DE102013213065A1

DE102013213065A1 - Mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil

Info

Publication number: DE102013213065A1
Application number: DE102013213065.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Classen; Jochen Reinmuth; Arnd Kaelberer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2015-01-08
Anticipated expiration: 2033-07-05
Also published as: DE102013213065B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil mit einem Substrat (10), und einer Membran (34), welche eine Kaverne (70) zumindest teilweise überspannt, wobei die Kaverne (70) an einer von der Membran (34) weg gerichteten Seite von einer Oberseite (72) des Substrats (10) oder von einer Außenseite (24) einer Struktur (16) begrenzt ist, und wobei eine Vielzahl von Gräben (22) in dem Substrat (10) oder in der Struktur (16) so ausgebildet sind, dass die von der Kaverne (70) freigelegte Oberseite (72) des Substrats (10) oder zumindest die von der Kaverne (70) freigelegte Außenseite (24) der Struktur (16) von der Vielzahl von Gräben (22) unterteilt ist, und/oder eine Vielzahl von Vertiefungen an einer Innenseite (74) der Membran (34) von der Kaverne (70) freigelegt sind. Ebenso betrifft die Erfindung eine Sensorvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil und ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil. Ebenso betrifft die Erfindung eine Sensorvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil und ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung.
Stand der Technik
In der EP 0 714 017 A1 ist ein mikromechanisch herstellbarer Drucksensor beschrieben. Der Drucksensor weist eine Kaverne auf, welche auf einer ersten Seite mittels einer aufgespannten Membranschicht und auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite von einem leitfähigen Bereich eines Siliziumsubstrats begrenzt wird. Zum Herstellen des Drucksensors wird eine als Opferschicht bezeichenbare Hilfsschicht auf den leitfähigen Bereich des Siliziumsubstrats abgeschieden. Anschließend wird die Opferschicht zumindest teilweise von der Membranschicht abgedeckt, in welcher durchgehende Aussparungen ausgebildet werden. Durch die Aussparungen in der Membranschicht wird danach das zwischen dem leitfähigen Bereich und der Membranschicht liegende Material der Opferschicht zum Freilegen der Kaverne zumindest teilweise weggeätzt. Die durchgehenden Aussparungen in der Membranschicht werden nach dem Freilegen der Kaverne mittels einer Verschlussschicht verschlossen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4, ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 5 und ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Vorteile der Erfindung
Aufgrund des mindestens einen ersten Hohlraums (in der Vielzahl von Gräben in der Oberseite des Substrats oder zumindest in der Außenseite der Struktur) und/oder des mindestens einen zweiten Hohlraums (in Vielzahl von Vertiefungen in der Innenseite der Membran) kann die Membran leichter unterätzt werden. Insbesondere können beim Unterätzen der Membran Nebeneffekte des mindestens einen Hohlraums genutzt werden. Somit entfällt die herkömmliche Notwendigkeit, zum Unterätzen der Membran Aussparungen/Ätzöffnungen darin auszubilden. Entsprechend ist es auch nicht nötig, die Aussparungen/Ätzöffnungen in der unterätzten Membran anschließend mittels einer Verschlussschicht zu verschließen.
Die vorliegende Erfindung erleichtert somit die Herstellbarkeit eines mikromechanischen Bauteils mit einer von einer Membran zumindest teilweise überspannten Kaverne. Insbesondere kann die Membran die Kaverne auch vollständig überspannen. Mittels der vorliegenden Erfindung kann deshalb das entsprechende mikromechanische Bauteil kostengünstig hergestellt werden. Zum Herstellen des mikromechanischen Bauteils können außerdem bekannte Prozesse aus der Halbleitertechnik angewandt werden.
Das mittels der vorliegenden Erfindung herstellbare mikromechanische Bauteil kann eine relativ stressfreie Aufhängung seiner Membran aufweisen. Ein Membrandurchmesser ist bei dem herstellbaren mikromechanischen Bauteil sehr genau definierbar.
Insbesondere aufgrund des möglichen Verzichts auf Aussparungen/Ätzöffnungen in der Membran kann eine gewünschte Elastizität der Membran verlässlich gewährleistet werden. Gleichzeitig ist aufgrund der verlässlich realisierbaren Unterätzbarkeit der Membran mittels der vorliegenden Erfindung sicherstellbar, dass die von der Membran zumindest teilweise überspannte Kaverne eine gewünschte Mindestgröße aufweist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das mikromechanische Bauteil eine Gegenelektrode als die Struktur aus zumindest dem Halbleitermaterial und/oder dem weiteren Halbleitermaterial. Mittels eines Ermittelns einer Kapazität zwischen der Membran und der Gegenelektrode kann bei einer derartigen Ausführungsform eine Verformung der Membran leicht nachgewiesen/festgestellt/erkannt werden. Das entsprechende mikromechanische Bauteil eignet sich somit vorteilhaft für einen Drucksensor, wobei eine druckinduzierte Kraft auf die Membran mittels einer Auswertung der Kapazität relativ genau messbar ist. Auch für andere Sensortypen, wie z.B. einen Beschleunigungssensor oder einen Magnetfeldsensor, kann das mikromechanische Bauteil eingesetzt werden.
Vorzugsweise weisen die Gräben und/oder Vertiefungen eine Breite kleiner als 10 µm, vorzugsweise kleiner als 5 µm, insbesondere kleiner als 3 µm, auf. Derartige Gräben/Vertiefungen eignen sich vorteilhaft für den erfindungsgemäßen Verwendungszweck.
Die oben beschriebenen Vorteile sind auch bei einer Sensorvorrichtung mit einem derartigen mikromechanischen Bauteil gewährleistet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird zum zumindest teilweisen Entfernen der mindestens einen Opferschicht ein Gas-Phasen-Ätzverfahren ausgeführt. Aufgrund des mindestens einen benachbarten Hohlraums kann mittels des Gas-Phasen-Ätzverfahrens selbst eine vergleichsweise dicke Membran unterätzt werden, ohne dass ein späteres Sticking der auf diese Weise freizustellenden Membran zu befürchten ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird vor dem Aufbringen der mindestens einen Opferschicht eine Gegenelektrode als die Struktur aus zumindest dem Halbleitermaterial und/oder dem weiteren Halbleitermaterial gebildet. Das Herstellungsverfahren eignet sich somit vorteilhaft zum Herstellen der zusammenwirkenden Komponenten Membran und Gegenelektrode, welche für eine Vielzahl von Sensoren einsetzbar sind.
Beispielsweise wird die Vielzahl von Gräben in das Substrat oder in die Struktur geätzt. Anschließend können die Gräben unter Einschluss/Ausbildung des mindestens einen ersten Hohlraums mit zumindest einem Teil der mindestens einen später zumindest teilweise entfernten Opferschicht abgedeckt werden. Das Ausbilden des mindestens einen ersten Hohlraums ist somit mittels einfacher Verfahrensschritte möglich.
Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann das zumindest eine Halbleitermaterial und/oder weitere Halbleitermaterial der Innenseite der Membran als LPCVD-Schicht abgeschieden werden, in welche durchgehende Aussparungen zum Festlegen von Positionen der darin später darin ausgebildeten Vertiefungen strukturiert werden. Anschließend kann die Membran mittels eines epitaktischen Wachstumsprozesses unter Ausbildung der Vertiefungen mit dem darin vorliegenden mindestens einen zweiten Hohlraum verstärkt werden. Auch der mindestens eine zweite Hohlraum ist somit mittels einfach ausführbarer Verfahrensschritte ausbildbar.
Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einem entsprechenden Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung realisiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1a bis 1j schematische Draufsichten auf ein Substrat zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil;
2a bis 2c schematische Querschnitte durch ein Substrat zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil;
3a bis 3d schematische Querschnitte durch ein Substrat zum Erläutern einer dritten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil;
4a bis 4c schematische Querschnitte durch ein Substrat zum Erläutern einer vierten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil;
5a bis 5c schematische Querschnitte durch ein Substrat zum Erläutern einer fünften Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil;
6a und 6b schematische Querschnitte durch eine erste Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei der Querschnitt der 6a senkrecht zu dem Querschnitt der 6b verläuft;
7a und 7b schematische Querschnitte durch eine zweite Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei der Querschnitt der 7a senkrecht zu dem Querschnitt der 7b verläuft;
8a und 8b schematische Querschnitte durch eine dritte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei der Querschnitt der 8a senkrecht zu dem Querschnitt der 8b verläuft;
9 und 10 schematische Querschnitte durch eine vierte und fünfte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
11 und 12 schematische Querschnitte durch eine sechste und eine siebte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
13 und 14 schematische Querschnitte durch eine achte und neunte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
15 einen schematischen Teilquerschnitt durch eine Ausführungsform der Sensorvorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
1a bis 1j zeigen schematische Draufsichten auf ein Substrat zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Bei der hier beschriebenen Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird zuerst ein Substrat 10 zumindest teilweise mit einer (optionalen) ersten Isolierschicht 12 abgedeckt. Es wird darauf hingewiesen, dass sich die Vorteile der ersten Isolierschicht 10 lediglich aufgrund der späteren Verwendung des fertig hergestellten mikromechanischen Bauteils ergeben. Somit kann das Herstellungsverfahren auch zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils ohne die erste Isolierschicht 12 ausgeführt werden.
Das Substrat 10 umfasst vorzugsweise ein Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium. Das Substrat 10 kann insbesondere ein Halbleitersubstrat, z.B. ein Siliziumsubstrat, sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Ausführbarkeit des im Weiteren beschriebenen Herstellungsverfahrens nicht auf ein bestimmtes Material des Substrats 10 limitiert ist.
Die erste Isolierschicht 12 kann beispielsweise eine Oxidschicht sein. Die erste Isolierschicht 12 kann mittels eines Abscheideverfahrens auf das Substrat 10 aufgebracht werden. Alternativ kann auch eine Siliziumoxidschicht als erste Isolierschicht 12 mittels einer thermischen Oxidation auf einem Silizium umfassenden Substrat 10 aufgewachsen werden. Außerdem kann noch mindestens eine Aussparung 14 für einen späteren Kontakt in der ersten Isolierschicht 12 ausgebildet werden. Ein Beispiel für eine mögliche Lage der mindestens einen Aussparung 14 ist in 1a dargestellt.
Optionaler Weise wird das spätere mikromechanische Bauteil mit einer aus zumindest einem Halbleitermaterial ausgebildeten Struktur 16 ausgestattet. Beispielsweise wird eine Gegenelektrode 16 als die Struktur 16 aus zumindest dem Halbleitermaterial auf der ersten Isolierschicht 12 gebildet. Dazu kann eine erste Halbleiterschicht 18, wie beispielsweise eine Polysiliziumschicht, auf der ersten Isolierschicht 12 abgeschieden werden. Die erste Halbleiterschicht 18 kann mit einer senkrecht zu einer Oberseite des Substrats 10 ausgerichteten Dicke von 200 nm bis 8 µm ausgebildet werden. Insbesondere kann ein LPCVD-Verfahren (Low Pressure Chemical Vapour Deposition) zum Abscheiden der ersten Halbleiterschicht 18 ausgeführt werden. Zur Ausbildung der gewünschten Struktur 16 kann die erste Halbleiterschicht 18 anschließend dotiert und/oder strukturiert werden.
Zum Strukturieren der Struktur 16 können Strukturierungsprozesse angewandt werden, welche bevorzugt positive Flanken erzeugen. Insbesondere können isotrope Ätzprozesse zum Bilden der Struktur 16 ausgeführt werden. Die auf diese Weise hergestellten Ätzkanten können während der Folgeschritte mit einem Schutzmaterial, wie beispielsweise einer Oxidschicht, bedeckt werden. Auf diese Weise ist verhinderbar, dass an diesen Ätzkanten ungewollte Ätzungen auftreten.
Bei dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren wird außerdem mindestens ein erster Hohlraum in einer Vielzahl von Gräben 22 in der Struktur 16 ausgebildet, wobei die Gräben 22 zumindest eine Außenseite 24 der Struktur 16 unterteilen. Die Gräben 22 liegen angrenzend an eine später in dem mikromechanischen Bauteil ausgebildete Kaverne. Insbesondere können die Gräben 22 auch ein gitter-, netz- und/oder sternförmiges Muster 20 in der Struktur bilden. Im Ausführungsbeispiel der 1b sind die Gräben 22 als durch die Struktur 16/die erste Halbleiterschicht 18 durchgehende Gräben 22 dargestellt. Alternative Möglichkeiten zum Ausbilden der Gräben 22 werden unten noch beschrieben.
Es wird auch darauf hingewiesen, dass bei dem Ausführen des Herstellungsverfahrens auf eine Nutzung der Struktur 16 zum Ausbilden des mindestens einen ersten Hohlraums verzichtet werden kann. Dies ist vor Allem dann vorteilhaft, wenn keine Ausbildung des fertigen mikromechanischen Bauteils mit der Struktur 16 erwünscht ist. In diesem Fall kann der mindestens eine erste Hohlraum in einer Vielzahl von entsprechenden Gräben, welche die Oberseite des Substrats 10 unterteilen, in dem Substrat 10 ausgebildet werden.
Anschließend wird mindestens eine Opferschicht 26a und 26b auf der von dem Substrat 10 weg gerichteten Außenseite 24 der (aus zumindest dem ersten Halbleitermaterial gebildeten) Struktur 16 aufgebracht. Auf diese Weise kann der mindestens eine erste Hohlraum mittels der mindestens einen Opferschicht 26a und 26b abgedeckt/fertig gebildet werden. (Als Alternative zu der hier beschriebenen Vorgehensweise kann bei einem Verzicht auf die Struktur 16 die mindestens eine Opferschicht 26a und 26b auch auf die Oberseite des Substrats 10 mit den darin ausgebildeten Gräben zum Abdecken des mindestens einen ersten Hohlraums aufgebracht werden.)
Bei der hier beschriebenen Ausführungsform wird zuerst eine zweite Isolierschicht 26a als die mindestens eine Opferschicht 26a abgeschieden. Auch die zweite Isolierschicht 26a kann eine Oxidschicht sein. Außerdem können Aussparungen 28 für spätere Kontaktöffnungen durch die zweite Isolierschicht 26a strukturiert werden, wie dies in 1c dargestellt ist.
Optionaler Weise wird eine Zwischenschicht 30 auf die zweite Isolierschicht 26a abgeschieden. Die optionale Zwischenschicht 30 kann beispielsweise eine Halbleiterschicht, insbesondere eine Polysiliziumschicht, sein. Vorzugsweise weist die Zwischenschicht 30 eine senkrecht zu der Oberseite des Substrats 10 ausgerichtete Dicke zwischen 100 nm bis 4 µm auf. Die Zwischenschicht 30 kann insbesondere mittels eines LPCVD-Verfahrens abgeschieden werden. In dem Beispiel der 1d werden anschließend eine Aufhängestruktur 30a für eine später hergestellte Membran und/oder mindestens ein Kontaktbereich 30b aus der Zwischenschicht 30 strukturiert.
Die Zwischenschicht 30/die daraus strukturierten Bereiche 30a und 30b können mit einer dritten Isolierschicht 26b als der mindestens einen Opferschicht 26a und 26b zumindest teilweise abgedeckt werden. Vorzugsweise umfasst die dritte Isolierschicht 26b das gleiche elektrisch isolierende Material wie die zweite Isolierschicht 26a. Z.B. kann die dritte Isolierschicht 26b auch eine Oxidschicht sein. Auch in die dritte Isolierschicht 26b kann mindestens eine Aussparung 32 eingebracht werden, um beispielsweise die Aufhängestruktur 30a und/oder den mindestens einen Kontaktbereich 30b zumindest teilweise freizulegen, wie dies in 1e dargestellt ist.
Anschließend wird eine Membran 34 aus zumindest dem Halbleitermaterial und/oder einem weiteren Halbleitermaterial gebildet, deren (nicht gezeigte) Innenseite die mindestens eine Opferschicht 26a und 26b zumindest teilweise abdeckt. Dazu kann eine zweite Halbleiterschicht 36, vorzugsweise eine Polysiliziumschicht, oberhalb der mindestens einen Opferschicht 26a und 26b abgeschieden werden. Bevorzugter Weise weist die Membran 34/die zweite Halbleiterschicht 36 senkrecht zu der Oberseite des Substrats 10 eine Schichtdicke zwischen 1 µm bis 50 µm auf. Optionaler Weise kann die Membran 34/die zweite Halbleiterschicht 36 mittels eines CMP-Verfahrens (Chemical Mechanical Polishing) planarisiert werden.
Als Alternative oder als Ergänzung zu der Ausbildung des mindestens einen ersten Hohlraums kann noch mindestens ein zweiter Hohlraum in einer Vielzahl von Vertiefungen 38 in der Innenseite der Membran 34 ausgebildet werden. Der mindestens eine zweite Hohlraum/die Vertiefungen 38 werden angrenzend zu der später in dem mikromechanischen Bauteil gebildeten Kaverne ausgebildet. Die Vertiefungen 38 können insbesondere ein gitter-, netz- und/oder sternförmiges Muster in der Membran 34 bilden. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass unter den Vertiefungen 38 in der Membran 34 keine durch die Membran 34 durchgehenden Aussparungen zu verstehen sind.
Bei dem hier ausgeführten Herstellungsverfahren wird zuerst das zumindest eine Halbleitermaterial und/oder weitere Halbleitermaterial der Innenseite der Membran 34 als LPCVD-Schicht 36a (Low Pressure Chemical Vapour Deposition) aus Silizium abgeschieden. (Das Bezugszeichen 34a zeigt die Lage der späteren Membran 34.) In die LPCVD-Schicht 36a werden durchgehende Aussparungen 40 strukturiert, um die Positionen der später in der Innenseite der Membran 34 ausgebildeten Vertiefungen festzulegen. In 1f ist die LPCVD-Schicht 36a mit beispielhaften Positionen der durchgehenden Aussparungen 40 dargestellt. Anschließend wird die Membran 34/die zweite Halbleiterschicht 36 mittels eines epitaktiven Wachstumsprozesses unter Ausbildung der Vertiefungen 38 mit dem darin vorliegenden mindestens einen zweiten Hohlraum (auf die gewünschte Schichtdicke) verstärkt. Die verstärkte Membran 34/zweite Halbleiterschicht 36 kann somit als eine Epi-Polysiliziumschicht bezeichnet werden.
Optionaler Weise kann noch eine Metallschicht 42, wie beispielsweise eine Aluminiumschicht, auf der Membran 34/der zweiten Halbleiterschicht 36 abgeschieden und strukturiert werden (siehe 1g). Anschließend können aus der Metallschicht 42 Verstärkungen 42a für Teilbereiche der zweiten Halbleiterschicht 36 strukturiert werden. Ebenso können mindestens ein Kontakt 42b und/oder mindestens eine (nicht dargestellte) Leitung aus der Metallschicht 42 gebildet werden.
Eine weitere Strukturierung der zweiten Halbleiterschicht 36 kann erst nach dem Aufbringen/Strukturieren der Metallschicht 42 erfolgen. Beispielsweise kann die Membran 34 mittels eines Trenngrabens 44 von Restbereichen der zweiten Halbleiterschicht 36 getrennt werden. Insbesondere kann mindestens ein durch die zweite Halbleiterschicht 36 durchgehender Ätzkanal 46 zum Freistellen/Unterätzen der Membran 34 gebildet werden. Es wird darauf hingewiesen, dass der mindestens eine Ätzkanal 46 vorteilhafter Weise getrennt/beabstandet von der Membran 34 gebildet werden kann. Somit ist es nicht notwendig, den mindestens einen Ätzkanal 46 als eine durch die Membran 34 durchgehende, und deshalb später wieder zu verschließende Öffnung auszubilden. Ebenso muss der mindestens eine Ätzkanal 46 auch nicht benachbart/angrenzend an die Membran 34 ausgebildet werden. Stattdessen kann der mindestens eine Ätzkanal 46 z.B. auch außerhalb des die Membran 34 umgebenden Trenngrabens 44 und beabstandet von dem Trenngraben 44 liegen.
Mögliche Positionen des mindestens einen Ätzkanals 46 sind in 1h gezeigt. Die Positionen des mindestens einen Ätzkanals 46 sind so gewählt, dass eine Spannung der Membran 34 nicht durch den mindestens einen Ätzkanal 46 beeintrachtigt wird. Insbesondere können die Positionen des mindestens einen Ätzkanals 46 (im Gegensatz zu der Lage des Trenngrabens) so gewählt werden, dass mittels des mindestens einen Ätzkanals 46 Teilbereiche der dritten Isolierschicht 26b an den Stellen freigelegt werden, wo keine Aufhängestruktur 30a/Zwischenschicht 30 zwischen der zweiten Isolierschicht 26a und der dritten Isolierschicht 26b liegt.
In einem bildlich hier nicht dargestellten Verfahrensschritt wird die mindestens eine Opferschicht 26a und 26b zumindest teilweise entfernt. Dies geschieht so, dass eine von der Membran 34 zumindest teilweise überspannte (in Draufsicht nicht erkennbare) Kaverne gebildet wird, welche an einer von der Membran 34 weg gerichteten Seite von der Oberseite des Substrats 10 oder der Außenseite 24 der Struktur 16 begrenzt wird.
Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass vor dem Bilden der Kaverne der mindestens eine erste Hohlraum angrenzend zu einem später zum Bilden der Kaverne entfernten Material der mindestens einen Opferschicht 26a und 26b in einer Vielzahl von Gräben 22 (in dem Substrat 10 oder in der Struktur 16) und/oder der mindestens eine zweite Hohlraum angrenzend zu dem später zum Bilden der Kaverne entfernten Material der mindestens einen Opferschicht in einer Vielzahl von Vertiefungen 38 in der Innenseite der Membran 34 vorliegen. Dies erleichtert das Entfernen des (Teil-)Materials der mindestens einen Opferschicht 26a und 26b zum Bilden der Kaverne erheblich. Vor Allem ist aufgrund des mindestens einen benachbarten Hohlraums eine Unterätzung der Membran 34 ohne Perforation von dieser ausführbar. Stattdessen kann die Membran 34 nur durch den mindestens einen Ätzkanal 46 unterätzt werden. Auch wenn die Ausbildung von mehreren Ätzkanälen 46 zum Unterätzen der Membran 34 vorteilhaft sein kann, wird hier darauf hingewiesen, dass die Verwendung lediglich eines Ätzkanals 46 zum Freistellen der Membran 34 häufig ausreichend ist.
Zum zumindest teilweisen Entfernen des (Teil-)Materials der mindestens einen Opferschicht 26a und 26b wird bevorzugter Weise ein Gas-Phasen-Ätzverfahren ausgeführt. Insbesondere kann bei dem Gas-Phasen-Ätzverfahren HF verwendet werden. Dies gewährleistet die oben schon beschriebenen Vorteile.
In einer Weiterbildung des hier dargestellten Herstellungsverfahrens kann die Membran 34 abgedeckt werden. Eine Abdeckung kann mittels eines Sealglass-Bondens oder eines eutektischen Bondens befestigt werden. Bei einem eutektischen Bonden wird vorzugsweise ein binäres Aluminium-Germanium-System oder ein tertiäres Aluminium-Germanium-Silizium-System verwendet. Vorzugsweise kann eine als Aluminiumschicht ausgebildete Metallschicht 42 einerseits als Kontaktfläche für äußere Kontakte und gleichzeitig zum Bereitstellen von Material für das eutektische Bondsystem verwendet werden. Ein weiteres Bondmaterial 47 wird bevorzugter Weise in/auf den mindestens einen Ätzkanal 46 (siehe 1i) gebracht. Auf diese Weise kann der mindestens eine Ätzkanal 46 gezielt hermetisch verschlossen werden. Dies gewährleistet einen verlässlichen Schutz der Kaverne vor einem Eindringen von Flüssigkeiten oder von Partikeln.
Außerdem kann es günstig sein, in der hermetisch versiegelten Kaverne einen (möglichst geringen) Innendruck als Referenzdruck einzuschließen. Beispielsweise kann der Referenzdruck kleiner als 100 mbar sein. Um einen möglichst stabilen Innendruck zu bekommen, ist es häufig von Vorteil, in der Abdeckung/Verkappung eine Kaverne vorzusehen, um ein gutes Volumen-zu-Oberflächen-Verhältnis zu erzielen. In einer besonders günstigen Erweiterung kann ein Gettermaterial vorgesehen sein, das den Referenzdruck möglichst definiert und bei einem geringen Druck hält.
Beispielsweise kann ein Kappenwafer 48 als Abdeckung festgebondet werden. In dem Kappenwafer 48 kann mindestens eine durchgehende Öffnung 49 ausgebildet sein/werden, über welche bei einem späteren Betrieb des mikromechanischen Bauteil ein Medium/Gas in Kontakt zu der Membran 34 gelangen kann. Es wird darauf hingewiesen, dass insbesondere für eine Druckbeaufschlagung der Membran 34 kleine durchgehende Öffnungen 49 als Kontaktlöcher ausreichend sind, so dass ein verlässlicher Schutz der Membran 34 vor Verschmutzungen, einem Eindringen von Flüssigkeiten und mechanischen Belastungen weiterhin gewährleistet ist. Die Ausbildung der durchgehenden Öffnungen 49 in der Ausführungsform der 1j ist jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
2a bis 2c zeigen schematische Querschnitte durch ein Substrat zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Die 2a bis 2c geben eine besonders vorteilhafte Vorgehensweise zum Ausbilden des mindestens einen ersten Hohlraums benachbart zu dem später zum Bilden der Kaverne entfernten (Teil-)Material der mindestens einen Opferschicht 26a und 26b wieder. Dazu wird auf der Struktur 16 zuerst eine Maskenschicht 50, beispielsweise eine Oxidschicht, abgeschieden und strukturiert. In die Maskenschicht 50 können insbesondere relativ schmale durchgehende Aussparungen 52, wie in 2a skizziert, hineinstrukturiert werden.
Anschließend kann die Struktur 16 mittels eines Ätzverfahrens, welches eine starke Unterätzung der Maskenschicht 50 ermöglicht, strukturiert werden. Auf diese Weise können die Gräben 22 zumindest durch die von dem Substrat 10 weg gerichtete Außenseite 24 der Struktur 16 strukturiert werden. Wie in 2b erkennbar ist, können die Gräben 22 mit einer maximalen Ätztiefe gebildet werden, welche kleiner als eine Schichtdicke der Struktur 16 senkrecht zu der Oberseite des Substrats 10 ist.
2c gibt das Verschließen der Gräben 22 unter Einschluss/Abdeckung des mindestens einen ersten Hohlraums wieder. Zum Verschließen der Gräben 22 wird die mindestens eine Opferschicht 26a auf die Maskenschicht 50 abgeschieden. Wie oben bereits erwähnt, kann auch für die mindestens eine Opferschicht 26a und 26b eine Oxidschicht verwendet werden. Das zumindest teilweise Mitentfernen der Maskenschicht 50 ist somit beim Bilden der Kaverne leicht ausführbar.
3a bis 3d zeigen schematische Querschnitte durch ein Substrat zum Erläutern einer dritten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Auch die 3a bis 3d geben eine vorteilhafte Vorgehensweise zum Ausbilden des mindestens einen ersten Hohlraums benachbart zu dem später zum Bilden der Kaverne entfernten (Teil-)Material der mindestens einen Opferschicht 26a und 26b wieder. Zu Beginn dieser Vorgehensweise werden schmale durchgehende Gräben 54 durch die Struktur 16 gebildet, wie sie in 3a beispielhaft dargestellt sind.
Die durchgehenden Gräben 54 können anschließend mittels einer Materialabscheidung (z.B. mit einem Oxid) verfüllt werden. Wie in 3b dargestellt ist, kann mittels der Materialabscheidung auch eine Maskenschicht 56 auf der Außenseite 24 der Struktur 16 abgeschieden werden, in welcher Ätzzugänge 58 ausbildbar sind. Die Positionen der Ätzzugänge 58 können so gewählt werden, dass mindestens ein Ätzzugang 58 einen zwischen zwei gefüllten Gräben 54 liegenden Teilbereich der Struktur 16 zumindest teilweise freiliegt.
Mittels eines isotropen Ätzschritts kann anschließend der mindestens eine zwischen zwei Gräben 54 liegende Teilbereich der Struktur 16, wie in 3c dargestellt, entfernt werden. Anschließend kann die mindestens eine Opferschicht 26a zum Verschließen der Ätzzugänge 58 unter Einschluss/Abdeckung des mindestens einen ersten Hohlraums abgeschieden werden. Wie am Beispiel der 3d erkennbar ist, können somit auch mehrere Kammern 60 in einem Graben 22 für den mindestens einen Hohlraum mittels der hier beschriebene Vorgehensweise gewonnen werden.
4a bis 4c zeigen schematische Querschnitte durch ein Substrat zum Erläutern einer vierten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Bei der mittels der 4a bis 4c schematisch wiedergegebenen vorteilhaften Vorgehensweise zum Ausbilden des mindestens einen ersten Hohlraums benachbart zu dem später zum Bilden der Kaverne entfernten (Teil-)Material der mindestens einen Opferschicht 26a und 26b wird zuerst mindestens ein vergleichsweise dünner Graben 62 in die Struktur 16 hinein getrencht. Vorzugsweise wird dabei der mindestens eine dünne Graben 62 senkrecht zu der Oberseite des Substrats 10 ausgerichtet. Eine Länge des mindestens einen dünnen Grabens 22 wird bevorzugter Weise kleiner als eine Schichtdicke der Struktur 16 senkrecht zu der Oberseite des Substrats 10 gewählt. Dies ist in 4a schematisch wiedergegeben.
Anschließend wird mittels eines isotropen Ätzschritts das mindestens eine zu dem Substrat 10 ausgerichtete Ende des mindestens einen dünnen Grabens 62 erweitert und vertieft. Insbesondere kann auf diese Weise an dem jeweiligen Ende des mindestens einen dünnen Grabens 62 eine Verbreiterung 64 mit einer abgerundeten Form, wie in 4b skizziert, gebildet werden.
Wie in 4c dargestellt ist, kann der mindestens eine Graben 62 mit der Verbreiterung 64 anschließend durch Abscheiden der mindestens einen Opferschicht 26a verschlossen werden. Der auf diese Weise eingeschlossene mindestens eine erste Hohlraum hat einen vergleichsweise großen Durchmesser, der auch bei einer vergleichsweise dicken Ausbildung der Membran 34 noch eine gute Unterätzung von dieser in einem nachfolgenden Ätzschritt zum zumindest teilweisen Entfernen der mindestens einen Opferschicht 26a und 26b erlaubt.
5a bis 5c zeigen schematische Querschnitte durch ein Substrat zum Erläutern einer fünften Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Die 5a bis 5c zeigen eine besonders vorteilhafte Vorgehensweise zum Ausbilden des mindestens einen zweiten Hohlraums benachbart zu dem später zum Bilden der Kaverne entfernten (Teil-)Material der mindestens einen Opferschicht 26a und 26b. Dazu wird das zumindest eine erste Halbleitermaterial und/oder eine zweite Halbleitermaterial der Innenseite der Membran 34 als LPCVD-Schicht 36a abgeschieden. Wie in 5a schematisch dargestellt ist, können durchgehende Aussparungen 40 in die LPCVD-Schicht 36a hineinstrukturiert werden. Insbesondere können die durchgehenden Aussparungen 40 in die LPCVD-Schicht 36a geätzt werden.
Wie in 5b wiedergegeben, kann die Membran 34 anschließend mittels eines epitaktischen Wachstumsprozesses unter Ausbildung der Vertiefungen 38 (an ihrer Innenseite) mit dem mindestens einen zweiten Hohlraum verstärkt werden. Dazu wird die zuvor strukturierte LPCVD-Schicht 36a als Startschicht/Keimschicht für ein (schnelles) epitaktisches Wachstumsverfahren verwendet. Da während eines epitaktischen Wachstumsverfahrens in der Regel nur an der Startschicht/Keimschicht Material abgeschieden wird, entstehen innerhalb der Innenseite der Membran 34 während des epitaktischen Wachstumsprozesses die Vertiefungen 38. Die Vertiefungen 38 können insbesondere an Randbereichen der Membran 34 ausgebildet werden.
Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass unter den Vertiefungen 38 keine durch die Membran 34 durchgehenden Öffnungen zu verstehen sind. Stattdessen können die Vertiefungen 38 auch als an der Innenseite der Membran 34 ausgebildete Einwölbungen umschreibbar sein. Optionaler Weise kann noch die in 5c dargestellte weitere Isolierschicht 66 auf der Membran 34 abgeschieden werden.
Der in den Vertiefungen 38 eingeschlossene mindestens eine zweite Hohlraum kann anschließend während des Unterätzens der Membran 34 zur Verbesserung der Ätzeffizienz vorteilhaft genutzt werden. Dies erlaubt ein verlässliches Entfernen der mindestens einen Opferschicht 26a und 26b auch in häufig schwer zu erreichenden Bereichen, wie z.B. Randbereichen der Membran 34.
In der Ausführungsform der 5a bis 5c wird auf die Anordnung einer Struktur 16 zwischen dem Substrat 10 und der später gebildeten Membran 24 verzichtet. Die mittels der 5a bis 5c wiedergegebenen Verfahrensschritte können jedoch auch bei einem Vorliegen der Struktur 16, beispielsweise als Gegenelektrode 16, zwischen dem Substrat 10 und der Membran 34 ausgeführt werden.
Die im Weiteren beschriebenen mikromechanischen Bauteile sind beispielsweise mittels eines der zuvor ausgeführten Herstellungsverfahren herstellbar. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die mikromechanischen Bauteile auch mittels einer Ausführung eines leicht abgewandelten Herstellungsverfahrens herstellbar sind.
6a und 6b zeigen schematische Querschnitte durch eine erste Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei der Querschnitt der 6a senkrecht zu dem Querschnitt der 6b verläuft.
Das mikromechanische Bauteil der 6a und 6b umfasst ein Substrat 10 und eine Membran 34 aus zumindest einem Halbleitermaterial, welche eine Kaverne 70 zumindest teilweise überspannt. Insbesondere kann die Membran 34 die Kaverne 70 auch vollständig überspannen. Optionaler Weise weist das mikromechanische Bauteil auch eine Struktur 16 aus zumindest dem Halbleitermaterial und/oder einem weiteren Halbleitermaterial auf. Die Kaverne 70 ist an einer von der Membran 34 weg gerichteten Seite von einer Oberseite 72 des Substrats 10 oder von einer von dem Substrat 10 weg gerichteten Außenseite 74 der Struktur 16 (aus zumindest dem Halbleitermaterial und/oder weiteren Halbleitermaterial) begrenzt.
Insbesondere kann das mikromechanische Bauteil eine Gegenelektrode 16 als die Struktur 16 (aus zumindest dem Halbleitermaterial und/oder weiteren Halbleitermaterial) umfassen, welche zumindest teilweise in die Kaverne 70 hineinragt oder die Kaverne 70 an einer von der Membran 34 weg gerichteten Seite begrenzt. Eine Ausstattung des mikromechanischen Bauteils mit einer derartigen Struktur 16 ermöglicht dessen vorteilhafte Verwendbarkeit für einen Sensor, wie insbesondere für Drucksensor. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Ausbildung der Struktur 16 als Gegenelektrode 16 und die Ausstattung des mikromechanischen Bauteils mit der Struktur 16 lediglich beispielhaft zu interpretieren ist.
Das in 6a dargestellte mikromechanische Bauteil weist eine Vielzahl von Gräben 22 auf, welche in der Struktur 16 so ausgebildet sind, zumindest die von der Kaverne 70 freigelegte Außenseite 24 der Struktur 16 von der Vielzahl der Gräben 22 unterteilt ist. Insbesondere können die Gräben 22 ein gitter-, netz- und/oder sternförmiges Muster 20 auf der Struktur 16 bilden.
Als Alternative dazu kann eine Vielzahl von Graben jedoch auch (in Abwesenheit der Struktur 16) in dem Substrat 10 so ausgebildet sein, dass die von der Kaverne 70 freigelegte Oberseite 72 des Substrats 10 von der Vielzahl von Gräben unterteilt ist. Auch in diesem Fall kann ein gitter-, netz- und/oder sternförmiges Muster von Gräben in der Oberseite 72 des Substrats 10 ausgebildet sein. Ebenso kann das mikromechanische Bauteil eine Vielzahl von (nicht dargestellten) Vertiefungen 38 an einer Innenseite 74 der Membran 34 aufweisen, welche von der Kaverne 70 freigelegt sind. Auch die Vertiefungen 38 können ein gitter-, netz- und/oder sternförmiges Muster in der zu der Kaverne 70 ausgerichteten Innenseite 74 der Membran 34 bilden.
Wie oben bereits ausgeführt ist, erleichtert die Vielzahl von Gräben 22 in der Struktur 16, die Vielzahl von Gräben in der Oberseite 72 des Substrats 10 und/oder die Vielzahl von Vertiefungen 38 in der Innenseite 74 der Membran 34 ein Unterätzen der Membran 34 und ermöglicht damit die einfachere und kostengünstigere Herstellbarkeit des mikromechanischen Bauteils. Zum Herstellen des mikromechanischen Bauteils der 6a und 6b kann insbesondere das Herstellungsverfahren der 4a bis 4c angewandt werden.
Die Gräben 22 in der Struktur 16, bzw. die Gräben in der Oberseite 72 des Substrats 10, können ein Längen/Breiten-Verhältnis von mindestens 3, vorteilhafterweise von mindestens 10, insbesondere von mindestens 100, aufweisen. Beispielsweise können die Gräben 22 in der Struktur 16, bzw. die Gräben in der Oberseite 72 des Substrats 10, eine Breite kleiner als 10 µm, insbesondere kleiner als 5 µm, bevorzugter Weise kleiner als 3 µm, aufweisen. Auch die Vertiefungen 38 in der Innenseite 74 der Membran 34 können ein Längen/Breiten-Verhältnis von mindestens 3, vorteilhafterweise von mindestens 10, insbesondere von mindestens 100, haben. Entsprechend können auch die Vertiefungen 38 in der Innenseite 74 der Membran 34 mit einer Breite kleiner als 10 µm, wie beispielsweise kleiner als 5 µm, bevorzugter Weise kleiner als 3 µm, ausgebildet sein.
Demgegenüber kann die Membran 34 senkrecht zu der Oberseite 72 des Substrats 10 mit einer Schichtdicke zwischen 10–600 µm ausgebildet sein. Selbst bei einer derartigen vergleichsweise dicken Ausbildung der Membran 34 ist diese mittels der oben beschriebenen Vorgehensweisen noch gut unterätzbar. Außerdem muss bei einem Unterätzen der Membran 34 kein Sticking von dieser an das Substrat 10 oder die Struktur 16 befürchtet werden. Oxidreste unter der Membran 34, welche herkömmlicher Weise aufgrund des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium und Oxid eine temperaturabhängige Verbiegung der Membran 34 bewirken können, treten bei dem mikromechanischen Bauteil aufgrund des verlässlichen Unterätzens der Membran 34 ebenfalls nicht auf.
In der Ausführungsform der 6a und 6b ist die als Gegenelektrode 16 ausgebildete Struktur 16 aus einer ersten Halbleiterschicht 18 herausstrukturiert. Mittels einer ersten Isolierschicht 12 ist die Struktur 16 zumindest abschnittsweise von dem Substrat 10 elektrisch isoliert. Eine zumindest abschnittsweise elektrische Isolierung zwischen der Struktur 16 und der Membran 34 ist mittels zumindest einer zweiten Isolierschicht 26a, welche teilweise auch als die mindestens eine Opferschicht 26a Material zum späteren Bilden der Kaverne 70 bereitstellt, möglich. Die Membran 34 ist aus einer zweiten Halbleiterschicht 36 herausstrukturiert. Aus der zweiten Halbleiterschicht 36 können auch ein erster Kontakt 76a für die als Gegenelektrode ausgebildete Struktur 16 (siehe 6a) und ein zweiter Kontakt 76b für die Membran 34 (siehe 6b) ausgebildet sein. Aus einer Metallschicht 42 können Leiterbahnen für die Kontakte 76a und 76b strukturiert sein.
Als Weiterbildung weist das mikromechanische Bauteil auch eine Verkappung 48 auf. Die Verkappung 48 kann aus einem Kappenwafer herausstrukturiert sein und mittels mindestens einer Bondverbindung 80 mit Bereichen der zweiten Halbleiterschicht 36 verbunden sein. (Insbesondere ein Ätzzugang 78 zum Unterätzen der Membran 34 kann mittels der mindestens einen Bondverbindung 80 hermetisch abgedichtet sein, wie in 6b dargestellt ist.)
Über der Membran 34 kann die Verkappung 48 eine beispielsweise Öffnung 82 haben, so dass die Membran 34 beispielsweise mit einem Druck beaufschlagbar ist. Wie anhand der 6a und 6b erkennbar ist, kann der auf die Membran 34 ausgeübte Druck deren Wölbung in Richtung auf die Gegenelektrode 16 bewirken, so dass eine dem Druck entsprechende Kapazitätsänderung an den Kontakten 76a und 76b feststellbar ist. Das mikromechanische Bauteil der 6a und 6b eignet sich deshalb besonders gut für die Realisierung eines Drucksensors.
Optional kann noch mindestens ein elektrisch entkoppelten Anschlag an der Membran 34 und/oder der Struktur 16 ausgebildet sein. Durch die Verwendung mindestens eines elektrisch entkoppelten Anschlags können ein elektrischer Kurzschluss, ein Verschweißen der Membran 34 mit der Struktur oder eine Schädigung der Auswerteelektronik bei einem Anlegen der Membran 34 an die Struktur 16 (selbst bei Verwendung sehr kleiner Anschlagflächen) verhindert werden.
7a und 7b zeigen schematische Querschnitte durch eine zweite Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei der Querschnitt der 7a senkrecht zu dem Querschnitt der 7b verläuft.
Wie anhand der 7a und 7b erkennbar ist, können anstelle einer vergleichsweise großen Öffnung auch mehrere parallel zueinander verlaufende durchgehende Trenngräben über der Membran 34 in der Verkappung 78 ausgebildet sein. Auch eine derartige Unterteilung eines mittleren Bereichs der Verkappung 78 in mehrere parallel zueinander verlaufende stegförmige Bereiche 86 gewährleistet eine gute Druckbeaufschlagung der Membran 34.
Außerdem weist das mikromechanische Bauteil der 7a und 7b auch eine Aufhängestruktur 30a zum Aufspannen/Abstützen der Membran 34 auf. Die Ausstattung des mikromechanischen Bauteils mit der Aufhängestruktur 30a erleichtert die elektrische und mechanische Entkopplung der Membran 34 von der Verkappung 78. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Membran 34 über eine Kontaktfläche, welche eine Innenfläche der Membran 34 vollständig umgibt/umrahmt, mit der Aufhängestruktur 30a verbunden sein. Mittels eines Überstands 30c der Aufhängestruktur 30a, welche über einen Verankerungsbereich 30d der Membran 34 an der Aufhängestruktur 30a hinausragt, ist gewährleistbar, dass unterhalb der Aufhängestruktur 30a Teilbereiche 26c der mindestens einen Opferschicht 26a und 26b vom Wegätzen verschont bleibt. Auf diese Weise kann ein Membrandurchmesser sehr genau definiert werden. Entsprechend ist auch eine Empfindlichkeit des Sensorelements sehr genau definierbar.
Ansonsten wird bezüglich der Komponenten der Ausführungsform der 7a und 7b auf das zuvor beschriebene mikromechanische Bauteil verwiesen.
8a und 8b zeigen schematische Querschnitte durch eine dritte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei der Querschnitt der 8a senkrecht zu dem Querschnitt der 8b verläuft.
Bei dem in 8a und 8b schematisch wiedergegebenen mikromechanischen Bauteil sind die Gräben 22 durch die Struktur 16 durchgehend ausgebildet. Während des Unterätzens der Membran 34 kann somit auch über die Gräben 22 ein zwischen der Struktur 16 und dem Substrat 10 liegender Bereich der ersten Isolierschicht 12 entfernt werden.
9 und 10 zeigen schematische Querschnitte durch eine vierte und fünfte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Auch die in 9 und 10 schematisch dargestellten mikromechanischen Bauteile weisen Membranen 34 auf, welche sich an einer aus der Zwischenschicht 30 herausstrukturierten Aufhängestruktur 30a abstützen. Außerdem ist bei den mikromechanischen Bauteilen der 9 und 10 der zweite Kontakt 76b aus dem Substrat 10 heraus strukturiert. Dazu sind durchgehende Aussparungen 88 (through silicon vias) durch das Substrat 10 strukturiert/geätzt. Auf einer von den Komponenten 16 und 34 weg gerichteten Rückseite des Substrats 10, welche optionaler Weise mit einer Isolierschicht 91 zumindest teilweise abgedeckt ist, können Leiterbahnen 90 und Bondverbindungen 92 ausgebildet sein, über welche ein elektrischer Kontakt zu der als Gegenelektrode 16 ausgebildeten Struktur 16 gewährleistet ist.
Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen weist das mikromechanische Bauteil der 10 einen zwischen der Verkappung 78 und der zweiten Halbleiterschicht 36 verlaufenden Kanal 94 auf, welcher sich von einem äußeren Bereich des mikromechanischen Bauteils bis zu der Membran 34 erstreckt und über welchen die Membran 34 mit einem Druck beaufschlagbar ist. Somit ist, insbesondere in Kombination mit den durch das Substrat 10 verlaufenden Aussparungen 88, keine Strukturierung der Verkappung 78 nötig.
11 und 12 zeigen schematische Querschnitte durch eine sechste und eine siebte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Die in 11 und 12 schematisch dargestellten mikromechanischen Bauteile weisen anstelle einer aus einem Kappenwafer herausstrukturierten Verkappung ein schaltungsbestücktes weiteres Substrat 96, wie beispielsweise einen ASIC, auf. Das schaltungsbestückte weitere Substrat 96 kann beispielsweise mit einer Betreiber- und/oder einer Auswerteschaltung zum Betreiben des mikromechanischen Bauteils als Sensorkomponente und/oder zum Auswerten von damit ermittelten Sensorsignalen ausgestattet sein. An dem schaltungsbestückten weiteren Substrat 96 können Leiterbahnen 90 und Bondverbindungen 92 derart ausgebildet sein, dass ein elektrischer Kontakt und/oder eine Signalübertragung von einer von der Membran 34 weg gerichteten Seite des schaltungsbestückten weiteren Substrats 96 möglich ist. Eine derartige Führung der elektrischen Kontakte nach außen erlaubt einen kompakten Aufbau des mikromechanischen Bauteils und erleichtert dessen Betrieb.
Eine Druckbeaufschlagung der Membran 34 kann entweder über den seitlichen Kanal 94 (siehe 11) oder über einen durch das Substrat, die Isolierschichten 12, 26a und 26b, die Zwischenschicht 30, die erste Halbleiterschicht 18, und/oder die zweite Halbleiterschicht 36 strukturierten Rückseitenkanal 98 (siehe 12) erfolgen.
13 und 14 zeigen schematische Querschnitte durch eine achte und neunte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Die Ausführungsformen der 13 und 14 sind Kombinationen der zuvor erläuterten Ausführungsformen. Die mikromechanischen Bauteile der 13 und 14 weisen anstelle einer aus einem Kappenwafer gebildeten Verkappung das schaltungsbestückte weitere Substrat 96 auf. Außerdem sind an den von den Membranen 34 weg gerichteten Rückseiten der Substrate 10 mittels der Leiterbahnen 90 und der Bondverbindungen 92 Kontakte ausgebildet, welche mit aus den Substraten 10 herausstrukturierten Kontakten 76b elektrisch verbunden sind. Mittels der Trenngräben 100 und 102 sind jeweils Zwischenkontakte 104 und 106 aus den Halbleiterschichten 18 und 36 herausstrukturiert, mittels welchen eine elektrische Verbindung einer Rückseite eines Substrats 10 zu einem schaltungsbestückten weiteren Substrat 96 realisiert ist.
Alle oben beschriebenen Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils können in einer Sensorvorrichtung eingesetzt werden. Eine auf diese Weise realisierte Sensorvorrichtung kann insbesondere eine Funktion eines Drucksensors ausführen. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Sensorvorrichtung jedoch auch die Funktionen eines Beschleunigungs-, eines Drehraten- und/oder eines Magnetfeldsensors ausführen. Eine Weiterbildung jedes der oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile als (Teil eines) Beschleunigungssensors ist beispielsweise möglich, indem eine seismische Masse an der Membran 34 befestigt wird. Auch zum Messen eines Magnetfelds kann jedes der oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile eingesetzt werden, wenn ein magnetisiertes Teil an der Membran 34 angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung können auch mehrere mikromechanische Bauteile mit jeweils einer Membran 34 ausgebildet sein. In diesem Fall kann eine unterschiedlich große Ausbildung der Membranen 34 vorteilhaft sein, um für verschiedene Messbereiche, wie beispielsweise für verschiedene Druckbereiche, mindestens eine sensitive Membran 34 zu haben. Insbesondere können unterschiedlich große Membranen 34 parallel geschaltet werden, um entweder ein nicht ganz lineares Verformen einer einzelnen Membran 34 zu linearisieren, eine Kombination vieler unterschiedlicher Membranen 34 zu linearisieren oder um bewusst eine nicht-lineare Kennlinie, mit welcher ein größerer Messbereich/Druckbereich auflösbar ist, zu erzeugen. Alternativ können an einer Sensorvorrichtung mehrere gleichartige Membranen 34 parallel angeordnet werden, um ein insgesamt resultierendes Sensorsignal zu steigern, wobei gleichzeitig eine Größe und ein Durchwölbungsgrad der einzelnen Membranen 34 gering haltbar ist.
In einer Weiterbildung der Sensorvorrichtung kann auch eines der zuvor beschriebenen mikromechanischen Bauteile in abgewandelter Form als Referenzkapazität verwendet werden. Zum Realisieren der Referenzkapazität können insbesondere nahe einer Mitte der Membran 34 Restbereiche der mindestens einen Opferschicht 26a und 26b belassen werden. Dies ist insbesondere über ein Weglassen der Gräben 22 und Vertiefungen 38 leicht realisierbar. Bei Vorhandensein von mindestens einer Referenzkapazität kann über eine Messung der Differenz der beiden Kapazitäten mit besonders hoher Genauigkeit auf den zu messenden Messwert, wie beispielsweise auf einen außen anliegenden Druck, geschlossen werden. Ein mögliches Driften der Kapazitäten aufgrund von einer Veralterung des mikromechanischen Bauteils oder einer extremen Temperatur kann auf diese Weise herausgefiltert werden.
Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, im hermetisch abgeschlossenen Bereich neben dem realisierten Drucksensor auch einen Drehraten-, Beschleunigungs- und/oder Magnetfeldsensor anzuordnen. Alle diese Sensoren sind wahlweise ein-, zwei- oder dreikanalig ausführbar.
15 zeigt einen schematischen Teilquerschnitt durch eine Ausführungsform der Sensorvorrichtung.
Die Sensorvorrichtung weist als Ergänzung zu mindestens einem der oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile noch die in 15 schematisch dargestellten Komponenten auf. Beispielsweise ist eine bewegliche Struktur 110 ebenfalls aus der zweiten Halbleiterschicht 36 herausstrukturiert. Die bewegliche Struktur 110 kann z.B. eine seismische Masse (für einen Beschleunigungs- oder Drehratensensor) oder eine Spule (für einen Magnetfeldsensor) sein. Eine Elektrode 112 zum Erkennen einer Verstellbewegung der beweglichen Struktur 110 kann aus der ersten Halbleiterschicht 18 gebildet sein. Die Prozesse zum Herstellen der Komponenten 110 und 112 sind leicht in die oben ausgeführten Herstellungsverfahren integrierbar. Somit kann die erfindungsgemäße Technologie auch zum Erzeugen von Sensorvorrichtungen mit einer Vielzahl von sensitiven Elementen für verschiedene physikalische Größen verwendet werden. Die erfindungsgemäße Technologie erlaubt dabei auch eine Integration eines kapazitiven Drucksensors, eines kapazitiven Beschleunigungssensors, eines kapazitiven Drehratensensors und/oder eines Magnetfeldsensors auf/in demselben Chip.
Die Sensorvorrichtung kann mit bekannten kapazitiven Auswerteschaltungen, beispielsweise mit Auswerteschaltungen von Beschleunigungssensoren, betrieben werden Insbesondere können kombinierte Sensoren über eine rein kapazitive Auswerteschaltung gemeinsam ausgewertet werden. Bei einer geeigneten Auslegung eines kapazitiven Drucksensors kann beispielsweise die Frontenarchitektur eines Beschleunigungssensors der gleichen Sensorvorrichtung auch für den kapazitiven Drucksensor verwendet werden. Entweder über Multiplexen eines gemeinsamen Frontends für Druck und Beschleunigung oder über einen weiteren Frontendkanal ist dies einfach realisierbar.
Die vorteilhafte Sensorvorrichtung kann beispielsweise in einem Konsumer-Endgerät, wie insbesondere in einem Mobiltelefon, eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0714017 A1 [0002]

Claims

Mikromechanisches Bauteil mit: einem Substrat (10); und einer Membran (34) aus zumindest einem Halbleitermaterial, welche eine Kaverne (70) zumindest teilweise überspannt, wobei die Kaverne (70) an einer von der Membran (34) weg gerichteten Seite von einer Oberseite (72) des Substrats (10) oder von einer von dem Substrat (10) weg gerichtete Außenseite (24) einer Struktur (16) aus zumindest dem Halbleitermaterial und/oder einem weiteren Halbleitermaterial begrenzt ist; gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Gräben (22), welche in dem Substrat (10) oder in der Struktur (16) so ausgebildet sind, dass die von der Kaverne (70) freigelegte Oberseite (72) des Substrats (10) oder zumindest die von der Kaverne (70) freigelegte Außenseite (24) der Struktur (16) von der Vielzahl von Gräben (22) unterteilt ist; und/oder eine Vielzahl von Vertiefungen (38) an einer Innenseite (74) der Membran (34), welche von der Kaverne (70) freigelegt sind.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei das mikromechanische Bauteil eine Gegenelektrode (16) als die Struktur (16) aus zumindest dem Halbleitermaterial und/oder dem weiteren Halbleitermaterial umfasst.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gräben (22) und/oder die Vertiefungen (38) eine Breite kleiner als 10 µm aufweisen.
Sensorvorrichtung mit einem mikromechanischen Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Schritten: Aufbringen mindestens einer Opferschicht (26a, 26b) auf eine Oberseite (72) eines Substrats (10) oder eine von dem Substrat (10) weg gerichtete Außenseite (24) einer Struktur (16) aus zumindest einem Halbleitermaterial; Bilden einer Membran (34) aus zumindest dem Halbleitermaterial und/oder einem weiteren Halbleitermaterial, deren Innenseite (74) die mindestens eine Opferschicht (26a, 26b) zumindest teilweise abdeckt; und Entfernen der mindestens einen Opferschicht (26a, 26b) zumindest teilweise so, dass eine von der Membran (34) zumindest teilweise überspannte Kaverne (70) gebildet wird, welche an einer von der Membran (34) weg gerichteten Seite von der Oberseite (72) des Substrats (10) oder von der Außenseite (24) der Struktur (16) begrenzt wird; dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Bilden der Kaverne (70) mindestens einer der Schritte ausgeführt wird: Ausbilden mindestens eines ersten Hohlraums angrenzend zu einem später zum Bilden der Kaverne (70) entfernten Material der mindestens einen Opferschicht (26a, 26b) in einer Vielzahl von Gräben (22) in dem Substrat (10) oder in der Struktur (16), welche die Oberseite (72) des Substrats (10) oder zumindest die Außenseite (24) der Struktur (16) unterteilen; und/oder Ausbilden mindestens eines zweiten Hohlraums angrenzend zu dem später zum Bilden der Kaverne (70) entfernten Material der mindestens einen Opferschicht (26a, 26b) in einer Vielzahl von Vertiefungen (38) in der Innenseite (74) der Membran (34).
Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, wobei zum Entfernen des Materials der mindestens einen Opferschicht (26a, 26b) ein Gas-Phasen-Ätzverfahren ausgeführt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei vor dem Aufbringen der mindestens einen Opferschicht (26a, 26b) eine Gegenelektrode (16) als die Struktur (16) aus zumindest dem Halbleitermaterial und/oder dem weiteren Halbleitermaterial gebildet wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Vielzahl von Gräben (22) in das Substrat (10) oder in die Struktur (16) geätzt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das zumindest eine Halbleitermaterial und/oder weitere Halbleitermaterial der Innenseite (74) der Membran (34) als LPCVD-Schicht (36a) abgeschieden wird, in welche durchgehende Aussparungen (40) zum Festlegen von Positionen der darin später ausgebildeten Vertiefungen (38) strukturiert werden, und wobei die Membran (34) mittels eines epitaktischen Wachstumsprozesses unter Ausbildung der Vertiefungen (38) mit dem darin vorliegenden mindestens einen zweiten Hohlraum verstärkt wird.
Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung mit dem Schritt: Anordnen eines mikromechanischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder eines gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9 hergestellten mikromechanischen Bauteils in und/oder an der Sensorvorrichtung.