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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Anordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Die
US 2002/0070634 A1 offenbart freigestellte mikromechanische Strukturen mit Stützstrukturen, wobei auf einer Substratoberfläche eine Antihaftbeschichtung vorgesehen ist.
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Die
US 2006/0077507 A1 offenbart eine leitfähige Busstruktur für ein interferometrisches Modulator Array.
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Stand der Technik
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Es ist allgemein bekannt, zur Herstellung von MEMS-Strukturen eine dicke Polysilizium-Funktionsschicht über einer dünnen vergrabenen Polysiliziumschicht anzuordnen. Die vergrabene Polysiliziumschicht dient dabei als Leiterbahn oder als Elektrode. Die Polysilizium-Funktionsschicht wird üblicherweise über einem Trenchprozess und ein Opferschicht-Ätzverfahren freigestellt.
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Aus der
DE 10 2007 060 878 A1 sind ein mikromechanisches System und ein entsprechendes Herstellungsverfahren bekannt, wobei eine zweite vergrabene Polysiliziumschicht vorgesehen wird, die wie die erste Polysilizium-Funktionsschicht freigestellt werden kann. Diese Schicht kann als Leiterbahn eingesetzt werden, so dass beispielsweise in Kombination mit der ersten vergrabenen Polysiliziumschicht als Leiterbahn auch Leiterbahnkreuzungen möglich sind. Die zweite vergrabene Polysiliziumschicht kann auch als mechanisch freitragende Schicht eingesetzt werden. Die drei Schichten werden durch Oxidschichten, die auch als Opferschichten dienen, getrennt. Die Oxidschichten definieren den Abstand zwischen den einzelnen Schichten und werden je nach Anwendung relativ dick ausgelegt. Werden Verbindungen zwischen den Schichten angelegt, so entsteht an der Oberfläche eine hohe Topographie, die die Herstellung von Strukturen mit hoher Auflösung erschwert. Je kleiner die Kontaktflächen ausgelegt werden, desto geringer werden die Einflüsse durch die erhöhte Topographie, jedoch wird damit gleichzeitig die mechanische Stabilität der Verbindung stark reduziert.
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Die beiden Funktionsschichten und die vergrabene Polysiliziumschicht werden durch Oxidschichten, die auch als Opferschichten dienen, getrennt und können durch Ätzprozesse freigestellt werden. Hierfür müssen Zugangslöcher für den Ätzangriff des gasförmigen Ätzmediums geschaffen werden. Um sicherzustellen, dass die Funktionsschichten freigestellt werden, müssen diese Löcher ausreichend groß und in einem hinreichend kleinen Abstand zueinander strukturiert werden.
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Es ist ebenfalls bekannt, leitfähige bzw. mechanisch belastbare Verbindungen zwischen den einzelnen leitfähigen Schichten zu erzeugen. Hierfür werden vor dem Aufbringen einer höher gelegenen leitfähigen Schicht Öffnungen in der darunter liegenden Oxidschicht angelegt, so dass beim Aufbringen der leitfähigen Schicht gleichzeitig eine Verbindung zur tiefer liegenden leitfähigen Schicht entsteht.
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Bei der Realisierung von elektrisch bzw. mechanisch belastbaren Verbindungen, die freigestellt werden müssen, sind Vorhalte zu berücksichtigen. Diese Vorhalte ergeben sich aus den prozessbedingten Versätzen bei der Lithographie und den Ätzverlusten der jeweiligen Ebene.
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6a-c zeigen eine beispielhafte mikromechanische Anordnung zur Illustration der der Erfindung zugrundeliegenden Problematik, und zwar a) jeweils in Draufsicht, b) jeweils in perspektivischer Ansicht und c) jeweils im Schnitt entlang Linie AA' in a).
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In 6 bezeichnet Bezugszeichen S ein Siliziumsubstrat, wobei in einer ersten Funktionsebene ein erster mikromechanischer Funktionsbereich P1a und ein zweiter mikromechanischer Funktionsbereich P1b vorgesehen sind.
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In einer darüber liegenden Ebene ist ein zweiter mikromechanischer Funktionsbereich vorgesehen, welcher einen ersten, zweiten und dritten Unterbereich P2a, P2b, P2c aufweist, die seriell miteinander verbunden sind. Der dritte Unterbereich P2c ist getrennt durch einen Spalt G schwebend über dem zweiten mikromechanischen Funktionsbereich P1b gelagert. Die Größe des Spaltes G verändert sich durch mechanische Beschleunigungen, was zur Umwandlung in ein entsprechendes elektrisches Signal genutzt werden kann.
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Im fertigen Zustand der gezeigten Anordnung soll nur der erste Unterbereich P2a über den ersten Funktionsbereich P1a und über ein darunter liegendes Restoxid mit dem Substrat S verbunden sein. Der Unterbereich P2b und P2c und der unter dem Unterbereich P2b liegende Bereich des ersten Funktionsbereichs P1a hingegen sollen schwebend über dem Substrat gelagert sein.
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Da der zweite Unterbereich P2b, welcher eine Stegform annimmt, relativ breit ist, kommt es in ungünstigen Fällen dazu, dass unter dem Teil des ersten Funktionsbereichs P1a, der unter dem zweiten Unterbereich P2b liegt, Oxidreste OR zurückbleiben, wie 6c entnehmbar.
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7a-c bis 9a-c zeigen aufeinanderfolgende Prozessstadien eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung einer weiteren beispielhaften mikromechanischen Anordnung zur Illustration der der Erfindung zugrundeliegenden Problematik, und zwar a) jeweils in Draufsicht, b) jeweils in perspektivischer Ansicht und c) jeweils im Schnitt entlang Linie AA' in a).
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Bei dem in 7 gezeigten Beispiel ist die in 6 erläuterte Anordnung mit einem sehr schmalen stegartigen zweiten Unterbereich P2b gezeigt und befindet sich unmittelbar vor der abschließenden Opferschichtätzung der beiden Opferschichten O1, O2. Ist die Maskenebene der oberen Funktionsschicht mit dem zweiten Funktionsbereich P2a, P2b, P2c optimal gegenüber der zuvor erstellten Öffnung in der zweiten Opferschicht O2 optimal ausgerichtet, so führt das auch bei der besagten kleinen Stegbreite des Unterbereichs P2b zu keinen Problemen.
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Falls jedoch, wie in 8 gezeigt, die Ebene der zweiten Funktionsschicht gegenüber der darunter liegenden Ebene der zweiten Opferschicht eine Fehljustierung aufweist, so entsteht ein störender Versatz 12, welcher bewirkt, dass beim Strukturieren des zweiten Funktionsbereichs P2a, P2b, P2c der erste Funktionsbereich P2a ungewollt aufgetrennt wird, was insbesondere aus 9 gut ersichtlich ist, die den Zustand nach dem Opferschichtätzen zeigt.
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Diese Problematik wurde herkömmlicherweise nur durch geeignet breite Stege des zweiten Unterbereichs P2b vermieden, was beispielsweise Stegbreiten von mindestens 5-6 µm erforderlich macht.
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Breitere Stege bei Torsionsfedern eines Z-Sensors bedingen eine erhöhte Federsteifigkeit und damit eine geringere mechanische Empfindlichkeit, aber immer eine längere Opferschichtätzung, was durch die damit benötigten größeren Aufhängungsbereiche zu einem insgesamt größeren Platzbedarf führt.
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Breitere Stege bedingen ferner für einen Z-Sensor eine geringere Massenasymmetrie und damit eine geringere mechanische Empfindlichkeit, was ebenfalls nur durch größere Strukturen kompensiert werden kann. Bei einer Anwendung als T-Feder führt das bei einem Z-Beschleunigungssensor zu hohem Rauschen und schlechter Offset-Stabilität.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine mikromechanische Anordnung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 9.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, platzoptimierte Verbindungen zwischen den beiden Polysilizium-Funktionsbereichen zu realisieren, die zudem einen ausreichenden Ätzzugang zur unteren Funktionsschicht bereitstellen.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee beruht auf dem Bilden einer Mehrzahl von nebeneinander beabstandet angeordneten Langlöchern in der zweiten Opferschicht, welche sowohl einen Kontakt zwischen den beiden mikromechanischen Funktionsbereichen als auch einen Ätzzugang in dem unteren ersten mikromechanischen Funktionsbereich ermöglichen. Der Ätzzugang wird also nicht wie bisher über eine direkte Strukturierung der unteren Funktionsschicht, sondern nach der Öffnung der zweiten Opferschicht mit der Strukturierung der oberen Funktionsschicht erreicht, da das Polysilizium der unteren Funktionsschicht beim Strukturieren der oberen Funktionsschicht durch die Langlöcher ebenfalls geätzt wird.
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Sollten sehr schmale Stege der oberen Funktionsschicht möglichst robust mit einer darunter liegenden unteren Funktionsschicht verbunden werden, ist es besonders günstig, in der Opferschicht sehr schmale lange Öffnungen vorzusehen, die im Wesentlichen senkrecht zum Polysiliziumsteg der oberen Funktionsschicht verlaufen und die auf beiden Seiten deutlich über den Polysiliziumsteg hinausragen. Die sehr schmalen langen Öffnungen bzw. Langlöcher können sehr weit über den Polysiliziumsteg hinausragen. Dies führt zu keinen Einschränkungen in der Verbindung zwischen der oberen und der unteren Funktionsebene, und auch der Ätzzugang wird dadurch nicht negativ beeinflusst.
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Durch diesen erfindungsgemäßen Ansatz können Versätze der Masken der verschiedenen Funktionsebenen zueinander und andere damit zusammenhängende Effekte aufgefangen werden.
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Sowohl die Langlöcher als auch die zwischen den Langlöchern verbleibenden Stege der zweiten Opferschicht können durchaus sehr schmal gewählt werden, wodurch auch bei sehr geringer Unterätzrate in der Opferschichtätzung die kombinierte Struktur der beiden Funktionsebenen immer unterätzt werden kann.
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Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die unmittelbare Nachbarschaft und damit der geringe Platzbedarf von elektrisch/mechanischen Verbindungen und Ätzzugängen. Bei der Positionierung der Ätzzugänge ist keine Berücksichtigung von Justageversätzen mehr notwendig, da über die Strukturierung der zweiten Opferschicht eine Selbstjustierung der Ätzzugänge von oberer und unterer Funktionsschicht erfolgen. Die zu berücksichtigenden Vorhalte reduzieren sich damit auf die Versätze und Toleranzen von der zweiten Opferschichtebene und der oberen Funktionsebene. Die hohe Strukturierungsgenauigkeit der oberen Funktionsebene reduziert zudem die Vorhalte, die wegen der Ätzverluste zu berücksichtigen sind.
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Eine besonders vorteilhafte Anwendung ist eine Verbindung, wenn ein sehr schmaler Polysiliziumsteg der oberen Funktionsebene mit einer unteren Funktionsebene verbunden werden soll, z.B. für einen Z-Beschleunigungssensor in Form einer Wippe mit symmetrisch liegender Torsionsfeder, aber asymmetrischer Massenverteilung oder für einen Drehratensensor mit optimierter Massenstruktur oder für eine T-Feder-Aufhängung.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1a-c bis 4a-c aufeinanderfolgende Prozessstadien einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Anordnung, und zwar a) jeweils in Draufsicht, b) jeweils in perspektivischer Ansicht und c) jeweils im Schnitt entlang Linie AA' in a);
- 5 eine perspektivische Darstellung einer weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Anordnung;
- 6a-c eine beispielhafte mikromechanische Anordnung zur Illustration der der Erfindung zugrundeliegenden Problematik, und zwar a) jeweils in Draufsicht, b) jeweils in perspektivischer Ansicht und c) jeweils im Schnitt entlang Linie AA' in a); und
- 7a-c bis 9a-c aufeinanderfolgende Prozessstadien eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung einer weiteren beispielhaften mikromechanischen Anordnung zur Illustration der der Erfindung zugrundeliegenden Problematik, und zwar a) jeweils in Draufsicht, b) jeweils in perspektivischer Ansicht und c) jeweils im Schnitt entlang Linie AA' in a).
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Ausführungsformen der Erfindung
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1a-c bis 4a-c zeigen aufeinanderfolgende Prozessstadien einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Anordnung, und zwar a) jeweils in Draufsicht, b) jeweils in perspektivischer Ansicht und c) jeweils im Schnitt entlang Linie AA' in a).
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In 1 bezeichnet Bezugszeichen S ein Siliziumsubstrat Auf dem Siliziumsubstrat S ist eine erste Opferschicht O1 aus Siliziumoxid vorgesehen, beispielsweise durch eine entsprechende Abscheidung. Ein erster mikromechanischer Funktionsbereich P1a und ein zweiter mikromechanischer Funktionsbereich P1b jeweils aus Polysilizium sind auf der ersten Opferschicht O1 strukturiert und voneinander beabstandet angeordnet.
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Im rechten Teil des ersten mikromechanischen Funktionsbereichs P1a befinden sich erste Ätzlöcher L1a, und im zweiten mikromechanischen Funktionsbereich P1b befinden sich zweite Ätzlöcher L1b, welche sich jeweils bis zur Oberfläche der ersten Opferschicht O1 erstrecken.
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Weiter mit Bezug auf 2 wird über dem ersten und zweiten mikromechanischen Funktionsbereich P1a, P1b sowie der umgebenden ersten Opferschicht O1 eine zweite Opferschicht O2 aus Siliziumoxid abgeschieden.
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In der zweiten Opferschicht O2 wird ein Kontaktloch KF1 über der linken Hälfte des ersten mikromechanischen Funktionsbereichs P1a strukturiert. Weiterhin werden eine Mehrzahl paralleler Langlöcher 7a, 7b, 7c, 7d über der rechten Hälfte des ersten mikromechanischen Funktionsbereichs P1a strukturiert, wodurch entsprechende Teile des ersten mikromechanischen Funktionsbereichs P1a freigelegt werden. Bei dem gewählten Beispiel weisen die Langlöcher dieselbe Breite 11 auf wie die Breite 10 der zwischen ihnen verbleibenden Stege der zweiten Opferschicht O2.
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Anschließend an den Prozesszustand gemäß 2 erfolgt mit Bezug auf 3 eine Abscheidung einer zweiten mikromechanischen Funktionsschicht aus Polysilizium und die Strukturierung in drei Unterbereiche P2a, P2b und P2c. Bei der Strukturierung werden durch die beiderseits über den mittleren stegartigen Unterbereich P2b verlaufenden Langlöcher 7a, 7b, 7c, 7d entsprechende Lochpaare 8a, 8b, 8c, 8d in den ersten mikromechanischen Funktionsbereich P1a geätzt, so dass in diesem Bereich die erste Opferschicht O1 freigelegt wird. Gleichzeitig bilden sich jeweilige Kontaktstöpsel KS zwischen den Lochpaaren 8a, 8b, 8c, 8d aus, über die der zweite Unterbereich P2b mit dem ersten mikromechanischen Funktionsbereich P1a verbunden ist. Im dritten Unterbereich P2c werden ebenfalls Ätzlöcher L2 gebildet, welche sich bis zur Oberseite der zweiten Opferschicht O2 erstrecken.
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Dadurch, dass die Stegbreite des zweiten Unterbereichs P2b des oberen mikromechanischen Funktionsbereichs wesentlich geringer ist als die Länge der dazu quer verlaufenden Langlöcher 7a, 7b, 7c, 7d, erfolgt beiderseits des stegartigen Unterbereichs P2b beim Strukturieren des Polysiliziums ebenfalls eine Ätzung des darunter liegenden Polysiliziums des ersten mikromechanischen Funktionsbereichs, so dass in diesen Bereichen die erste Opferschicht O1 freigelegt ist.
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Weiter mit Bezug auf 4 findet abschließend das Opferschichtätzen der ersten und zweiten Opferschicht O1, O2 statt, wobei nur ein (nicht sichtbarer) Restbereich der ersten Opferschicht unter dem Teil des ersten mikromechanischen Funktionsbereichs P1a verbleibt, der unter dem ersten Unterbereich P2a angeordnet ist. Im Übrigen werden die Opferschichten O1, O2 vollständig aus der Struktur entfernt.
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Wie ebenfalls aus 4 ersichtlich, wird der zweite Unterbereich im Bereich P2b im Bereich zwischen den Lochpaaren durch einen Zwischenraum Z vom ersten mikromechanischen Funktionsbereich P1a getrennt, da dort Oxid der zweiten Opferschicht O2 entfernt wird.
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Somit ermöglicht die vorstehend beschriebene Ausführungsform eine mechanisch stabile Anbindung des dritten Unterbereichs P2c über dem zweiten Unterbereich P2b an den ersten Unterbereich P2a, so dass die Realisierung eines Z-Beschleunigungssensors mit hoher Empfindlichkeit ermöglicht ist.
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5 zeigen eine perspektivische Darstellung einer weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Anordnung.
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Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Z-Beschleunigungssensor in Form einer Wippe mit symmetrisch liegender Torsionsfederachse, aber asymmetrischer Massenverteilung der Massen M1, M2, welche auf der Grundebene MB aufgebracht sind, gezeigt. In einer unter der Ebene MB liegenden Funktionsebene sind Elektroden E1, E2 Polysilizium strukturiert, welche durch einen Spalt G1 von der Ebene MB getrennt sind. Die mit P1a, P1b, P2a, P2b, P2c korrespondierenden Elemente in 5 sind bezeichnet als P1a', P1b', P2a', P2b', P2c', wobei die Elemente P1b' und P2c' in 5 aufgrund der perspektivischen Darstellungsweise nicht sichtbar sind.
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Insbesondere ist der Mittelbereich des Stegs ST mit P2b' bezeichnet und ist mit der darunter liegenden Ebene MB aus Polysilizium derart verbunden, wie für den Steg P2b in 4 gezeigt.
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Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht die gewünschten geringen Federbreiten in dem T-Feder-Profil, welches in 5 gezeigt ist, und somit die Realisierung der für einen Z-Beschleunigungssensor erforderlichen mechanischen und elektrischen Kenngrößen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert wurde, ist sie nicht beschränkt, sondern in vielfältiger Weise variierbar.
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Insbesondere sind die Stegbreiten und Geometrien der ersten und zweiten Verankerungsstruktur anwendungsspezifisch variierbar und nicht auf die gezeigte Ringform bzw. Linienform beschränkt. Auch die Abstände zwischen den Stegen bzw. Stegsegmenten können anwendungsbedingt variiert werden. Weiterhin sind die erwähnten Schichtmaterialien für die Opferschichten und die Funktionsschichten nicht auf die genannten Materialien beschränkt.
