-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur.
-
Stand der Technik
-
Die Offenlegungsschrift
DE 199 61 578 A1 offenbart einen Sensor mit zumindest einer mikromechanischen Struktur.
-
Die Patentschrift
EP 2 325 135 B1 offenbart ein Verfahren zum Verkapseln einen mikro-elektro-mechanischen Struktur.
-
Die Patentschrift
US 5,587,343 A offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersensors.
-
Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen oder mikroelektrischmechanischen (MEMS) Strukturen als solche sind bekannt. Hierbei steht die Abkürzung MEMS auch für die englischen Begriffe „micro-electro-mechanicalsystem“. Üblicherweise wird bei einem solchen Verfahren eine Polysilizium-Funktionsschicht über einer dünnen vergrabenen Polysiliziumschicht angeordnet. Die vergrabene Schicht dient als Leiterbahn. Die Funktionsschicht wird über einen Trenchprozess und ein Opferschichtverfahren freigestellt. Hierbei werden in der Regel Oxidschichten als Opferschichten abgeschieden, welche zu einem späteren Bearbeitungsschritt wieder weggeätzt werden.
-
Es kann die Notwendigkeit bestehen, dass in lokalen Bereichen der Oxidschichten die Ätzung beschleunigt werden soll.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur anzugeben, welches eine lokale Beschleunigung eines Ätzprozesses in einer Oxidschicht ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird mittels des Gegenstands des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
-
Nach einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur bereitgestellt. Es wird eine Oxidschicht abgeschieden. Hierbei wird ein poröser Bereich in der Oxidschicht gebildet.
-
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass ein poröser Bereich in einer Oxidschicht wesentlich schneller weggeätzt wird als nichtporöse Bereiche in der Oxidschicht. Dadurch also, dass in einem Bereich der Oxidschicht die Oxidschicht porös ausgebildet wird, kann in vorteilhafter Weise bewirkt werden, dass die Oxidschicht lokal in diesem Bereich wesentlich schneller weggeätzt werden kann als in dem nichtporösen Bereich. Der poröse Bereich weist im Vergleich zu dem nichtporösen Bereich insofern insbesondere eine höhere Ätzrate auf.
-
Porös im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet insbesondere, dass in dem porösen Bereich Hohlräume gebildet sind. Insbesondere kann porös auch bedeuten, dass in dem porösen Bereich Kanäle gebildet sind. Porös kann ferner insbesondere bedeuten, dass physikalische Schichteigenschaften der Oxidschicht aufgrund des Ausbildens des porösen Bereichs in dem porösen Bereich im Vergleich zu dem nichtporösen Bereich unterschiedlich bzw. geändert sind. Oxidschichten, welche zu einem Zeitpunkt nach ihrem Abscheiden weggeätzt werden sollen, können auch als Opferschichten bezeichnet werden.
-
Nach einer Ausführungsform kann die mikromechanische Struktur auch als eine mikroelektrisch-mechanische Struktur ausgebildet sein. Eine solche Struktur kann vorzugsweise auch als eine MEMS-Struktur bezeichnet werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Bilden des porösen Bereichs ein Beaufschlagen von Ionen auf die Oxidschicht. Das bewirkt in vorteilhafter Weise insbesondere, dass in dem Bereich, in welchem die Ionen aufschlagen, die Oxidschicht beschädigt wird. Diese Beschädigung führt dann insbesondere zum Ausbilden von Hohlräumen und/oder von Kanälen. Ein Beaufschlagen von Ionen auf die Oxidschicht kann insbesondere auch als eine Implantation von Ionen auf die Oxidschicht bezeichnet werden. Das heißt also insbesondere, dass die Ionen in die Oxidschicht implantiert werden. Die Ionen werden vorzugsweise mittels einer Beschleunigungsspannung auf die Oxidschicht beaufschlagt. Eine solche Beschleunigungsspannung kann beispielsweise mehrere kV betragen, beispielsweise 5 kV, vorzugsweise 4 kV, beispielsweise 2 kV oder insbesondere 1 kV. Aufgrund der lokalen Implantationen der Ionen entstehen in der Oxidschicht Störungen bzw. Störstellen, insbesondere entstehen dadurch im weitesten Sinne Kanäle. Diese Vielzahl der Kanäle verursacht insbesondere, dass das Oxid in diesem Bereich porös wird. Aufgrund der lokalen Schädigung kann eine solche Implantation von Ionen vorzugsweise auch als eine Damage-Implantation bezeichnet werden, wobei der englische Begriff Damage für Schaden steht.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden Ionen mit einem Winkel von kleiner als 45° relativ zur Oberfläche der Oxidschicht beaufschlagt. Insbesondere kann ein Winkel auch kleiner als 30°, beispielsweise kleiner als 20°, insbesondere kleiner als 10°, vorzugsweise kleiner als 5° betragen. Das heißt also insbesondere, dass die Ionen unterschiedlich flach relativ zur Oberfläche der Oxidschicht auf die Oberfläche beaufschlagt werden können. Insbesondere bei Ionen mit einer geringen Masse kann aufgrund der Implantation unter solch flachen Winkeln eine effektive Eindringtiefe der Ionen in die Oxidschicht reduziert werden, um somit in vorteilhafter Weise bei gleicher Dosis an Ionen an der Oberfläche eine höhere Veränderung der Porosität zu erreichen.
-
In einer anderen Ausführungsform werden Ionen mit einer Ordnungszahl von größer als 30 zur Beaufschlagung verwendet. Die Ordnungszahl entspricht hier insbesondere einer Kernladungszahl. Insbesondere können Blei-, Zinn- und/oder Arsenionen verwendet werden. Allgemein verlieren ihrer entsprechend hohen Kernladungszahl solch schwere Ionen viel Energie innerhalb einer geringen Schichtdicke. Damit kann in vorteilhafter Weise bei geringer Dosis an Ionen eine starke Veränderung der Porosität des Oxids bzw. der Oxidschicht bewirkt werden.
-
In einer anderen Ausführungsform wird der poröse Bereich zur Ausbildung einer mittels der Oxidschicht gebildeten Stütze weggeätzt. Das heißt also insbesondere, dass lediglich der poröse Bereich weggeätzt wird. Die restliche Oxidschicht bleibt dadurch im Wesentlichen erhalten. Die restliche Oxidschicht kann insofern in vorteilhafter Weise als Stütze für weitere auf die Oxidschicht abgeschiedene Schichten wirken. Das heißt also insbesondere, dass die Oxidschicht eine Stützfunktion aufweist.
-
Erfindungsgemäß wird auf den porösen Bereich eine erste Funktionsschicht abgeschieden, auf welcher eine weitere Oxidschicht abgeschieden wird, auf welcher eine zweite Funktionsschicht abgeschieden wird, wobei nach dem Abscheiden der zweiten Funktionsschicht die erste Oxidschicht zur Ausbildung einer freitragenden Schichtstruktur umfassend die erste Funktionsschicht und die zweite Funktionsschicht entfernt wird. Durch das Entfernen der ersten Oxidschicht umfassend den porösen Bereich wird insbesondere in vorteilhafter Weise bewirkt, dass die erste und zweite Funktionsschicht freitragend ausgebildet werden. Hierbei wirkt die weitere Oxidschicht als eine mechanische Kopplung zwischen den beiden Funktionsschichten und gleichzeitig als eine elektrische Isolierung. Es ist also insbesondere in vorteilhafter Weise ermöglicht, zwei freitragende Elemente, hier die erste und die zweite Funktionsschicht, mechanisch zu koppeln, hier mittels der weiteren Oxidschicht, und diese gleichzeitig gegeneinander elektrisch isoliert zu halten, hier ebenfalls mit der weiteren Oxidschicht, was auch als eine galvanische Trennung bezeichnet werden kann.
-
Nach einer weiteren Ausführungsform, welche nicht Teil der Erfindung ist, kann ein Inertialsensor vorgesehen sein, welcher eine solche freitragende Schichtstruktur aufweist. Insbesondere ist ein solcher Inertialsensor als ein Beschleunigungssensor oder als ein Drehratensensor ausgebildet. Insbesondere wenn die mikromechanische Struktur als eine MEMS-Struktur ausgebildet ist, kann ein solcher Inertialsensor auch als ein MEMS-Inertialsensor bezeichnet werden.
-
Eine Funktionsschicht im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet insbesondere, dass die entsprechende Schicht eine Funktion aufweist. Beispielsweise kann eine solche Funktionsschicht als eine Elektrodenschicht gebildet sein. Das heißt also insbesondere, dass eine solche Elektrodenschicht die Funktion einer Elektrode übernimmt bzw. als Elektrode wirkt. Insbesondere kann eine Funktionsschicht eine oder mehrere elektrische Leiterbahnen umfassen. Auch kann eine Funktionsschicht beispielsweise eine oder mehrere elektrische Kontaktierungen aufweisen.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann für die Oxidschichten ein thermisches Oxid oder ein LPCVD-TEOS-Oxid verwendet werden. Die Oxidschichten können insbesondere gleich oder unterschiedlich gebildet sein. LPCDV steht hier für „Low Pressure Chemical Vapour Deposition“. TEOS steht für Tetraethylorthosilicat.
-
Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Funktionsschichten als eine Polysiliziumschicht ausgebildet sein. Die Funktionsschichten können vorzugsweise gleich oder unterschiedlich sein.
-
Nach einer Ausführungsform umfasst das Entfernen ein Ätzen. Das heißt also insbesondere, dass die Oxidschichten weggeätzt werden. Vorzugsweise wird hierbei ein HF-Gas verwendet. Ein solcher Ätzprozess kann insbesondere auch als ein Gas-Phasen-Ätzschritt mit HF bezeichnet werden. Es kann nach einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass zum Wegätzen der Oxidschichten entsprechende Ätzzugänge in den darüber abgeschiedenen Schichten, insbesondere Funktionsschichten, gelegt werden bzw. gebildet werden.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur,
- 2 ein Ablaufdiagramm eines weiteren Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur und
- 3 - 10 verschiedene Ansichten zu nacheinander folgenden Zeitpunkten eines Inertialsensors, welcher mittels eines Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur hergestellt wird.
-
Im Folgenden werden für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet.
-
1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur. In einem ersten Schritt 101 wird eine Oxidschicht, insbesondere als Opferschicht, abgeschieden. In einem darauffolgenden Schritt 103 wird ein poröser Bereich in der Oxidschicht gebildet.
-
Das Vorsehen eines porösen Bereichs in einer Oxidschicht weist insbesondere den Vorteil auf, dass dieser poröse Bereich im Vergleich zum nichtporösen Bereich schneller weggeätzt werden kann, da der poröse Bereich eine höhere Ätzrate aufweist. Insofern wird mittels des Verfahrens in vorteilhafter Weise eine Möglichkeit bereitgestellt, lokal eine Ätzung in einer Oxidschicht zu beschleunigen.
-
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines weiteren Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur. In einem Schritt 201 wird eine Oxidschicht abgeschieden. In einem Schritt 203 werden die Ionen auf die Oxidschicht beaufschlagt. Dies bewirkt in vorteilhafter Weise, dass durch die so implantierten Ionen in der Oxidschicht Störungen bzw. Störstellen entstehen, welche insbesondere Hohlräume und/oder Kanäle ausbilden. Aufgrund der Kanäle bzw. Hohlräume wird die Oxidschicht in diesem Bereich porös.
-
3 bis 10 zeigen jeweils verschiedene Ansichten eines Inertialsensors zu verschiedenen Zeitpunkten seines Herstellungsprozesses. Hierbei werden jeweils, also pro Figur, drei Ansichten gezeigt. Die oberste Ansicht der drei Ansichten zeigt eine Draufsicht auf den Inertialsensor. Die unterste Ansicht der drei Ansichten zeigt eine Schnittansicht entlang einer Schnittlinie I-I gemäß der Draufsicht. Die mittlere Ansicht der drei Ansichten zeigt eine Schnittansicht entlang einer Schnittlinie II-II gemäß der Draufsicht.
-
Gemäß 3 wird in einem ersten Schritt eine Oxidschicht 301 auf ein Substrat 303 abgeschieden.
-
Gemäß 4 wird dann eine Lackmaske 401 auf die Oxidschicht 301 gelegt. Die Lackmaske 401 weist einen offenen Bereich 403 auf, so dass dadurch ein Bereich der Oxidschicht 301 offen bzw. freiliegt, wenn die Lackmaske 401 auf der Oxidschicht 301 angeordnet ist. Ionen werden nun von oben auf die Oxidschicht 301 bzw. auf die Lackmaske 401 beaufschlagt, wobei dieses Beaufschlagen symbolisch mit Pfeilen mit dem Bezugszeichen 405 gekennzeichnet ist. Aufgrund der Lackmaske 401 werden die Ionen nur in dem offenen Bereich 403 auf die Oxidschicht 301 treffen und dort implantiert werden. Die Lackmaske 401 wird nach dem loneneinfall bzw. der Ionenimplantation vorzugsweise wieder entfernt. Aufgrund der Ionenimplantation wird die Oxidschicht 301 im Bereich des offenen Bereichs 403 der Lackmaske 401 porös, so dass insofern die Oxidschicht 301 einen porösen Bereich 407 aufweist.
-
Gemäß 5 wird dann eine erste Funktionsschicht 501 auf die Oxidschicht 301 mit ihrem porösen Bereich 407 abgeschieden. Insbesondere wird ein Ätzzugang 503 durch die erste Funktionsschicht 501 zu dem porösen Bereich 407 gebildet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die erste Funktionsschicht 501 strukturiert wird. Der Bereich, unterhalb welchem die Oxidschicht 301 in einem späteren Schritt entfernt werden soll, ist mit einer geschweiften Klammer mit dem Bezugszeichen 505 gekennzeichnet, wobei dieser Bereich insbesondere der Breite des Schnittbereichs II-II entspricht.
-
Gemäß 6 wird eine weitere Oxidschicht 601 zumindest teilweise auf die erste Funktionsschicht 501 abgeschieden. Die weitere Oxidschicht 601 kann vorzugsweise auch strukturiert werden.
-
Gemäß 7 wird eine zweite Funktionsschicht 701 auf die weitere Oxidschicht 601 bzw. auf die erste Funktionsschicht 501 abgeschieden, da die weitere Oxidschicht 601 nicht über den gesamten Bereich der ersten Funktionsschicht 501 abgeschieden wurde. Auch die zweite Funktionsschicht 701 wird insbesondere strukturiert. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Strukturieren das Bilden von weiteren Ätzzugängen 703 zu der weiteren Oxidschicht 601 und zu der ersten Funktionsschicht 501 und zu dem porösen Bereich 407 umfasst. Ein Strukturieren kann insbesondere auch als ein Trenchen bezeichnet werden.
-
Gemäß 8 wird zunächst nur der poröse Bereich 407 der Oxidschicht 301 weggeätzt.
-
Gemäß 9 wird diese Ätzung so eingestellt, dass die erste Funktionsschicht 501 und die zweite Funktionsschicht 701 noch nicht freigestellt sind. Hier wirkt die Oxidschicht 301, welche noch nicht vollständig weggeätzt wurde, als Stütze für die beiden Funktionsschichten 501 und 701. Das heißt insbesondere, dass die Oxidschicht 301 mit ihren verbleibenden Resten an der ersten Funktionsschicht 501 befestigt ist. in diesem Stadium können die einzelnen Schichten insbesondere mit flüssigen Lösungsmitteln in vorteilhafter Weise sehr effizient gereinigt werden. Diese Reinigung kann notwendig sein, um Verbindungen, welche aufgrund der implantierten Ionen bzw. Fremdatomen beim Gasphasenätzen in HF erzeugt werden, beispielsweise Phosphor zu Phosphorsäure, und welche in der Gasphase nicht abtransportiert werden können, zu entfernen. Diese übrig gebliebenen Verbindungen können in späteren Anwendungen zu Problemen führen, beispielsweise können sie zu einer Klebung neigen. Nach der Reinigung kann dann eine zweite längere Opferschichtätzung in HF-Gas vorgesehen sein, welche die einzelnen Schichten, insbesondere die erste Funktionsschicht 501 und die zweite Funktionsschicht 701 vollständig freistellt, wie es in 10 gezeigt ist.
-
10 zeigt die freigestellten Funktionsschichten 501 und 701, welche mechanisch miteinander mittels der weiteren Oxidschicht 601 gekoppelt sind, wobei die weitere Oxidschicht 601 die beiden Funktionsschichten 501 und 701 elektrisch voneinander trennt. Die so gebildete Struktur bildet dann einen Inertialsensor 1001.
-
Gemäß einer nicht gezeigten Ausführungsform kann für die Oxidschichten 301 und 601 ein thermisches Oxid oder ein LPCVD-TEOS-Oxid verwendet werden.
-
Die beiden Oxidschichten 301 und 601 können insbesondere gleich oder unterschiedlich gebildet sein. LPCDV steht hier für „Low Pressure Chemical Vapour Deposition“. TEOS steht für Tetraethylorthosilicat.
-
Zusammenfassend umfasst also die Erfindung insbesondere den Gedanken, durch eine lokale Implantation von Ionen insbesondere mit hoher Energie, die Schichteigenschaften einer tiefer liegenden Oxidschicht zu verändern. Durch die lokale Implantation entstehen im Oxid insbesondere Störungen, es entstehen im weitesten Sinne kleine Kanäle. Die Vielzahl der Kanäle verursacht insbesondere in vorteilhafter Weise, dass das Oxid porös wird. Der Schichtaufbau oberhalb der untersten Oxidschicht bleibt unverändert. Für die darüberliegende Oxidschicht, die zwischen den beiden Funktionsschichten, insbesondere Polysiliziumschichten, liegt, wird eine möglichst dichte Schicht verwendet, entweder eine LPCDV-TEOS-Schicht oder eine thermische Oxidschicht. Vorzugsweise werden möglichst direkte Ätzzugänge am Rand zu den porösen Bereichen angelegt. In einem Gas-Phasen-Ätzschritt mit HF wird vorzugsweise der poröse Teil der unteren Oxidschicht sehr viel schneller geätzt als der nichtporöse Teil bzw. Bereich der unteren Oxidschicht und insbesondere der dichten zwischen den beiden Polysiliziumschichten liegenden Oxidschicht. Durch Wahl einer geeigneten Geometrie und Ätzzeit kann insbesondere erreicht werden, dass das Oxid unter einem geschlossenen Bereich der unteren Polysiliziumschicht vollständig entfernt wird und gleichzeitig die Oxidschicht zwischen dieser Polysiliziumschicht und einer weiteren darüberliegenden Oxidschicht noch weitgehend erhalten bleibt. Dadurch wird es in vorteilhafter Weise möglich, über diese obere Oxidschicht eine mechanische Verbindung zwischen den beiden Polysiliziumschichten herzustellen, ohne dass eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Polysiliziumschichten besteht. Gleichzeitig sind die beiden Polysiliziumschichten auch nicht mehr mechanisch mit dem darunterliegenden Substrat verbunden. Die vorgenannten Erläuterungen gelten analog, wenn statt Polysiliziumschichten beliebige andere Funktionsschichten abgeschieden bzw. verwendet werden.
