-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur.
-
Aus der
US6,211,056 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur bekannt, welches folgende Schritte aufweist:
- Bilden einer ersten Isolationsschicht oberhalb eines Substrats, Bilden einer ersten mikromechanischen Funktionsschicht auf der ersten Isolationsschicht, Bilden einer Mehrzahl von Gräben in der ersten mikormechanischen Funktionsschicht, welche sich bis zur ersten Isolationsschicht erstrecken, Bilden einer zweiten Isolationsschicht auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht, welche die Gräben auffüllt, Bilden von ersten Ätzzugängen in der zweiten Isolationsschicht, welche die erste mikromechanische Funktionsschicht bereichsweise freilegen, und Ätzen der ersten mikromechanischen Funktionsschicht durch Ätzzugänge, wobei die gefüllten ersten Gräben und die Isolationsschicht als Ätzstopp wirken.
-
Die
DE10 2006 055 263 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Thermopeil-Sensors, wobei Bereiche einer mikromechanischen Funktionsschicht durch Ätzgräben unter Verwendung einer Isolationsschicht als Maske entfernt werden.
-
Stand der Technik
-
Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von Beschleunigungs- und Drehratensensoren erläutert.
-
Die
DE 195 37 814 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren, wie z.B. Beschleunigungs- und Drehratensensoren. Es werden bewegliche Siliziumstrukturen erzeugt, deren Bewegungen über die Bestimmung von Kapazitätsänderungen quantitativ erfasst werden. Die beweglichen Siliziumstrukturen werden in einem Ätzschritt erzeugt, wobei Gräben in der Siliziumschicht mit hohem Aspektverhältnis erzeugt werden. In einem zweiten Schritt wird eine Opferschicht, beispielsweise eine Oxidschicht, unter der mikromechanischen Funktionsschicht aus Silizium entfernt. In einem Folgeprozess werden die so gewonnenen beweglichen Siliziumstrukturen hermetisch verschlossen, beispielsweise durch einen Kappenwafer, der über einen Seal-Glaslotprozess aufgebracht wird.
-
Die
DE 199 61 578 A1 offenbart, auf einem Grundwafer direkt durch weitere Prozessschritte eine Kappe über den beweglichen Sensorflächen zu erzeugen. Dazu wird auf dem Grundwafer, bei dem schon die beweglichen Siliziumstrukturen geätzt sind, die Opferschicht aber noch nicht entfernt ist, eine Schicht aus Oxid aufgebracht. Die Dicke dieser Oxidschicht ist im Vergleich zur Dicke der mikromechanischen Funktionsschicht gering. Die Oxidschicht muss aber die Gräben verschließen, weshalb es nur möglich ist, schmale Gräben vorzusehen. Auf die Oxidschicht wird eine für das Medium des Opferschichtätzens transparente Schicht aufgebracht, beispielsweise eine dicke Polysiliziumschicht, in die sehr schmale Löcher geätzt werden. Danach werden durch die so transparent gemachte Deckschicht alle darunterliegenden Opferschichten entfernt, um die Siliziumstrukturen beweglich zu machen. In einem letzten Schritt wird die Deckschicht mit einer weiteren Oxid- oder Metall- oder Polysiliziumschicht hermetisch abgeschlossen. Unterhalb der Deckschicht können nur bewegliche Strukturen mit relativ geringer Bewegungsfreiheit angeordnet werden.
-
Eine ähnliche Situation wie beim Verschluss von tiefen breiteren Stukturen gibt es auch im Bereich der eigentlichen beweglichen Strukturen. Wird über einer vergrabenen Leiterbahn eine bewegliche Struktur angeordnet, so entsteht aufgrund des Herstellungsverfahrens an Kanten in der vergrabenen Leiterbahn auch eine Kante in der beweglichen Struktur. Diese Struktur kann an der Kante der vergrabenen Leiterbahn anschlagen und diese beschädigen. Um dies zu verhindern, können über eine zusätzliche Opferschicht Noppen in der beweglichen Struktur erzeugt werden. Die bewegliche Struktur schlägt dann zwar an definierten Positionen mit ihren Noppen flächig auf der Leiterbahn an, doch wird dadurch die Bewegungsfreiheit weiter eingeschränkt. Dieses Konzept funktioniert aber nur dann, wenn die vergrabene Leiterbahn dünner als die Opferschicht ist.
-
Auch wenn zwei bewegliche Strukturen übereinander angeordnet werden sollen oder wenn über einer beweglichen Struktur eine Leiterbahnebene angewendet werden soll, ist man dieser Situation ausgesetzt. In diesen Fällen ist es meist erforderlich, die beweglichen Strukturen dicker als die Opferschicht auszulegen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur nach Anspruch 1.
-
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, nach dem Bilden der ersten Funktionsschicht zunächst eine Strukturierung der ersten Funktionsschicht vorzusehen, bei der nur sehr schmale Gräben in die Funktionsschicht getrencht werden.
-
Die Gräben werden derart schmal ausgeführt, dass sie anschließend durch die erste Isolationsschicht aufgefüllt werden können.
-
Die erste Isolationsschicht wird dann strukturiert, wobei als Ätzzugänge wiederum nur schmale Löcher und/oder Stege erzeugt werden. Über einen isotropen Ätzprozess können dann die Bereiche zwischen den verfüllten Gräben vollständig geätzt werden. Dabei dienen die mit dem Isolationsmaterial verfüllten Gräben bzw. die Stege aus Isolationsmaterial einerseits lateral als Ätzstoppschicht und andererseits als Stabilisierung für die dünne darüberliegende Oxidschicht, wenn sie über große Flächen aufgespannt werden soll. Mit der weiteren Abscheidung einer zweiten dünnen Isolationsschicht werden dann vorzugsweise die schmalen Ätzzugänge in der ersten Isolationsschicht wieder verschlossen. Die beiden Isolationsschichten dienen im folgenden Prozessverlauf als elektrische Isolationsschicht bzw. als Opferschicht.
-
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Struktur, mit dem es möglich ist, eine erste mikromechanische Funktionsschicht mittels schmaler Ätzzugänge derart zu ätzen, dass auch Ausnehmungen darin gebildet werden, die eine wesentlich größere Breite als die darüberliegenden Ätzzugänge aufweisen, erlaubt einen geringen Kantenverlust.
-
Es können große offene Flächen in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht erzeugt werden, wobei lediglich ein Verschließen der schmalen Ätzzugänge notwendig ist, bevor eine weitere Funktionsschicht abgeschieden wird. Das Verfahren erzeugt keine Topografieeffekte in den Folgeebenen und die Verwendung dünner erster mikromechanischer Funktionsschichten. Die Gestalt und Ausdehnung der Ausnehmungen in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht ist innerhalb eines großen Bereiches variabel.
-
Die Ausnehmungen können beispielsweise eine Breite von typischerweise 0,8 µm bis 30 µm aufweisen. Kleinere Breiten (0,8 bis 5 µm) sind für Beschleunigungssensoren nötig und für die Elektrodenbereiche von Drehratensensoren. Für die schwingende Struktur von Drehratensensoren sind Ausnehmungen von bis zu 30 µm Breite notwendig, welche im selben Prozess hergestellt werden können.
-
Figurenliste
-
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
-
Es zeigen:
- 1a-j schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische ebene Darstellung eines Z-Sensors mit asymmetrscher Wippe, welcher durch das Verfahren nach 1a-j hergestellt wird;
- 3a-c verschiedene Ausführungsformen von Formen von Ätzstoppgräben in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht beim Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 4 eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer Anordnung von von Ätzstoppgräben in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht und Ätzzugangsgräben in der ersten Isolationsschicht bei einem Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß der weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
-
1a-j sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Mit Bezug auf 1 a wird über einem Siliziumsubstrat 1 eine Grundisolationsschicht 2 abgeschieden. Optional kann nun diese Grundisolationsschicht 2 strukturiert werden, um beispielsweise die darüberliegende nächste Funktionsebene mit dem Substrat 1 zu verbinden. Optional können dann eine oder mehrere Funktionsschichten 3, beispielsweise aus Polysilizium, abgeschieden und strukturiert werden. Auf dieser bzw. diesen Funktionsschichten 3 wird dann im weiteren Prozessverlauf eine erste Isolationsschicht 4 abgeschieden. Diese erste Isolationsschicht 4 dient im weiteren Verlauf als Opferschicht bzw. Isolationsschicht bzw. Verankerungsschicht. Selbstverständlich kann ggf. auch die erste Isolationsschicht 4 strukturiert werden, um einen elektrischen und/oder mechanischen Kontakt zur darüberliegenden nächsten Funktionsschicht herzustellen.
-
Im weiteren Prozessverlauf wird auf der ersten Isolationsschicht 4 die erste mikromechanische Funktionsschicht 5 abgeschieden. Dies kann beispielsweise in einem LPCVD-Verfahren oder in einem kombinierten Verfahren mit einer LPCVD-Startschicht und einer darüberliegenden Epitaxieschicht aus Polysilizium erfolgen. Die erste mikromechanische Funktionsschicht 5 aus Polysilizium kann dann optional mit einem Polierverfahren (CMP = Chemical-Mechanical Polishing) planarisiert werden. Je nach Unterbau oder Dicke der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 kann dies notwendig sein, um im anschließenden Schritt eine genügend gute lithografische Auflösung zu erhalten.
-
Weiter mit Bezug auf 1b wird über der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 eine Lackmaske 6 vorgesehen, welche Öffnungen 6a aufweist, mit deren Hilfe in einem folgenden Prozessschritt das darunterliegende Polysilizium der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 getrencht werden soll.
-
1c zeigt den Prozesszustand nach Durchführung des Trenchschritts, in dem schmale erste Gräben 7 in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 gebildet werden, welche sich bis zur ersten Isolationsschicht 4 erstrecken.
-
Die maximale Breite der schmalen Gräben 7 bzw. (nicht dargestellter) Löcher wird derart gewählt, dass die Gräben 7 bzw. Löcher durch eine später zu beschreibende weitere Abscheidung wieder verschlossen werden können.
-
Wie in 1d dargestellt, wird eine zweite Isolationsschicht 8 auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 nach Bildung der ersten Gräben 7 abgeschieden. Vorzugsweise kann die mikromechanische Funktionsschicht 5 zuerst thermisch oxidiert werden, da derartige Oxidschichten später bezüglich Ätzangriffen, z.B. im Plasma mit SF6 , sehr dicht sind. Nach einer derartigen Voroxidation wird beispielsweise eine weitere Oxidschicht mit einer LPCVD-TEOS-Abscheidung bis zur gewünschten Zieldicke aufgebracht. Durch die Wahl eines CVD-Oxids zum Aufdicken und zum vollständigen Auffüllen der ersten Gräben 7 kann gerade in tiefen Gräben ein zu hoher Stress in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 vermieden werden, da bei einem CVD-Oxid, gegenüber einem thermischen Oxid der Stress über geeignete Wahl der Anlagenparameter in einem weiten Bereich eingestellt werden kann. Es können hier sowohl druck- als auch zugverspannte Oxidschichten abgeschieden werden, was hinsichtlich der Stressauslegung der Oxidschicht gestalterische Freiräume ermöglicht.
-
In der zweiten Isolationsschicht 8 werden dann Ätzzugänge 9 gebildet, welche die erste mikromechanische Funktionsschicht 5 bereichsweise freilegen. Die Breite dieser ersten Ätzzugänge 9 wird derart gewählt, dass sie durch eine später erfolgende noch zu beschreibende Oxidabscheidung wieder vollständig verschlossen werden können.
-
Wie in 1e dargestellt, werden dann in einem Ätzschritt Ausnehmungen 10 in die erste mikromechanische Funktionsschicht 5 geätzt. Bevorzugt werden dazu isotrope Verfahren angewendet. Als besonders günstig hat sich das Gasphasen-Verfahren erwiesen, da es schwierig sein kann, flüssige Ätzmedien wieder aus den unterätzten Bereichen über die schmalen ersten Ätzzugänge 9 herauszuspülen. Ein beispielhaftes Verfahren ist ein Ätzprozess mit SF6 in einem Plasma oder mit CIF3 oder mit XeF2 . Bei diesem Ätzen der ersten mikromechanischen Funktionsschicht dienen die mit Oxid gefüllten ersten Gräben 7 und die darunterliegende erste Isolationsschicht 4 als Ätzstopp. In anderen Teilbereichen kann die Ätzung des Polysiliziums der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 über die Ätzzeit begrenzt werden. Ebenso kann die in den schmalen Gräben 7 abgeschiedene zweite Isolationsschicht 8 aus Oxid dazu dienen, diese Schicht zu stabilisieren. Im Falle derartiger großer Bereiche ist es zusätzlich günstig, die Ätzzugänge 9 in der zweiten Isolationsschicht 8 derart auszubilden, dass Stress in dieser Schicht durch die geometrische Anordnung der Ätzzugänge abgebaut werden kann. Es kann z.B. eine meandrige Anordnung der Ätzzugänge 9 verwendet werden oder lange zueinander versetzte Ätzzugänge 9 (vgl. 2).
-
Weiter mit Bezug auf 1f erfolgt die Abscheidung einer dritten Isolationsschicht 11 aus Oxid, um die Ätzzugänge 9 in der zweiten Isolationsschicht 8 zu verschließen. Die zweite Isolationsschicht 8 und die dritte Isolationsschicht 11 bilden gemeinsam eine weitere Opfer- und Isolationsschicht. Durch das beschriebene Herstellungsverfahren entsteht insbesondere keine wesentliche Topographie an Stellen, an denen die erste mikromechanische Funktionsschicht 5 geätzt wurde.
-
Bei einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform wird die zweite Isolationsschicht 8 zurückpoliert, um das vollständige Verschließen der Ätzzugänge 9 beim Abscheiden der dritten Isolationsschicht 11 zu gewährleisten.
-
Wie in 1g dargestellt, werden anschließend ein oder mehrere Kontaktbereiche 12 der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 freigelegt, indem die zweite Isolationsschicht 8 und die dritte Isolationsschicht 11 an den betreffenden Orten durch einen Ätzprozess entfernt werden. Derartige Kontaktbereiche 12 definieren Anschlüsse zu einer später abzuscheidenden weiteren mikromechanischen Funktionsschicht 13 aus Polysilizium, die, wie in 1h dargestellt, dann über der resultierenden Struktur abgeschieden wird.
-
In an sich bekannter Weise wird dann die zweite mikromechanische Funktionsschicht 13 strukturiert, um zweite Ätzzugänge 14 in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 13 zu bilden, welche die dritte Isolationsschicht 11 bereichsweise freilegen, wie dies in 1i dargestellt ist.
-
Schließlich mit Bezug auf 1j erfolgt ein weiterer Ätzprozess, um die zweite und dritte Isolationsschicht 8, 11 vollständig und die erste Isolationsschicht 4 bis auf Restbereiche R zu entfernen, an denen die erste mikromechanische Funktionsschicht 5 auf dem Substrat 1 verankert ist. Dieser Prozesszustand entspricht dem in 1j gezeigten Zustand. Weiterhin kann auch eine (nicht dargestellte) Deckschicht abgeschieden werden oder eine Kombination aus weiteren Funktionsschichten und/oder Deckschichten.
-
2 ist eine schematische ebene Darstellung eines Z-Sensors mit asymmetrscher Wippe, welcher durch das Verfahren nach 1a-j hergestellt wird.
-
In 2 bezeichnet Bezugszeichen 100 einen in der ersten mikromechanischen Funktionsebene 5 zu bildenden Z-Sensor mit einer Wippe 101 mit asymmetrischer Massenverteilung und einer auf dem Substrat 1 verankerten Torsionsfeder 102. Ätzzugänge 7, die beispielsweise bei einem derartigen Z-Sensor sehr schmal sein sollten, um eine hohe Dämpfung zu gewährleisten, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einfach hergestellt werden. Typische Loch- und Schlitzbreiten von 0,2 bis 2 µm können erreicht werden. Diese Strukturen werden nur durch den ersten Ätzschritt strukturiert und dann mit der Herstellung der zweiten und dritten Isolationsschicht 8, 11 verschlossen.
-
Die Ätzstoppgräben 7a, 7b ermöglichen eine großflächige Entfernung der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5, wobei Bezugszeichen 9 die Ätzzugänge für die Polysiliziumätzung bezeichnet. Um eine stabile zweite Isolationsschicht 8 zu erhalten, können große Bereiche durch zusätzliche Stützstellen stabilisiert werden. Günstig ist es, diese Stützstellen entweder als sich periodisch fortsetzendes Punktmuster oder als Stegmuster auszubilden.
-
3a-c zeigen verschiedene Ausführungsformen von Formen von Ätzstoppgräben in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht beim Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Sämtliche Ätzstoppgräben 7, die in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 vor der Abscheidung der zweiten Isolationsschicht 8 geätzt werden, sollten vorzugsweise derart ausgelegt werden, dass T-Kreuzungen (3a) bzw. winklige Kanten (3b) vermieden werden. Derartige T-Kreuzungen bzw. analoge X-Kreuzungen gemäß 3a für die Ätzstoppgräben 7' haben unterschiedliche Breiten b1, b2 an den Kreuzungspunkten und im Linienverlauf. Gleiches gilt für winklige Kanten für Ätzstoppgräben 7" gemäß 3b.
-
Zusätzlich verursacht der Trenchprozess an derart winkligen Kanten eine, durch die lokal größere offene Fläche, Aufweitung der Gräben. Beide Effekte können durch die Verwendung von Ätzstoppgräben 7"' gemäß 3c vermieden werden.
-
Technisch ist es möglich, alle Gräben 7"', die als Ätzstoppgräben für den Polysiliziumätzschritt benötigt werden, in sich geschlossen ohne Kreuzung herzustellen. Dabei sollte beachtet werden, dass Gräben 7'", die zur Unterstützung von großen offenen Flächen in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 angelegt werden, nicht mit den Gräben, die als Ätzstopp dienen, verbunden werden.
-
4 ist eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer Anordnung von von Ätzstoppgräben in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht und Ätzzugangsgräben in der ersten Isolationsschicht bei einem Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß der weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
In 4 dargestellt ist ein Ätzzugangsmuster und Ätzstoppgrabenmuster für einen großen flächigen Bereich FB. Dabei ist der Ätzstoppgraben 7'a ein ringförmig umlaufender Ätzstoppgraben und die Ätzstoppstege 7'b sind abwechselnd senkrecht zueinander angeordnet.
-
Nicht kreuzend und nicht überlappend sind die Ätzzugänge 9 für die Polysiliziumätzung zwischen den Ätzstoppgräben 7'a, 7'b angeordnet.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern in vielfältiger Weise variierbar.
-
Das erfindungsgemäße mikromechanische Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur bzw. die entsprechende mikromechanische Struktur lässt sich insbesondere für Beschleunigungssensoren bzw. Drehratensensoren einsetzen.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
-
Auch sind die Anwendungsgebiete breitgefächert und nicht auf Beschleunigungs- und Drehratensensoren beschränkt.
