-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein MEMS-Bauelement, mindestens umfassend eine auslenkbare Membran, die eine Öffnung in der Bauelementrückseite überspannt und mit mindestens einer auslenkbaren Elektrode einer Kondensatoranordnung versehen ist, und ein feststehendes Gegenelement mit Durchgangsöffnungen, das als Träger für mindestens eine feststehende Elektrode der Kondensatoranordnung fungiert.
-
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen MEMS-Bauelements.
-
MEMS-Bauelemente der hier in Rede stehenden Art können – je nach Auslegung der Bauelementstruktur – sowohl Aktorfunktionen als auch Sensorfunktionen übernehmen. So kann ein solches MEMS-Bauelement beispielsweise als Ventilbauelement konzipiert werden, bei dem die Membran als Verschlusselement dient. In diesem Fall wird die Kondensatoranordnung zum gezielten Ansteuern bzw. Betätigen des Verschlusselements genutzt. Bei einer anderen Aktoranwendung fungiert die Membran der Bauelementstruktur als Lautsprechermembran und wird mit Hilfe der Kondensatoranordnung angesteuert. Ein MEMS-Bauelement der hier in Rede stehenden Art kann aber auch als Drucksensor oder Mikrofonbauelement ausgelegt werden. Bei diesen Anwendungen dient die Membran der Signalerfassung, indem die druck- bzw. schalldruckbedingten Auslenkungen der Membran als Kapazitätsänderungen der Kondensatoranordnung erfasst werden.
-
In der
WO 2010/139498 A1 wird ein MEMS-Bauelement der eingangs genannten Art beschrieben, in dessen Schichtaufbau eine Mikrofonstruktur mit einer akustisch aktiven Membran und einem akustisch durchlässigen Gegenelement realisiert ist. Die Membran ist hier in einer Membranschicht über dem Grundsubstrat des Bauelements ausgebildet und überspannt eine Schallöffnung in der Substratrückseite. Das Gegenelement ist in einer weiteren Schicht über der Membran realisiert. Die Membran fungiert als bewegliche Elektrode und bildet zusammen mit einer feststehenden Elektrode auf dem Gegenelement eine Kondensatoranordnung zur Signalerfassung.
-
Aus der Schrift
US 2007/0160248 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven MEMS-Mikrofonbauelements mit einer auslenkbaren Membran und einem feststehenden Gegenelement bekannt. Membran und Gegenelement dienen als Träger für die Elektroden einer Kondensatoranordnung. Das Gegenelement wird aus dem Grundsubstrat des MEMS-Bauelements herausstrukturiert und überspannt eine Öffnung in der Bauelementrückseite. Die Membran wird in einem Schichtaufbau über dem Gegenelement realisiert.
-
In der Schrift
US 2008/0175417 A1 wird ein Mikrofonbauelement beschrieben, dessen Mikrofonstruktur in einem Waferstack realisiert ist. Dabei ist für die Membran und das Gegenelement jeweils ein eigener Wafer vorgesehen. Die Strukturierung dieser beiden Wafer erfolgt zwar erst nach der Stack-Montage aber dennoch unabhängig voneinander.
-
Die Mikrofonstruktur des in der Schrift
DE 693 25 732 T2 beschriebenen MEMS-Bauelements wird in Opferschichttechnologie erzeugt.
-
Aus den Schriften
US 2008/0175417 A1 und
US 2009/0169035 A1 ist jeweils die Herstellung eines weiteren MEMS-Bauelements mit einer auslenkbaren Membran und einem feststehenden Gegenelement bekannt, die als Träger für die Elektroden einer Kondensatoranordnung zur Signalerfassung dienen.
-
Da das Gegenelement der bekannten MEMS-Bauelemente in einer weiteren, meist relativ dicken Schicht des Schichtaufbaus ausgebildet ist, trägt es wesentlich zur Bauhöhe des Bauelements bei. Auch die Herstellung des bekannten MEMS-Bauelements erweist sich in mehrerlei Hinsicht als problematisch. Das Gegenelement wird hier erst nach der Membran im Schichtaufbau des Bauelements angelegt. Dafür wird meist eine relativ dicke Schicht, wie z. B. in einer Epi-Polysiliziumschicht, auf den Schichtaufbau aufgebracht, da die Lagefixierung der Gegenelektrode Voraussetzung für eine zuverlässige Signalerfassung ist. Das Abscheiden einer solchen Epi-Polysiliziumschicht erfordert sehr hohe Prozesstemperaturen, die sich nachteilig auf die Eigenschaften der bereits gefertigten Membran auswirken. Außerdem sind diese Hochtemperaturschritte fertigungstechnisch relativ aufwendig wie auch die Strukturierung der relativ dicken Gegenelementschicht und das Erzeugen der rückseitigen Schallöffnung in einem Rückseitenätzprozess.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen, die sowohl zur Verbesserung der Membraneigenschaften beitragen als auch zur Miniaturisierung des MEMS-Bauelements. Außerdem wird der Herstellungsprozess durch diese Maßnahmen vereinfacht.
-
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Gegenelement aus dem Grundsubstrat des MEMS-Bauelements herausstrukturiert wird und dass die auslenkbare Membran in einem Schichtaufbau auf dem Grundsubstrat realisiert wird.
-
Da das Gegenelement im Grundsubstrat „vergraben” ist, kann das erfindungsgemäße MEMS-Bauelement mit einer ausgesprochen geringen Bauhöhe realisiert werden. Durch ein geeignetes Layout des Gegenelements kann eine sehr gute Lagefixierung innerhalb der Bauelementstruktur erreicht werden. Dabei wirken sich die mechanischen Eigenschaften des Grundsubstrats zumeist positiv auf die Lagestabilität des Gegenelements aus, insbesondere im Falle eines monokristallinen Grundsubstrats. Erfindungsgemäß wird das Gegenelement im Grundsubstrat angelegt, bevor die Membran in einem Schichtaufbau auf dem Grundsubstrat erzeugt wird. Die Prozessparameter beim Freilegen des Gegenelements haben hier also keinerlei Auswirkungen auf die Herstellung der Membran bzw. die Membraneigenschaften. Demnach können die mechanischen Eigenschaften der Membran davon unabhängig, gezielt eingestellt werden, beispielsweise über das Material und die Dicke der Membranschicht, das Layout der Membran und der Membranaufhängung und auch durch eine geeignete Temperaturbehandlung, wenn danach nur noch Niedertemperaturprozesse vorgesehen sind.
-
Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung der erfindungsgemäßen Bauelementstruktur, insbesondere was das Layout des Gegenelements und der Membran betrifft sowie die Schichtenfolge des Schichtaufbaus auf dem Grundsubstrat, aber auch was das Herstellungsverfahren betrifft.
-
In einer bevorzugten Variante des Herstellungsverfahrens wird das Gegenelement mit den Durchgangsöffnungen in einem Trenchätzverfahren in der Vorderseite des Grundsubstrats angelegt. Dieses Verfahren eignet sich besonders gut zu Definition des Layouts und der Dicke des Gegenelements, da sich damit Ätzgräben bzw. Trenchgräben mit einem sehr hohen Aspektverhältnis erzeugen lassen. In einem weiteren Ätzschritt wird das Gegenelement dann unterätzt, wobei eine Kaverne im Grundsubstrat entsteht. Der Ätzangriff erfolgt hier über die zuvor erzeugten Trenchgräben zur Definition des Gegenelements.
-
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Vorderseite des Grundsubstrats zum Anlegen und Unterätzen des Gegenelements mit einer Ätzmaske versehen wird, die im Bereich der zu erzeugenden Trenchgräben jeweils eine Gitterstruktur aufweist. Die Maschengröße der Gitterstrukturen wird dabei so gewählt, dass diese beim Anlegen des Gegenelements jeweils vollständig unterätzt werden und unter jeder Gitterstruktur ein zusammenhängender Trenchgraben entsteht. Mit Hilfe der Gitterstrukturen in der Ätzmaske kann die Vorderseite des Grundsubstrats nach dem Unterätzen des Gegenelements einfach wieder verschlossen werden, um eine Basis für den Schichtaufbau mit der Membran zu schaffen. Dazu wird mindestens eine Zwischenschicht auf die maskierte Vorderseite des Grundsubstrats aufgebracht. Aufgrund der Maschengröße werden die Gitterstrukturen über den Trenchgräben dabei verschlossen, noch bevor die Struktur des Gegenelements und das Volumen unter dem Gegenelement nennenswert beeinträchtigt werden können. Die Ätzmaske kann einfach in einer Oxidschicht realisiert werden. Derartige Oxid-Hard-Masken sind äußerst robust gegenüber einem Trenchprozess und auch isotropen Ätzprozessen, wie sie beim Unterätzen des Gegenelements zum Einsatz kommen können. Andererseits kann das Oxidmaterial auch sehr einfach in einem Gas-Phasen-Ätzverfahren selektiv entfernt werden, um das Gegenelement und die Membran freizulegen. Deshalb wird die Ätzmaske auch bevorzugt mit Hilfe einer Oxid-Zwischenschicht wieder verschlossen. Die Membranschicht wird vorteilhafterweise auf die geschlossene Schichtenfolge von Ätzmaske und mindestens einer Zwischenschicht aufgebracht. Die Membran wird dann ggf. zusammen mit einer Membranaufhängung in Form von Federelementen aus der Membranschicht herausstrukturiert. In diesem Fall kann die Membran einfach durch bereichsweises Entfernen der Ätzmaske und der Zwischenschicht freigelegt werden, was vorteilhafterweise am Ende des Fertigungsprozesses über die Öffnung in der Bauelementrückseite erfolgt. Als Membranschicht eignet sich insbesondere eine Polysiliziumschicht, da sie sich einfach strukturieren lässt und sich ihre elektrischen und mechanischen Eigenschaften sehr einfach durch geeignete Dotierung und Temperung gezielt beeinflussen lassen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Grundsubstrat rückseitig abgedünnt, um die Kaverne unter dem Gegenelement rückseitig zu öffnen. Dies erweist sich nicht nur im Hinblick auf eine möglichst geringe Bauhöhe als vorteilhaft, sondern ist auch mit einem deutlich geringeren herstellungstechnischen Aufwand verbunden als eine rückseitige Strukturierung des Grundsubstrats. Zum Rückdünnen kann das Grundsubstrat einfach abgeschliffen werden. Dabei können aber auch trocken oder nasschemischen Ätzverfahren zum Einsatz kommen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren.
-
1a–1h veranschaulichen die Herstellung eines erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements anhand von schematischen Schnittdarstellungen durch die Bauelementstruktur während des Herstellungsverfahrens.
-
Ausführungsform der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird nachfolgend am Beispiel eines MEMS-Mikrofonbauelements 100 – 1h – mit einer auslenkbaren Membran 40 und einem feststehenden Gegenelement 10 beschrieben. Die Membran 40 ist akustisch aktiv und überspannt eine Öffnung 12 in der Bauelementrückseite. Das Gegenelement 10 ist mit Durchgangsöffnungen 11 versehen, die als vent holes dienen, und ist dementsprechend akustisch durchlässig. Die akustisch aktive Membran 40 fungiert als auslenkbare Elektrode und bildet zusammen mit einer Gegenelektrode auf dem feststehenden Gegenelement 10 eine Kondensatoranordnung zur Signalerfassung. Erfindungsgemäß ist das Gegenelement 10 aus dem Grundsubstrat 1 des Bauelements 100 herausstrukturiert und die Membran 40 ist in einem Schichtaufbau auf dem Grundsubstrat 1 realisiert.
-
Ausgangspunkt für die Herstellung eines MEMS-Bauelements der hier in Rede stehenden Art ist ein Grundsubstrat 1, wie z. B. ein monokristallines Siliziumsubstrat. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird zunächst das Gegenelement aus diesem Grundsubstrat 1 herausstrukturiert. Die Strukturierung des Grundsubstrats 1 erfolgt in zwei aufeinanderfolgenden Ätzschritten, für die die Vorderseite des Grundsubstrat 1 maskiert wird. Als Maskierschicht 2 dient hier eine dünne Oxidschicht 2, die beispielsweise in einem LPCVD-TEOS-Verfahren auf dem Grundsubstrat 1 abgeschieden wird oder auch thermisch aufgewachsen werden kann und dann entsprechend dem Layout des Gegenelements strukturiert wird. 1a zeigt das Grundsubstrat 1 mit der strukturierten Maskierschicht 2. In der Maskierschicht 2 sind in den Bereichen, in denen Ätzgräben im Grundsubstrat 1 erzeugt werden sollen, feine Gitterstrukturen 21 ausgebildet.
-
Die Maschengröße dieser Gitterstrukturen 21 ist so gewählt, dass die Gitterstrukturen 21 im ersten Ätzschritt – hier einem anisotropen Trenchätzprozess – vollständig unterätzt werden. Dabei entsteht unterhalb jeder Gitterstruktur 21 ein zusammenhängender Trenchgraben 11, was in 1b dargestellt ist. Die Lage, Form und Tiefe dieser Trenchgräben 11 definieren das Layout und die Dicke des Gegenelements 10 mit den Durchgangsöffnungen.
-
In einem zweiten Ätzschritt wird das Gegenelement 10 dann unterätzt, wobei der Ätzangriff über die Trenchgräben 11 in der Vorderseite des Grundsubstrats 1 erfolgt. In diesem zweiten Ätzschritt wird entweder nur noch isotrop geätzt oder die Unterätzung des Trenchprozesses wird so stark eingestellt, dass das Substratmaterial aus einem zusammenhängenden Bereich unter dem Gegenelement 10 herausgelöst wird. Die dabei entstehende Kaverne 12 unter dem Gegenelement 10 ist in 1c dargestellt. 1c veranschaulicht, dass die Trenchgräben 11 im Mittelbereich des Gegenelements 10 Durchgangsöffnungen 11 bzw. vent holes bilden.
-
Nachdem das Gegenelement 10 aus dem Grundsubstrat 1 herausstrukturiert worden ist, werden die Trenchgräben 11 im Grundsubstrat 1 oberflächlich verschlossen. Dazu wird eine Zwischenschicht 3 – hier eine Oxidschicht – auf der maskierten Vorderseite des Grundsubstrats 1 erzeugt, die insbesondere die Gitterstrukturen 21 in der Maskierschicht 2 verschließt. Die Oxidschicht 3 kann ebenfalls in einem LPCVD-TEOS-Verfahren auf der maskierten Vorderseite des Grundsubstrats 1 abgeschieden werden. Optional kann vorher noch eine thermische Oxidation stattfinden, um auch auf der Kavernenwandung eine Oxidschicht zu erzeugen, die dann in einem nachfolgenden Ätzprozess als Ätzstoppschicht genutzt werden kann.
-
1d zeigt, dass die Oxidschicht 3 im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel über dem Bereich des Gegenelements 10 mit Vertiefungen 31 versehen wurde. Diese Vertiefungen dienen der Ausbildung von Anschlägen in der noch zu erzeugenden Membran, die ein flächiges Anhaften der Membran am Gegenelement verhindern sollen. Außerdem wurde eine Kontaktöffnung 32 in der Zwischenschicht 3 und der Maskierschicht 2 erzeugt, um eine elektrische Kontaktierung des Grundsubstrats 1 und damit des Gegenelements 10 zu ermöglichen.
-
Auf der so strukturierten Schichtenfolge von Maskierschicht 2 und Zwischenschicht 3 wurde nun eine Membranschicht 4 abgeschieden und strukturiert, was in 1e dargestellt ist. Dabei wurde eine Membran 40 mit Anschlägen 41 erzeugt, die sich über die gesamte flächige Ausdehnung des Gegenelements 10 erstreckt. Die Membran 40 ist über Federelemente 42, die ebenfalls aus der Membranschicht 4 herausstrukturiert sind, in den Schichtaufbau auf dem Grundsubstrat 1 eingebunden. Bei der Membranschicht 4 handelt es sich vorteilhafterweise um eine Polysiliziumschicht, deren elektrische Eigenschaften sich sehr gut durch eine geeignete Dotierung einstellen lassen und deren mechanische Eigenschaften durch Tempern gezielt verbessert werden können.
-
Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde über der strukturierten Membranschicht 4 eine weitere Oxidschicht 5 abgeschieden und strukturiert, um in einer darüber liegenden Metallschicht 6 Anschlagstrukturen 63 im Bereich über den Federelementen 42 zu erzeugen. Diese Anschlagstrukturen 63 schützen die Membranstruktur im Überlastfall vor Federbrüchen. Die Metallschicht 6 dient jedoch in erster Linie zur Realisierung von Anschlusskontakten 61, 62 für das Grundsubstrat 1 bzw. das Gegenelement 10 und die Membran 40. Dafür wird bevorzugt Aluminium auf dem Schichtaufbau abgeschieden und strukturiert, was in 1f dargestellt ist.
-
Nach Abschluss der Vorderseitenprozessierung wird das Grundsubstrat 1 rückseitig abgedünnt. 1g zeigt, dass die Kaverne 12 unter dem Gegenelement 10 dabei geöffnet wird. Dafür wird bevorzugt ein Schleifverfahren verwendet. Etwaig vorhandene Schleifreste können über Reinigungsschritte aus der Kaverne 12 entfernt werden. Um Schleifreste in der Kaverne 12 zu vermeiden, kann aber auch bis kurz vor die Kaverne 12 geschliffen werden, um die Kaverne dann mit Hilfe von trockenen oder nassen Ätzverfahren rückseitig zu öffnen.
-
Schließlich werden noch das Gegenelement 10 und die Membran 40 mit den Federelementen 42 freigelegt, indem das Oxid der Maskierschicht 2 und der Zwischenschicht 3 aus dem Bereich der Mikrofonstruktur herausgelöst wird. Dafür wird bevorzugt ein HF-Gasphasen-Ätzverfahren verwendet. Dabei wird auch die Oxidschicht 5 auf der Membranschicht 4 entfernt, was durch 1h veranschaulicht wird.
-
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass die Mikrofonstruktur optional auch noch mit Schutzschichten, wie z. B. Antiklebeschichten oder Antikorrosionsschichten, versehen werden kann.
