasen des voranschreitenden Opferschichtätzens.
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Im Zustand gemäß 7a) bis d) ist die zweite Opferschicht O2 durchbrochen, und eine leichte Unterätzung des Restbereichs O3' der dritten Opferschicht O3 vorhanden.
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Beim Prozesszustand gemäß 8a) bis d) ist die erste Opferschicht O1 stark angeätzt, ist die zweite Opferschicht O2 unterätzt und ist der Restbereich O3' der dritten Opferschicht O3 weiter unterätzt.
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Schließlich mit Bezug auf 9a) bis d) ist der Prozess des Opferschichtätzens beendet und sind der erste und zweite leitfähige Funktionsbereich B1, B2 schwebend über dem Substrat S bzw. der Strukturierungsschicht P1 angeordnet. Ein Endrestbereich O3'' der dritten Opferschicht O3 schafft eine mechanische Verbindung und eine galvanische Trennung zwischen dem ersten und zweiten leitfähigen Funktionsbereich B1, B2.
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Aus Gründen der Vereinfachung ist eine vorhandene Anbindung des ersten und zweiten leitfähigen Funktionsbereichs B1, B2 an das darunterliegende Substrat S in 9a) bis d) nicht dargestellt, sondern wird erst nachstehend mit Bezug auf 10 näher erläutert.
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10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines mikromechanischen Systems in Form eines mikromechanischen Beschleunigungssensors, welcher sich gemäß dem Verfahren nach 1a) bis d) bis 9a) bis d) herstellen lässt.
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Der Beschleunigungssensor weist einen ersten leitfähigen Funktionsbereich B1' und einen zweiten leitfähigen Funktionsbereich B2' auf, welche über einen nicht leitfähigen Kopplungsbereich GT' mechanisch miteinander verbunden und galvanisch voneinander getrennt sind. Die Bezugszeichen G1', G2' bezeichnen Gräben analog zu den Gräben G1, G2 im Ausführungsbeispiel gemäß 1a) bis d) bis 9a) bis d).
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Der erste und zweite leitfähige Funktionsbereich B1', B2' sind schwebend über dem Substrat S gehaltert, und zwar über eine erste Federeinrichtung FF1 und einen ersten Sockel CM1 auf der Seite in negativer x-Richtung (–x) und über eine zweite Federeinrichtung FF2 und einen zweiten Sockel CM2 in positiver x-Richtung (+x). Dabei ist die erste Federeinrichtung FF1 über einen ersten Steg ST1 mit dem ersten Sockel CM1 verbunden, und die zweite Federeinrichtung FF2 ist über einen zweiten Steg ST2 mit dem zweiten Sockel CM2 verbunden.
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Eine derartige Verbindung mit dem Substrat bewirkt, dass der erste und zweite leitfähige Funktionsbereich B1', B2' über dem Substrat S gleichphasig elastisch auslenkbar sind, wenn eine entsprechende Beschleunigung in positiver bzw. negativer x-Richtung auftritt. Die Bewegungsrichtung in 10 ist dabei mit Bezugszeichen BR bezeichnet.
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Der erste leitfähige Funktionsbereich B1' weist eine erste Kammstruktur K1 auf, welche in einer auf dem Substrat S verankerte Kammstruktur SK1 eingreift. Der zweite leitfähige Funktionsbereich B2' weist eine zweite Kammstruktur SK2 auf, welche in eine zweite auf dem Substrat S verankerte Kammstruktur SK2 eingreift, sodass dadurch eine elastisch auslenkbare Doppelkondensatorstruktur gebildet ist.
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Der erste leitfähige Funktionsbereich B1' weist eine erste Längsachse M1 auf, wobei sich die erste Kammstruktur K1 im Wesentlichen senkrecht zur ersten Längsachse M1 erstreckt. Der zweite leitfähige Funktionsbereich B2' weist eine zweite Längsachse M2 auf, wobei sich die zweite Kammstruktur K2 im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Längsachse M2 erstreckt. Die erste Längsachse M1 erstreckt sich in negativer x-Richtung und die zweite Längsachse M2 erstreckt sich in positiver x-Richtung.
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Im Betrieb als Beschleunigungssensor lässt sich ein erstes Kapazitätssignal SIG1 zwischen dem ersten Sockel CM1 und der ersten feststehenden Kammstruktur Sk1 sowie ein zweites Kapazitätssignal SIG2 zwischen dem zweiten Sockel CM2 und der zweiten feststehenden Kammstruktur SK2 erfassen, welche ein Maß für die auf den Beschleunigungssensor wirkende Beschleunigung sind und getrennt ausgewertet werden können, was die Erfassungsgenauigkeit erhöht.
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Bei der in 11 gezeigten Ausführungsform ist die Strukturierungsschicht P1' aus Polysilizium unterschiedlich zur Strukturierungsschicht P1 gemäß 2a) ausgebildet. Insbesondere ist sie über eine federnde Aufhängung F, VS, VM am Substrat S über jeweilige Sockel M aufgehängt. Die federnde Aufhängung umfasst Federn F auf beiden Seiten der Grabenstruktur GS', welche über Verbindungsstege VM mit der Grabenstruktur GS' einerseits und über Verbindungsstege VS mit den Sockeln M andererseits verbunden sind. Eine derartige Strukturierung der Strukturierungsschicht P1' erweist sich insofern als günstig, als dass Stresseffekte in der Strukturierungsschicht P1' und in der Aufhängung der Strukturierungsschicht P1' vermieden werden können. Weiterhin ist es günstig, die Aufhängung VS des Ätzkanalbereichs senkrecht zu dem überspannten Ätzkanalbereich an den Sockel M vorzusehen.
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Im Übrigen sei erwähnt, dass die Strukturierungsschicht P1 bzw. P1' aus Polysilizium nicht nur zur Bildung der Hohlraumstruktur HS, HS' beim Opferschichtätzen verwendet werden kann, sondern selbstverständlich später auch als Elektrodenschicht bzw. Leiterbahnschicht.
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Weiter mit Bezug auf 12 ist eine unterschiedliche vertikale Strukturierung der Strukturierungsschicht P1' gemäß 11 erkennbar. Wird eine sehr dünne Strukturierungsschicht P1' aus Polysilizium verwendet, kann es sich schwierig erweisen, entsprechend schnellere Ätzkanäle zu erzeugen. In diesem Fall bietet es sich gemäß 12 an, dass die Stege ST', welche die länglichen Ätzkanäle H' seitlich begrenzen, negative Flanken aufweisen, also die Ätzkanäle H' von oben nach unten breiter werden. Somit ist es leichter, die Hohlraumstruktur HS mit den länglichen Ätzkanälen H' in einer verhältnismäßig dünnen Strukturierungsschicht P1' aus Polysilizium zu erzeugen.
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13a)–c) zeigen aufeinanderfolgende Prozessstadien einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches System in Form eines mikromechanischen Beschleunigungssensors. Figurenteile a) und b) zeigen einen Schnitt entlang der Linie S4 in Figurenteil c).
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In 13c) bezeichnet Bezugszeichen MS eine seismische Masse, welche über Stege ST mit einer jeweiligen ersten und zweiten Federeinrichtung FF1' bzw. FF2' verbunden ist. Die Federeinrichtungen FF1' und FF2' sind ihrerseits über Stege ST mit einem ersten Sockel SM1 bzw. einem zweiten Sockel SM2 verbunden, wobei die Sockel SM1, SM2 im Substrat verankert sind, wie durch Pfeile in 13c) angedeutet.
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Die seismische Masse MS, die Stege ST und die Federeinrichtungen FF1', FF1' sind schwebend über dem Substrat S gelandet. Die seismische Masse MS weist eine erste Kammstruktur K1' auf, welche in eine über Sockel SM3, SM4 auf dem Substrat S verankerte Kammstruktur K2' eingreift. So ist eine auslenkbare Kondensatorstruktur gebildet, wobei sich die Kapazität zwischen den Sockeln SM1, SM2 und den Sockeln SM3, SM4 zur Erfassung einer Beschleunigung verwenden lässt.
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Zur Herstellung einer derartigen Struktur wird gemäß 13a) und 13), in denen aus Vereinfachungsgründen die Federeinrichtungen FF1', FF2' nicht eingezeichnet sind, zunächst über dem Substrat S zunächst eine erste Opfersicht O1 als Oxid abgeschieden. Im Anschluss daran wird eine Strukturierungsschicht P1'' aus Polysilizium über der ersten Opferschicht O1 aus Oxid abgeschieden und strukturiert, wie in 2a)–d) beschrieben.
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Im Anschluss daran wird über der ersten Opferschicht O1 und der darüberliegenden strukturierten Strukturierungsschicht P1'' eine zweite Opferschicht O2 abgeschieden, sodass eine Hohlraumstruktur HS'' mit Ätzkanälen H'' entsteht, wie sie bereits ausführlich im Hinblick auf die erste Ausführungsform beschrieben worden ist.
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In einem darauffolgenden Prozessschritt wird eine erste Funktionsschicht F1' aus Polysilizium über der zweiten Opferschicht O2 abgeschieden, wobei zuvor Durchgänge D1, D2 für die Sockel SM1 bzw. SM2 in die zweite Opferschicht O2 geätzt worden sind.
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Nach Abscheiden der Funktionsschicht F1' wird die in 13c) beschriebene Struktur in die erste Funktionsschicht F1' geätzt und werden zusätzlich Ätzgräben EG' in den Stegen ST vorgesehen, welche unmittelbar an die seismische Masse MS und somit an die Hohlraumstruktur HS'' mit den Ätzkanälen H'' angrenzen. Dies führt zu dem in 13a) gezeigten Prozesszustand.
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Weiter mit Bezug auf 13b) erfolgt dann ein Opferschichtätzen der ersten und zweiten Opferschicht O1 bzw. O2, wobei die erste und zweite Opferschicht O1, O2 aufgrund der Hohlraumstruktur HS'' mit den Ätzkanälen H'' unterhalb der seismischen Masse MS vollständig entfernt werden, weil dort die Ätzung schneller voranschreitet als in den umgebenden Bereichen. Die erste Opferschicht O1 bleibt jedoch unter den Sockeln SM1, SM2 zurück, sodass die Verankerung der Sockel SM1, SM2 im Substrat S erhalten bleibt.
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Somit ist es mit dem Verfahren gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung möglich, eine große unperforierte seismische Masse MS schneller als ihre Umgebung zu unterätzen, sodass Beschleunigungssensoren mit höherer Empfindlichkeit, d. h. größerer Masse, hergestellt werden können. Im Vergleich dazu war es im Stand der Technik bisher stets notwendig, die seismische Masse SM ihrerseits durch Ätzkanäle im voraus zu perforieren, um zu gewährleisten, dass der Ätzvorgang schnell genug unter der seismischen Masse MS voranschreitet, sodass diese vom darunterliegenden Substrat S gelöst werden kann.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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Insbesondere ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beispielhaft erwähnten Schichtmaterialien begrenzt. Auch eignet sich die vorliegende Erfindung nicht nur für die beispielhaft erwähnten Beschleunigungssensoren, sondern prinzipiell für sämtliche mikromechanischen Sensoren bzw. Aktoren, bei denen zwei elektrisch leitfähige Funktionsbereiche mechanisch verbunden, aber galvanisch getrennt über einem Substrat schwebend aufzuhängen sind.
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Beispielsweise ist es mit diesem Konzept auch möglich, eine freitragende Spulenanordnung zu realisieren, die mechanisch an ein kapazitives System gekoppelt ist, also einen induktiven Antrieb bei kapazitiver Messung zu realisieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0773443 B1 [0003]
- DE 102007060878 A1 [0005]
