DE102013217726B4

DE102013217726B4 - Mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensorvorrichtung und Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102013217726B4
Application number: DE102013217726.7A
Authority: DE
Inventors: Heribert Weber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2021-07-29
Anticipated expiration: 2033-09-06
Also published as: US20150061049A1; DE102013217726A1; US9518877B2

Abstract

Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensorvorrichtung mit den Schritten:Bilden einer ersten Elektrode (10) zumindest teilweise aus einer ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (13); undAbscheiden zumindest einer Isolierschicht (18) über der ersten Elektrode (10);Bilden zumindest einer zu der ersten Elektrode (10) ausgerichteten Innenseite einer Schicht (20) einer zweiten Elektrode (36) aus einer zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (21) auf der Isolierschicht (18), wobei durch die die Innenseite bildende Schicht (20) der zweiten Elektrode (36) durchgehende Aussparungen (22) strukturiert werden;Bilden eines Hohlraums (26) zwischen der ersten Elektrode (10) und der die Innenseite bildende Schicht (20) der zweiten Elektrode (36) durch Wegätzen eines Teilbereichs zumindest der Isolierschicht (18) durch die durchgehenden Aussparungen (22) in der die Innenseite bildende Schicht (20) der zweiten Elektrode (36) hindurch; undAbdichten der durchgehenden Aussparungen (22) in der die Innenseite bildende Schicht (20) der zweiten Elektrode (36) nach dem Bilden des Hohlraums (26) mittels einer Verschlussschicht (28); undBilden mindestens einer Verstärkungsschicht (34) der zweiten Elektrode (36) und mindestens eines an der ersten Elektrode (10), der die Innenseite bildende Schicht (20) der zweiten Elektrode (36), einer ersten Leiterbahn (10a) aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (13), einer zweiten Leiterbahn (20a) aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (21) und/oder einem leitfähigen Substratbereich (50d) elektrisch angebundenen Kontaktelements (38a bis 38f) aus mindestens einer Epi-Polysiliziumschicht (40), wobei mittels der innersten mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht (40) zumindest ein die durchgehenden Aussparungen (22) in der die Innenseite bildende Schicht (20) der zweiten Elektrode (36) abdichtender Teilbereich (42) der Verschlussschicht (28) und mindestens eine mittels mindestens einer Kontaktöffnung (30a, 30b, 30d, 30e) freigelegte Teilfläche (32a bis 32e) der ersten Elektrode (10), der die Innenseite bildende Schicht (20) der zweiten Elektrode (36), der ersten Leiterbahn (10a), der zweiten Leiterbahn (20a) und/oder des leitfähigen Substratbereichs (50d) abgedeckt werden,wobei die erste Elektrode (10) auf zumindest einer weiteren Isolierschicht (12, 16a), welche eine Oberseite (14) eines ersten Substrats (16, 16', 16b) zumindest teilweise abdeckt, gebildet wird, und wobei ein zweites Substrat (70) über mindestens eine Bond-, Löt- und/oder Klebeverbindung an der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht (40) befestigt wird, undwobei das erste Substrat (16, 16', 16b) nach einem Befestigen des zweiten Substrats (70) über die mindestens eine Bond-, Löt- und/oder Klebeverbindung an der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht (40) weggeätzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensorvorrichtung und eine kapazitive Sensorvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensorvorrichtung und für eine kapazitive Sensorvorrichtung.
Stand der Technik
In der EP 0 714 017 A1 ist ein mikromechanisch herstellbarer Drucksensor beschrieben. Der Drucksensor weist als erste Elektrode einen dotierten Bereich eines Substrats und als zweite Elektrode eine Membranschicht auf, wobei die Membranschicht einen den dotierten Bereich des Substrats zumindest teilweise freilegenden Hohlraum überspannt. In die Membranschicht sind durchgehende Aussparungen zum Freilegen des Hohlraumes unterhalb der Membranschicht strukturiert, welche mittels einer Verschlussschicht abgedichtet sind. Optionaler Weise können weitere Schichten auf die Verschlussschicht aufgebracht sein.
Aus der Schrift DE 699 36 794 T2 ist ein Halbleitersensor mit einer Mikroholstruktur bekannt, bei der eine erste feste Elektrode und eine als bewegliche Elektrode dienende Membran vorgesehen ist. Auf die Membran wird zunächst ein Siliziumoxidfilm und auf diesen ein Polysiliziumfilm abgeschieden, mittels dem das Eindringen von Feuchtigkeit verhindert wird.
Aus der Schrift US 2009/0 127 590 A1 ist ein Membransensor bekannt, der zur Erfassung der Durchbiegung der Membran Elektroden aufweist. Die Membran ist dabei mit einem Schutzfilm bedeckt.
Weitere Sensoren dieser Art sind aus den Schriften US 2012/0 043 627 A1 und US 6 156 585 A bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für eine kapazitive Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein gemeinsames/gleichzeitiges Herstellen der mindestens einen Verstärkungsschicht (als Außenseite) der zweiten Elektrode und des mindestens einen Kontaktelements. Die vorliegende Erfindung trägt somit zu einer vereinfachten Herstellbarkeit des mikromechanischen Bauteils für eine kapazitive Sensorvorrichtung bei. Durch die mit einem geringen Mehraufwand herstellbaren mindestens eine Verstärkungsschicht der zweiten Elektrode kann die zweite Elektrode so verstärkt/versteift werden, dass eine Wölbung der zweiten Elektrode in den zwischen den Elektroden liegenden Hohlraum erst bei einer stärkeren Druck- und/oder Kraftbeaufschlagung der zweiten Elektrode erfolgt. Eine mit dem mikromechanischen Bauteil ausgestattete kapazitive Sensorvorrichtung ist somit zum Ermitteln/Nachweisen höherer Drücke/Kräfte einsetzbar. Insbesondere kann die als Drucksensor ausgebildete kapazitive Sensorvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteil vorteilhaft zur Messung hoher Drücke eingesetzt werden.
Sofern lediglich eine einzige Epi-Polysiliziumschicht zum (gleichzeitigen) Bilden der mindestens einen Verstärkungsschicht und des mindestens einen Kontaktelements verwendet wird, werden zumindest ein die durchgehenden Aussparungen abdichtender Teilbereich der Verschlussschicht und mindestens eine von dem mindestens einen Kontaktelement kontaktierte Fläche/Kontaktfläche einer Leitungs- und/oder einer Elektrodenkomponente mittels der einzigen Epi-Polysiliziumschicht abgedeckt. Andernfalls werden, sofern mindestens zwei Epi-Polysiliziumschichten zum (gleichzeitigen) Bilden der mindestens einen Verstärkungsschicht und des mindestens einen Kontaktelements abgeschieden werden, mittels der Innersten der mindestens zwei Epi-Polysiliziumschichten der abdichtende Teilbereich der Verschlussschicht und die mindestens eine von dem mindestens einen Kontaktelement kontaktierte Fläche/Kontaktfläche einer Leitungs- und/oder einer Elektrodenkomponente bedeckt.
Das gemeinsame/gleichzeitige Herstellen der mindestens einen Verstärkungsschicht (als Außenseite) der zweiten Elektrode und des mindestens einen Kontaktelements ist mittels einfacher Verfahrensschritte ausführbar. Die vorliegende Erfindung realisiert somit ein mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensorvorrichtung, welches schnell und kostengünstig herstellbar ist.
Wie unten genauer ausgeführt wird, können durch das gemeinsame/gleichzeitige Herstellen der mindestens einen Verstärkungsschicht der zweiten Elektrode und des mindestens einen Kontaktelements herkömmlich dazu ausgeführte Verfahrensschritte eingespart werden.
Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauteil weist außerdem den Vorteil auf, dass der realisierbare Schichtaufbau aus den beiden Elektroden mit dem dazwischen liegenden Hohlraum, der mindestens einen Verstärkungsschicht und des mindestens einen Kontaktelements eine vergleichsweise kleine Ausdehnung und kleine Elektrodenabstände senkrecht zu den Flächen der Elektroden aufweist. Das erfindungsgemäß realisierbare mikromechanische Bauteil kann somit eine hohe Kapazität bei gleichzeitig geringen lateralen Abmessungen zur Verfügung stellen und ermöglicht damit eine empfindliche und genaue Messung, wie z.B. eine Druckmessung.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die zweite Elektrode mindestens eine Stresskompensationsschicht, welche zwischen der die Innenseite bildenden Schicht der zweiten Elektrode und der mindestens einen Verstärkungsschicht liegt, und durch welche die durchgehenden Aussparungen strukturiert sind. Auf diese Weise ist ein in die zweite Elektrode eingebrachter mechanischer Stress verlässlich kompensierbar. Ein unerwünschtes Verwölben/Buckeln der zweiten Elektrode kann somit unterbunden werden.
Außerdem kann das mikromechanische Bauteil mindestens zwei Epi-Polysiliziumschichten als die mindestens eine Epi-Polysiliziumschicht umfassen, wobei mindestens eine Stressausgleichschicht zwischen zwei benachbarten Epi-Polysiliziumschichten liegen kann. Somit ist auch das Auftreten von mechanischem Stress in den mindestens zwei Epi-Polysiliziumschichten so kompensierbar, dass ein unerwünschtes Verwölben/Buckeln der zweiten Elektrode verlässlich vermeidbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das mikromechanische Bauteil noch eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode liegende Zwischenelektrode. In diesem Fall kann das mikromechanische Bauteil vorteilhaft für einen Drucksensor eingesetzt werden, wobei insbesondere beide Elektroden mit dem zu messenden/untersuchenden Druck beaufschlagbar sind. Dies erlaubt eine hohe Messgenauigkeit bzw. Messempfindlichkeit bei einer Druckmessung. Alternativ können die beiden Elektroden auch mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagbar sein.
Das mikromechanische Bauteil kann ein erstes Substrat mit einer zumindest teilweise von einer Isolierschicht abgedeckten Oberseite umfassen, wobei die erste Elektrode auf der Isolierschicht angeordnet ist. Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann das mikromechanische Bauteil auch ein zweites Substrat umfassen, welches über mindestens eine Bond-, Löt- und/oder Klebeverbindung an der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht befestigt ist. Somit ist eine Vielzahl von Möglichkeiten zum Aufbau des mikromechanischen Bauteils mit mindestens einem Substrat realisierbar, was eine vergleichsweise große Designfreiheit erlaubt.
Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einer kapazitiven Sensorvorrichtung mit einem derartigen mikromechanischen Bauteil gewährleistet.
Ebenso sind die oben beschriebenen Vorteile realisierbar durch ein Ausführen des korrespondierenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensorvorrichtung. Das Herstellungsverfahren ist gemäß den oben ausgeführten Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weiterbildbar.
Des Weiteren realisiert auch ein derartiges Herstellungsverfahren für eine kapazitive Sensorvorrichtung die oben beschriebenen Vorteile. Auch das Herstellungsverfahren für eine kapazitive Sensorvorrichtung ist entsprechend weiterbildbar.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1a bis 1d schematische Querschnitte zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil;
2 einen schematischen Querschnitt zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil;
3a und 3b schematische Querschnitte zum Erläutern einer dritten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens;
4 einen schematischen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
5 einen schematischen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
6 einen schematischen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
7 einen schematischen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
8 einen schematischen Querschnitt durch eine fünfte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
9 einen schematischen Querschnitt durch eine sechste Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
10 einen schematischen Querschnitt durch eine siebte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
11 einen schematischen Querschnitt durch eine achte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
12 einen schematischen Querschnitt durch eine neunte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
13 einen schematischen Querschnitt durch eine zehnte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
14 bis 16 schematische Querschnitte durch eine elfte, eine zwölfte und eine dreizehnte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
17 und 18 schematische Querschnitte durch eine vierzehnte und eine fünfzehnte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.

Ausführungsformen der Erfindung
1a bis 1d zeigen schematische Querschnitte zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Zum Herstellen des mikromechanischen Bauteils wird zuerst eine erste Elektrode 10 gebildet. Bei dieser Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird die erste Elektrode 10 auf zumindest einer ersten (elektrischen) Isolierschicht 12 gebildet, welche sich zumindest teilweise auf einer Oberseite 14 eines (ersten) Substrats 16 befindet. Zum Bilden der ersten Elektrode 10 wird eine erste Halbleiter- und/oder Metallschicht 13, wie z.B. eine Siliziumschicht, abgeschieden und strukturiert. Insbesondere kann die erste Elektrode 10 aus einer ersten Polysiliziumschicht als der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 13 herausstrukturiert werden. Zur Erhöhung ihrer elektrischen Leitfähigkeit kann eine ein Halbleitermaterial umfassende erste Elektrode 10 dotiert werden.
Das Substrat 16 kann mindestens ein Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium, umfassen. Insbesondere kann das Substrat 12 ein Halbleitersubstrat, wie beispielsweise ein Siliziumsubstrat, sein. Mittels mindestens einer Dotierung kann das Substrat 16 außerdem mit (nicht skizzierten) leitfähigen Bereichen und elektrischen Schaltungskomponenten ausgebildet werden.
Die erste (elektrische) Isolierschicht 12 kann eine Oxid-, eine Nitrid- und/oder eine Oxidnitrid-Schicht umfassen. Vorzugsweise ist die erste Isolierschicht 12 aus (thermischem) Siliziumoxid. Außerdem kann die erste Isolierschicht 12 auch eine Multilayer-Struktur aus Oxid, Nitrid und/oder Oxidnitrid haben.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird zumindest eine zweite (elektrische) Isolierschicht 18 über der ersten Elektrode 10 abgeschieden. Vorzugsweise erfolgt das Abscheiden der zweiten Isolierschicht 18 ganzflächig. Auch die zweite Isolierschicht 18 kann eine Oxid-, eine Nitrid- und/oder eine Oxidnitridschicht umfassen. Beispielsweise kann die zweite Isolierschicht 18 eine Multilayer-Struktur aus Oxid, Nitrid und/oder Oxidnitrid haben. Bevorzugter Weise ist die zweite Isolierschicht 18 aus Siliziumoxid.
Anschließend wird eine zu der ersten Elektrode 10 ausgerichtete Innenseite einer Schicht 20 einer zweiten Elektrode auf der zweiten Isolierschicht 18 gebildet. Dazu wird eine zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht 21 auf der zweiten Isolierschicht 18 abgeschieden. Die zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht 21 kann insbesondere eine Polysiliziumschicht sein. Auch eine ein Halbleitermaterial umfassende Schicht, welche die die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode darstellt, kann zur Verbesserung ihrer elektrischen Leitfähigkeit dotiert werden. Außerdem werden durch die die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode durchgehende Aussparungen 22 strukturiert.
Vorzugsweise wird eine Vielzahl von durchgehenden Aussparungen 22 durch die die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode strukturiert. Insbesondere kann die die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode mittels der durchgehenden Aussparungen 22 als gitter- und/oder netzförmige Struktur geformt werden. Beispielsweise können steg- und/oder strangförmige Abschnitte der gitter- und/oder netzförmigen Struktur eine (parallel zur Oberseite 14 ausgerichtete) Breite zwischen 0,1 bis 2 µm haben. Insbesondere können die steg- und/oder strangförmigen Abschnitte der gitter- und/oder netzförmigen Struktur rechtwinkelig und/oder schrägwinkelig zueinander ausgerichtet sein. Auch die durchgehenden Aussparungen 22 können eine (parallel zur Oberseite 14 ausgerichtete) Breite zwischen 0,1 bis 2 µm aufweisen. Das Design der gitter- und/oder netzförmigen Struktur kann somit relativ frei gewählt werden. Die die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode kann so insbesondere als engmaschige Gitterstruktur ausgebildet werden.
In der Ausführungsform der 1a bis 1d wird (vor dem Strukturieren der die Innenseite bildende Schicht 20) die die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode mit mindestens einer Stresskompensationsschicht 24 zumindest teilweise abgedeckt. Die durchgehenden Aussparungen 22 werden durch die die Innenseite bildende Schicht 20 und die Stresskompensationsschicht 24 strukturiert. Somit können die die Innenseite bildende Schicht 20 und die Stresskompensationsschicht 24 mit der gleichen Maske strukturiert werden. Eine zusätzliche Maskenebene kann somit eingespart werden.
Durch das Ausbilden der Stresskompensationsschicht 24 kann ein in die zweite Elektrode möglicherweise eingebrachter mechanischer Stress kompensiert werden. Ein unerwünschtes Verwölben/Buckeln der zweiten Elektrode ist somit (selbst bei einem späteren Abdichten der durchgehenden Aussparungen 22) verlässlich verhinderbar.
1a zeigt einen Querschnitt durch das Substrat 16 nach dem Strukturieren der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode und der Stresskompensationsschicht 24.
Nach dem Strukturieren zumindest der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode wird ein Hohlraum 26 zwischen der ersten Elektrode 10 und der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode durch Wegätzen eines Teilbereichs zumindest der zweiten Isolierschicht 18 gebildet. Das Wegätzen des Teilbereichs zumindest der zweiten Isolierschicht 18 erfolgt durch die durchgehenden Aussparungen 22 in der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode hindurch. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ätzprozessen (wie z.B. Opferoxid-Ätzprozesse durch Ätzkanäle mit Zugang im Randbereich einer Membran) werden bei dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren (insbesondere bei der gitter- und/oder netzförmigen Struktur der die Innenseite bildende Schicht 20) somit keine langen Ätzwege zum Unterätzen der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode benötigt. Der Hohlraum 26 ist somit schneller bildbar als bei einem herkömmlichen Ätzprozess durch einen Ätzkanal mit langen Unterätzwegen. Insbesondere kann auch durch die Positionen und/oder (parallel zur Oberseite 14 des Substrats 16 ausgerichteten) Breiten der durchgehenden Aussparungen 22 sichergestellt werden, dass die als unterätzte Membran bezeichenbare Innenseite 20 der zweiten Elektrode während des Bildens des Hohlraums 26 eine ausreichende Membranstabilität aufweist. Ebenso können durch die Positionen und/oder Breiten der durchgehenden Aussparungen 22 eine zum Bilden des Hohlraums 26 benötigte Ätzzeit und eine Mindestdicke der Verschlussschicht 28 zum sicheren Verschluss der durchgehenden Aussparungen 22 relativ frei festgelegt werden. Beispielsweise kann durch einen relativ kleinen Abstand zwischen zwei benachbarten durchgehenden Aussparungen 22 und vergleichsweise kleine Breiten der durchgehenden Aussparungen 22 die Ätzzeit kurz und die benötigte Verschlussschicht 28 dünn gewählt werden.
Vorteilhafterweise erfolgt das Bilden des Hohlraums 26 zwischen der ersten Elektrode 10 und der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode durch Wegätzen des Teilbereichs zumindest der zweiten Isolierschicht 18 mittels eines isotropen Oxidplasmaätzschritts. Ein Ätzen mittels HF oder HF-Dampf ist somit zum Entfernen des Teilmaterials zumindest der zweiten Isolierschicht 18 nicht notwendig. Somit wird zum Bilden des Hohlraums 26 auch kein Sonderequipment in Form einer HF-Gasphasenätzanlage benötigt. Auch muss bei einer alternativen Nassätzung in BOE oder flüssiger HF zum Bilden des Hohlraums 26 kein Sticking der freigestellten Membranstruktur an der ersten Elektrode 10 befürchtet werden.
Nach dem Bilden des Hohlraums 26 werden die durchgehenden Aussparungen 22 in der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode mittels einer abdeckenden Verschlussschicht 28 abgedichtet. Das auf diese Weise gewonnene Zwischenprodukt ist in 1b dargestellt.
Die Verschlussschicht 28 kann beispielsweise eine Siliziumoxid-, eine Siliziumnitrid-, eine Siliziumoxidnitridschicht oder ein Mehrschichtsystem aus den genannten Schichten sein. Mittels einer derartigen Verschlussschicht 28 können die durchgehenden Aussparungen 22 auch luftdicht/gasdicht verschlossen werden. Eine Dicke der Verschlussschicht 28 kann je nach der Breite der abgedeckten durchgehenden Aussparungen 22 gewählt werden.
In einem in 1c schematisch wiedergegebenen Verfahrensschritt können anschließend Kontaktöffnungen 30a und 30b so durch die Verschlussschicht 28, die (optionale) Stresskompensationsschicht 24 und/oder die erste und/oder zweite (elektrische) Isolierschicht 12 bzw. 18 strukturiert werden, dass eine Teilfläche 32a auf der ersten Elektrode 10, eine Teilfläche 32b auf der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode, eine Teilfläche auf einer (optionalen) ersten Leiterbahn aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 13, eine Teilfläche auf einer (optionalen) zweiten Leiterbahn aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 21 und/oder eine Teilfläche auf einem (optionalen) leitfähigen Substratbereich freigelegt werden.
Mittels einer geeigneten Wahl der Materialien der Schichten 18, 24 und/oder 28 kann sichergestellt werden, dass die Kontaktöffnungen 30a und 30b gleichzeitig bildbar sind. Zum Bilden der Kontaktöffnungen 30a und 30b kann beispielsweise ein Oxidplasmaätzprozess ausgeführt werden, der auf den zu kontaktierenden Flächen stoppt oder auf diesen einen nur sehr geringen Ätzratenabtrag besitzt. Aufgrund des gleichzeitigen Strukturierens der Kontaktöffnungen 30a und 30b können Maskenebenen, die üblicherweise zur Kontaktierung von leitfähigen Komponenten in unterschiedlichen Schichtebenen benötigt werden, eingespart werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden mindestens eine Verstärkungsschicht 34 der zweiten Elektrode 36 und mindestens ein Kontaktelement 38a und 38b, welches an der ersten Elektrode 10, der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode 36, der (optionalen) ersten Leiterbahn aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 13, der (optionalen) zweiten Leiterbahn aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 21 und/oder dem (optionalen) leitfähigen Substratbereich elektrisch angebunden ist, gebildet. Die mindestens eine Verstärkungsschicht 34 der zweiten Elektrode 36 und das mindestens eine Kontaktelement 38a und 38b werden aus mindestens einer Epi-Polysiliziumschicht 40 ausgebildet. Die mindestens eine Verstärkungsschicht 34 der zweiten Elektrode 36 und das mindestens eine Kontaktelement 38a und 38b werden somit entweder aus einer einzigen Epi-Polysiliziumschicht 40 aus mindestens zwei Epi-Polysiliziumschichten 40 gebildet. Sofern lediglich die einzige Epi-Polysiliziumschicht 40 zum (gleichzeitigen) Bilden der Verstärkungsschicht 34 und des mindestens einen Kontaktelements 38a und 38b verwendet wird, wird zumindest ein die durchgehenden Aussparungen 22 (in der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode 36) abdichtender Teilbereich 42 der Verschlussschicht 28 und die mindestens eine Teilfläche 32a und 32b der ersten Elektrode 10, der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode 36, der (optionalen) ersten Leiterbahn, der (optionalen) zweiten Leiterbahn und/oder dem (optionalen) leitfähigen Substratbereich, welche mittels der mindestens einen Kontaktöffnung 30a und 30b freigelegt ist, mittels der einzigen Epi-Polysiliziumschicht 40 abgedeckt. Andernfalls wird mittels der Innersten der mindestens zwei Epi-Polysiliziumschichten 40 zumindest der abdichtende Teilbereich 42 der Verschlussschicht 28 und die mindestens eine Teilfläche 32a und 32b der ersten Elektrode 10, der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode 36, der (optionalen) ersten Leiterbahn, der (optionalen) zweiten Leiterbahn und/oder dem (optionalen) leitfähigen Substratbereich abgedeckt.
Optionaler Weise kann die mindestens eine Epi-Polysiliziumschicht 40 nach ihrem Abscheiden mittels eines CMP-Prozesses (Chemical Mechanical Polishing) planarisiert werden. Wahlweise können die mindestens eine Verstärkungsschicht 34 und das mindestens eine Kontaktelement 38a und 38b mittels mindestens eines Trenngrabens 44 aus der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht 40 herausstrukturiert werden. Beim Strukturieren der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht 40 kann die darunter liegende Verschlussschicht 28 oder (falls die Verschlussschicht 28 zuvor strukturiert wurde) die zweite Isolierschicht 18 als Stoppschicht genutzt werden. Die mindestens eine Verstärkungsschicht 34 kann jedoch auch mit einem Kontaktelement 38a und 38b einstückig verbunden bleiben. Ein Schichtstress der mindestens einen Verstärkungsschicht 34 kann so vorgegeben werden, dass keine Kompensation der Stresskompensationsschicht 24 und damit auch kein Buckeln der als Membran ausbildbaren zweiten Elektrode 36 nach dem Verschluss der durchgehenden Aussparungen auftreten kann.
Der in 1d schematisch wiedergegebene Verfahrensschritt ermöglicht somit das gemeinsame/gleichzeitige Herstellen der mindestens einen Verstärkungsschicht 34 und des mindestens einen Kontaktelements 38a und 38b. Insbesondere können, wie in 1d dargestellt ist, mehrere Kontaktelemente 38a und 38b gleichzeitig hergestellt werden, unabhängig von der Höhe/Lage der kontaktierten Teilflächen 32a und 32b. Somit können auch Kontaktelemente 38a und 38b zu den in unterschiedlichen Schichtebenen liegenden leitfähigen Komponenten mittels dieses Verfahrensschritts gleichzeitig gebildet werden.
Auch die mindestens eine Epi-Polysiliziumschicht 40 kann durch eine entsprechende Dotierung leitfähig, insbesondere hochleitfähig, ausgebildet werden. Außerdem können an einer Oberfläche/Außenfläche der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht 40 (weitere) elektrische Isolierschichten, Leiterbahnen und/oder Bondpads 46, z.B. aus Aluminium, angeordnet werden. Somit kann eine Spannung und/oder ein Signal an den Kontaktelementen 38a und 38b leicht und verlässlich eingespeist oder abgegriffen werden.
Mittels der gewählten Dicke der mindestens einen Verschlussschicht 34 kann die Steifigkeit/Verbiegbarkeit der zweiten Elektrode 36 leicht auf einem gewünschten Wert festgelegt werden. Insbesondere ist auf diese Weise festlegbar, auf welche Kräfte die beiden Elektroden 10 und 36 mittels einer Kapazitätsänderung an ihren Kontaktelementen 38a und 38b reagieren. Beispielsweise kann auf diese Weise auch ein kapazitiver Drucksensor zum Messen höherer Drücke ausgebildet werden.
Wie oben schon beschrieben, können mindestens zwei/mehrere Epi-Polysiliziumschichten (als die mindestens eine Epi-Polysiliziumschicht 40) abgeschieden werden. Als Weiterbildung kann auch mindestens eine Stressausgleichschicht zwischen zwei benachbarten Epi-Polysiliziumschichten abgeschieden werden.
In einer Weiterbildung des Herstellungsverfahrens kann noch vor dem Abscheiden der zweiten Isolierschicht 18 eine Zwischenisolierschicht auf der ersten Elektrode 10 abgeschieden werden. Anschließend kann auf der Zwischenisolierschicht eine Zwischenelektrode gebildet werden, welche zumindest teilweise mit der zweiten Isolierschicht 18 abgedeckt wird. Ausführungsformen eines auf diese Weise herstellbaren mikromechanischen Bauteils werden unten noch beschrieben.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Bei dem Herstellungsverfahren der 2 wird aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 13 zusätzlich zu der ersten Elektrode 10 noch (mindestens) eine erste Leiterbahn 10a gebildet. Optionaler Weise kann noch (mindestens) eine (nicht skizzierte) zweite Leiterbahn aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 21 strukturiert werden. Die erste Leiterbahn 10a und/oder die zweite Leiterbahn können je einen leitfähigen Substratbereich 50a oder 50b kontaktieren. Anstelle der zweiten Leiterbahn kann jedoch auch die aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 21 zumindest teilweise gebildete Innenseite 20 der zweiten Elektrode 36 einen leitfähigen Substratbereich 50b kontaktieren. Außerdem kann auch die erste Elektrode 10 an einen leitfähigen Substratbereich 50c elektrisch angebunden werden. Die leitfähigen Substratbereiche 50a bis 50c können dotierte Substratbereiche und/oder mit einem leitfähigen Material gefüllte Gräben (z.B. Durchkontaktierungen) sein.
Mit Hilfe der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht 40 kann weiter ein Kontaktelement 38c geformt werden, welcher an eine Teilfläche 32c der ersten Leiterbahn 10a elektrisch angebunden ist. Entsprechend kann auch ein (nicht skizziertes) Kontaktelement für eine Teilfläche der zweiten Leiterbahn aus der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht 40 gebildet und anschließend wahlweise das Substrat 16 durch Schleifen und CMP gedünnt werden. Darauf folgend kann auf einer von den Elektroden 10 und 36 weg gerichteten Rückseite 52 des Substrats 16, vorzugsweise auf den leitfähigen Substratbereichen 50a bis 50c, eine Bondschicht 54, wie beispielsweise eine Germanium-Schicht, abgeschieden und strukturiert werden. Mit Hilfe von Isolationsgräben (Trenches) 56 können die leitfähigen Substratbereiche 50a bis 50c des Substrats 16 anschließend so freigestellt werden, dass sie als isolierte Kontaktelemente nutzbar sind.
Anschließend kann die Rückseite 52 des (ersten) Substrats 16 an einem weiteren Substrat 58 mit einer weiteren Bondschicht 60 festgebondet werden. Vorzugsweise kann die Bondverbindung zwischen den Substraten 16 und 58 eine eutektische Bondverbindung, insbesondere aus Aluminium-Germanium, sein. Anstelle einer Bondverbindung kann das (erste) Substrat 16 jedoch auch mittels mindestens eines Lötballs und/oder eines (leitfähigen) Klebers an dem weiteren Substrat 58 befestigt werden. Das fertige mikromechanische Bauteil kann somit leicht an seiner von den Elektroden 10 und 36 weg gerichteten Rückseite 52 kontaktiert werden.
3a und 3b zeigen schematische Querschnitte zum Erläutern einer dritten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
Die anhand der 3a und 3b schematisch dargestellten Verfahrensschritte können als Ergänzung zu dem Herstellungsverfahren der 1a bis 1d ausgeführt werden. Wie in 3a schematisch dargestellt, wird zuerst ein zweites Substrat 70 über mindestens eine Bond-, Löt- und/oder (leitfähige) Klebeverbindung an der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht 40 befestigt. Beispielsweise kann ein eutektisches Bonden mittels der Schichten 54 und 60 oder alternativ ein Sealglass-Bonden mit einem elektrisch leitfähigen Sealglass ausgeführt werden. Auch Aluminiumlegierungen, wie z.B. Aluminium-Silizium-Kupfer, Aluminium-Silizium oder Aluminium-Kupfer können im Bondsystem eingesetzt werden. Es wird insbesondere darauf hingewiesen, dass auch ein Material des zweiten Substrats 70 als Bondmaterial verwendet werden kann.
Als vorteilhafte Weiterbildung kann zusätzlich zu den Kontaktelementen 38a und 38b auch an der mindestens einen Verstärkungsschicht 34 der zweiten Elektrode 36 eine Bond-, Löt- und/oder (leitfähige) Klebeverbindung zu dem zweiten Substrat 70 ausgebildet werden, wodurch die zweite Elektrode 36 wahlweiseversteift bzw. am zweiten Substrat 70 angebunden werden kann.
Wie in 3 weiter zu sehen ist, kann nach einem Befestigen des zweiten Substrats 70 über die mindestens eine Bond-, Löt- und/oder (leitfähige) Klebeverbindung an der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht 40 das erste Substrat 16b entfernt werden. In diesem Fall ist insbesondere eine Verwendung eines SOI-Wafers 16' als Substrat 16 vorteilhaft, da eine Siliziumoxidschicht 16a des SOI-Wafers 16`während des Entfernungsprozesses der Substratschicht 16b als Ätzstopp einsetzbar ist. Die erste Elektrode 10 kann so als verbiegbare Membran ausgebildet werden, deren Elastizität/Verbiegbarkeit über die Dicke einer Halbleiterschicht 16c des SOI-Wafers 16' definiert einstellbar ist.
Ein mittels der oben ausgeführten Herstellungsverfahren hergestelltes mikromechanisches Bauteil kann für eine kapazitive Sensorvorrichtung genutzt werden. Die oben aufgezählten Vorteile sind dabei auch für die kapazitive Sensorvorrichtung, insbesondere für einen Drucksensor, gewährleistet.
Mittels der oben ausgeführten Herstellungsverfahren sind auch die im Weiteren erläuterten mikromechanischen Bauteile herstellbar. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Herstellbarkeit der im Weiteren beschriebenen mikromechanischen Bauteile nicht auf ein genaues Einhalten der oben aufgeführten Verfahrensschritte limitiert ist.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das mikromechanische Bauteil der 4 umfasst eine erste Elektrode 10 und eine zweite Elektrode 36, wobei die zweite Elektrode 36 derart beabstandet von der ersten Elektrode 10 aufgehängt ist, dass zwischen der ersten Elektrode 10 und der zweiten Elektrode 36 ein Hohlraum 26 vorliegt. Die erste Elektrode 10 kann mittels einer ersten Isolierschicht 12 von einem Substrat 16 beabstandet sein. Mittels einer zweiten Isolierschicht 18, welche optional strukturiert sein kann, so dass sich die zweite Isolierschicht 18 nur im Bereich der Elektroden 10 und 36 befindet, können die Elektroden 10 und 36 in einem gewünschten Elektrodenabstand zueinander angeordnet werden. Außerdem können die Elektroden 10 und 36 mittels der zweiten Isolierschicht 18 elektrisch so voneinander isoliert sein, dass ein aus den Elektroden 10 und 36 gebildeter Kondensator für eine kapazitive Sensorvorrichtung nutzbar ist. Wie oben schon ausgeführt ist, können hierzu Teilbereiche der zweiten Isolierschicht 18 als Opfermaterial zum Bilden des Hohlraums 26 genutzt werden.
Die erste Elektrode 10 ist zumindest teilweise aus einer ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 13 gebildet. Außerdem ist zumindest eine zu der ersten Elektrode 10 ausgerichtete Innenseite 20 der zweiten Elektrode 36 aus einer zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 21 gebildet. In die die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode 36 sind durchgehenden Aussparungen 22 strukturiert, welche mittels einer Verschlussschicht 28 abgedichtet sind.
Außerdem weist die zweite Elektrode 36 noch mindestens eine Verstärkungsschicht 34 auf. Die mindestens eine Verstärkungsschicht 34 und mindestens ein an der ersten Elektrode 10, der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode 36, einer (optionalen) ersten Leiterbahn aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 13, einer (optionalen) zweiten Leiterbahn aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 21 und/oder einem (optionalen) leitfähigen Substratbereich 50d elektrisch angebundenes Kontaktelement 38a, 38b und 38d sind aus mindestens einer Epi-Polysiliziumschicht 40 gebildet. Dies ist so ausgeführt, dass mittels der einzigen Epi-Polysiliziumschicht 40 oder mittels der Innersten der mindestens zwei Epi-Polysiliziumschichten 40 zumindest ein die durchgehenden Aussparungen 22 in der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode 36 abdichtender Teilbereich 42 der Verschlussschicht 34 und mindestens eine mittels einer Kontaktöffnung 30a, 30b und 30d freigelegte Teilfläche 32a, 32b und 32d der ersten Elektrode 10, der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode 36, der (optionalen) ersten Leiterbahn, der (optionalen) zweiten Leiterbahn und/oder des (optionalen) leitfähigen Substratbereichs 50d abgedeckt sind.
Mindestens eines der Kontaktelemente 38a, 38b und 38d kann mittels mindestens eines Trenchgrabens 44 aus der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht 40 herausstrukturiert sein. In der Ausführungsform der 4 ist die mindestens eine Verstärkungsschicht 34 mittels des mindestens einen Trenchgrabens 44 von allen Kontaktelementen 38a, 38b und 38d isoliert. Die mindestens eine Verstärkungsschicht 34 kann somit auch als eine EMV-Abschirmung der zweiten Elektrode 36 genutzt werden, mittels welcher Störsignale von eigentlichen Nutzsignalen abgehalten werden können. Die mindestens eine Verstärkungsschicht 34 kann somit nicht nur zur Verstärkung der zweiten Elektrode 36, sondern auch zur elektrischen Abschirmung verwendet werden. Es wird darauf hingewiesen, dass zur gleichzeitigen Herstellung der EMV-Abschirmung zusammen mit den Kontaktelementen 38a, 38b und 38d kein zusätzlicher Arbeitsaufwand anfällt. Insbesondere muss die Anzahl der ausgeführten Ätzschritte und der verwendeten Masken nicht gesteigert werden.
Die zweite Elektrode 36 ist ein Mehrschichtsystem aus zumindest den Schichten 20, 28 und 34. Vorteilhafterweise umfasst der Schichtstapel der zweiten Elektrode 36 auch mindestens eine Stresskompensationsschicht 24, welche zwischen der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode 36 und der mindestens einen Verstärkungsschicht 34 liegt. Die durchgehenden Aussparungen 22 sind auch durch die mindestens eine Stresskompensationsschicht 34 strukturiert. Mittels der mindestens einen Stresskompensationsschicht 24 kann ein unerwünschtes Verwölben/Buckeln der als Membran umschreibbaren zweiten Elektrode 36 unterbunden werden. Auch ein Sticking der beiden Elektroden 10 und 36 aneinander während des Herstellungsprozesses kann mittels der mindestens einen Stresskompensationsschicht 24 verhindert werden. Somit kann die zweite Elektrode 36 als freitragende Struktur ausgebildet sein, ohne dass zu befürchten ist, dass Druckverspannungen die die Innenseite bildende Schicht 20 aus deren erwünschter Lage auslenken. Die mindestens eine Stresskompensationsschicht 24 kann beispielsweise eine Siliziumnitridschicht sein. Insbesondere kann die mindestens eine Stresskompensationsschicht 24 als LPCVD-Schicht ausgebildet sein.
Mittels der mindestens einen Verstärkungsschicht 34 kann auch eine gewünschte Steifigkeit/Membranstabilität der zweiten Elektrode 36 gewährleistet werden. Der aus den Elektroden 10 und 36 gebildete Kondensator kann somit auch in einer kapazitiven Sensorvorrichtung zum Untersuchen/Nachweisen von höheren Drücken und/oder Kräften eingesetzt werden. Die mindestens eine Verstärkungsschicht 34 kann beispielsweise eine Schichtdicke zwischen 1 µm bis 100 µm haben.
Die erste Elektrode 10 kann aus einer ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 13 herausstrukturiert sein. Die die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode 36 kann aus einer zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 21 gebildet sein. Die erste Halbleiter- und/oder Metallschicht 13 und/oder die zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht 21 können Polysiliziumschichten sein. Mittels einer Dotierung einer ein Halbleitermaterial umfassenden Halbleiter- und/oder Metallschicht 13 und/oder 21 kann eine gute Leitfähigkeit der daraus gebildeten Komponenten 10 und 20 gewährleistet werden. Auch die mindestens eine Epi-Polysiliziumschicht 40 kann aufgrund einer geeigneten Dotierung leitfähig sein.
In einer nicht gezeigten Weiterbildung kann das mikromechanische Bauteil mindestens zwei Epi-Polysiliziumschichten als die mindestens eine Epi-Polysiliziumschicht 40 umfassen. Zwischen zwei benachbarten Epi-Polysiliziumschichten kann in diesem Fall mindestens eine (nicht skizzierte) Stressausgleichsschicht liegen. Auch auf diese Weise können unerwünschte Verwölbungen der zweiten Elektrode 36 verhindert werden.
5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 5 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist an einer (von den Elektroden 10 und 36 weg gerichteten) Rückseite 52 des Substrats 16 im Bereich zu der ersten Elektrode 10 eine Aussparung 80 auf, in welcher das Substrat 16 auf eine vergleichsweise dünne Membranschicht 82 abgedünnt ist. Die Membranschicht 82 ist mittels der ersten Isolierschicht 12 von der ersten Elektrode 10 beabstandet. Mittels der Aussparung 80 ist es möglich, die erste Elektrode 10 mit einer Membrancharakteristik zu versehen. Somit kann auch die erste Elektrode 10 mittels einer darauf ausgeübten Kraft oder mittels einer Druckbeaufschlagung in den Hohlraum 26 gewölbt werden. Eine Steifigkeit der ersten Elektrode 10 ist über eine Schichtdicke der Membranschicht 82 einstellbar, welche mittels eines zeitgesteuerten Plasmaätzprozesses zuverlässig eingestellt werden kann. Somit kann über die zum Strukturieren der Aussparung 80 verwendete Zeit eine Membraneigenschaft der ersten Elektrode 10 vorteilhaft festgelegt werden.
Das in 5 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil ist insbesondere als Drucksensor vorteilhaft einsetzbar. Da beide Elektroden 10 und 36 Membraneigenschaften besitzen und mit dem in ihrer äußeren Umgebung vorliegenden Druck beaufschlagbar sind, ist eine Erhöhung der Druckmessempfindlichkeit des aus den Elektroden 10 und 36 gebildeten Kondensators realisierbar.
6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 6 schematisch dargestellte Bauteil ist aus einem SOI-Wafer 16' hergestellt. Somit kann beim Ätzen der Aussparung 80 die Siliziumoxidschicht 16a des SOI-Wafers 16' als Ätzstoppschicht genutzt werden. Hierdurch ist eine homogene Ätztiefen- und Membrandickenverteilung über das Substrat 16' realisierbar. Optionaler Weise kann nach der Herstellung der Aussparung 80 die freigelegte Siliziumoxidschicht 16a entfernt werden.
Zum Bilden der Membranschicht 82 wird die Halbleiterschicht 16c des SOI-Wafers 16' genutzt. Vorzugsweise können bei der Ausführungsform der 6 eine Schichtdicke der mindestens einen Verstärkungsschicht 34 und eine Schichtdicke der Membranschicht 82 so gewählt werden, dass die realisierten Elektroden 10 und 36 die gleiche Steifigkeit aufweisen. Somit ist ein Kondensator mit zwei symmetrischen Membranstrukturen als den Elektroden 10 und 36 realisierbar.
7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Als Ergänzung zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform weist das mikromechanische Bauteil der 7 oberhalb der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht 40 einen Flip-Chip-Aufbau auf. Dazu ist auf die mindestens eine Epi-Polysiliziumschicht 40 noch eine weitere (planarisierte) Epi-Polysiliziumschicht 84 abgeschieden. Auch in die weitere Epi-Polysiliziumschicht 84 kann eine Dotierung eingebracht sein. Mittels der weiteren Epi-Polysiliziumschicht 84 kann z.B. die Oberfläche der Epi-Polysiliziumschicht 40 unterhalb der Oberfläche der weiteren Epi-Polysiliziumschicht 84 platziert werden. Hierdurch kann bei einer möglichen Flip-Chip-Montage, unter Zuhilfenahme der Bondbereiche 46, die Epi-Polysiliziumschicht 40 vor einem Kontakt (z.B. mit einer Leiterplatte) geschützt werden.
Mittels einer in die weitere Epi-Polysiliziumschicht 84 strukturierten/geätzten Aussparung 86 kann weiter eine unerwünschte Versteifung der zweiten Elektrode 36 unterbunden werden. Insbesondere kann vor der Abscheidung der weiteren Epi-Polysiliziumschicht 84 eine Ätzstoppschicht 88, z.B. aus Siliziumoxid, oberhalb der zweiten Elektrode 36 auf der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht 40 gebildet sein. Somit kann beim Ätzen der Aussparung 86 durch die weitere Epi-Polysiliziumschicht 84 kein Ätzangriff auf die Epi-Polysiliziumschicht 40 erfolgen, welcher die Membraneigenschaften negativ beeinflussen könnte. Weiter ist durch die als vergrabene Ätzmaske ausbildbare Ätzstoppschicht 88 ein verlässlicher Schutz der mindestens einen Verstärkungsschicht 34 während des Ätzens der Aussparung 86 gewährleistet. Optionaler Weise kann die Ätzstoppschicht 88 nach dem Bilden der Aussparung 86entfernt werden.
8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine fünfte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 8 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil ist unter Verwendung eines SOI-Wafers 16' als dem Substrat 16 hergestellt. Die erste Elektrode 10 ist auf der Siliziumoxidschicht 16a des SOI-Wafers 16', welche als erste Isolierschicht 18 dient, gebildet, indem eine Dotierung in die Halbleiterschicht 16c des SOI-Wafers 16' eingebracht ist. Gleichzeitig kann die Siliziumoxidschicht 16a des SOI-Wafers 16' noch als Ätzstoppschicht zum Ätzen der Aussparung 80 durch die Rückseite 52 der Substratschicht 16b des SOI-Wafers 16' genutzt werden. Somit ist auch bei unterschiedlichen Ätzraten über der Substratfläche keine Inhomogenität in der Tiefe der Aussparung 80 zu befürchten.
9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine sechste Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 9 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist als Ergänzung noch eine zwischen der ersten Elektrode 10 und der zweiten Elektrode 36 liegende Zwischenelektrode 90 auf. Die Zwischenelektrode 90 umfasst eine Halbleiter- und/oder Metallschicht 92 und optional eine weitere Stresskompensationsschicht 94. Auch die weitere Stresskompensationsschicht 94 kann eine Siliziumnitridschicht sein. Insbesondere kann auch die weitere Stresskompensationsschicht 94 als LPCVD-Schicht ausgebildet sein. Durch die Schichten 92 und 94 sind durchgehende Aussparungen 96 strukturiert. Bezüglich der Abstände und/oder Breiten der durchgehenden Aussparungen 96 durch die Schichten 92 und 94 wird auf die Ausführungen zur Herstellung der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode 36 verwiesen. Es wird weiter darauf hingewiesen, dass eine einzige Fotolackmaske zum Strukturieren der Zwischenelektrode 90 und der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode 36 einsetzbar ist.
Die Zwischenelektrode 90 kann mittels einer Zwischenisolierschicht 97 von der ersten Elektrode 10 elektrisch isoliert sein. Zusätzlich kann ein Teilmaterial der Zwischenisolierschicht 97 zum Ausbilden eines zusätzlichen Hohlraums 98 zwischen der ersten Elektrode 10 und der Zwischenelektrode 90 entfernt sein. Für eine elektrische Isolierung der Zwischenelektrode 90 gegenüber der zweiten Elektrode 36 kann die zweite Isolierschicht 18 genutzt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Zwischenisolierschicht 97 zum Bilden des weiteren Hohlraums 98 gemeinsam mit der zweiten Isolierschicht 18 zum Bilden des Hohlraums 26 in einem einzigen Ätzschritt geätzt werden kann.
Ein Kontaktelement 38e, welches eine mittels einer Kontaktöffnung 30e freigelegte Teilfläche 32e der Zwischenelektrode 90 elektrisch kontaktiert, kann aus der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht 40 geformt sein. Über das Kontaktelement 38e, welches über den Bondbereich 46 elektrisch, z.B. per Drahtbonden, kontaktiert werden kann, kann auch die Zwischenelektrode 90 an eine Auswerteeinrichtung angebunden werden, welche sich z.B. in der Halbleiterschicht 16c des SOI-Wafers 16' befindet.
Das mikromechanische Bauteil der 9 kann vorteilhaft für einen Differentialdrucksensor eingesetzt werden. Auslenkungen der ersten Elektrode 10 und der zweiten Elektrode 36 in Bezug zu der Zwischenelektrode 90 können mittels der an den Kontaktelementen 38a, 38b und 38e abgegriffenen Spannungen erfasst und ausgewertet werden.
10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine siebte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Bei der Ausführungsform der 10 ist die die Innenseite bildende Schicht 20 der zweiten Elektrode 36 mit der Halbleiter- und/oder Metallschicht 92 der Zwischenelektrode 90 verbunden. Dazu wird vor dem Aufbringen des mindestens einen Halbleitermaterials und/oder Metalls der die Innenseite bildende Schicht 20 mindestens eine durchgehende Aussparung durch die zweite Isolierschicht 18 (und sofern vorhanden durch die weitere Stresskompensationsschicht 94) geätzt. Anschließend kann das mindestens eine Halbleitermaterial und/oder Metall der die Innenseite bildende Schicht 20 der zweite Elektrode 36 so abgeschieden werden, dass daraus auch mindestens ein die Halbleiter- und/oder Metallschicht 92 der Zwischenelektrode 90 kontaktierender Verbindungsbereich 100 gebildet wird. Vorzugsweise wird der mindestens eine Verbindungsbereich 100 so ausgebildet, dass die Zwischenelektrode 90 zentral an der zweiten Elektrode 36 befestigt ist. Als Alternative zu lediglich einem Verbindungsbereich 100 können auch mehrere Aufhängepunkte/Kontaktpunkte über Verbindungsbereiche 100 zwischen den Elektroden 36 und 90 realisiert werden.
Bei dem mikromechanischen Bauteil der 10 ist verlässlich gewährleistet, dass eine Einwölbung der zweiten Elektrode 36 eine Bewegung der Zwischenelektrode 90 parallel zur ersten Elektrode 10 bewirkt. Auf diese Weise ist eine Linearisierung einer Änderung des an den Kontaktelementen 38a und 38b abgegriffenen Signals erreichbar. Somit kann auch ein linearisiertes Drucksensorsignal von einem mit dem mikromechanischen Bauteil ausgestatteten kapazitiven Drucksensor ausgegeben werden.
11 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine achte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Wie in 11 schematisch dargestellt, kann auch die erste Elektrode 10 mindestens über einen Verbindungsbereich 102 aus dem Material der Halbleiter- und/oder Metallschicht 92 an die Zwischenelektrode 90 angebunden werden. Dazu kann vor dem Abscheiden des Materials der Halbleiter- und/oder Metallschicht 92 eine durchgehende Aussparung durch die Zwischenisolierschicht 97 strukturiert werden. Auf diese Weise kann ebenso die oben schon beschriebene Linearisierung des abgreifbaren Signals sichergestellt werden, wenn eine Druckbeaufschlagung der ersten Elektrode 10 durch die Aussparung 80 in der Rückseite 52 erfolgt. Beispielsweise kann ein einziger Verbindungsbereich 102 aus dem Material der Halbleiter- und/oder Metallschicht 92 zentral an die erste Elektrode 10 angebunden sein. Ebenso können auch mehrere Aufhängepunkte/Kontaktpunkte über Verbindungsbereiche 102 zwischen den Elektroden 10 und 90 realisiert sein.
12 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine neunte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 12 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil ist bereits in 2 beschrieben. Bei der in 12 dargestellten Ausführungsform ist zusätzlich der unter der ersten Elektrode 10 befindliche Bereich des Substrats 16 mittels der Bondschichten 54 und 60 auf einem weiteren Substrat 58 festgebondet/fixiert. Hierdurch kann eine weitere Versteifung der ersten Elektrode 10 erreicht werden. Vorzugsweise weist das weitere Substrat 58 mindestens eine Schaltung zum Betreiben und/oder Auswerten des aus den Elektronen 10 und 36 gebildeten Sensorelements auf. Das weitere Substrat 58 kann insbesondere ein MEMS oder ein ASIC sein.
13 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine zehnte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Die Variante der 13 ist eine Weiterbildung der 2. Dazu sind in das weitere Substrat 58 Strukturen ausgebildet, welche insbesondere für ein weiteres sensitives Element nutzbar sind. Beispielsweise kann aus dem weiteren Substrat 58 mindestens eine seismische Masse 104 und/oder mindestens eine Gegenelektrode 106 herausstrukturiert sein, welche für einen Beschleunigungssensor und/oder einen Drehratensensor verwendbar sind. Die seismische Masse 104 kann insbesondere mit Anschlagstrukturen 108 zusammenwirken, welche aus der Rückseite 52 des ersten Substrats 16 herausstrukturiert sind. Das mikromechanische Bauteil kann somit zur Realisierung von kapazitiven Sensorvorrichtungen mit einer Vielzahl verschiedenartig ausgebildeter Sensorelemente vorteilhaft eingesetzt werden.
Mittels der Bondverbindungen kann auch ein Bondrahmen 110 realisiert werden, welcher die mindestens eine seismische Masse 104 und/oder die mindestens eine Gegenelektrode 106 hermetisch abdichtet. Ebenso kann eine Kontaktierung der Elektroden 10 und 36 über aus dem weiteren Substrat 58 herausstrukturierte Kontaktelemente 112 und darin ausgebildete Leiterbahnen 114 erfolgen.
14 bis 16 zeigen schematische Querschnitte durch eine elfte, eine zwölfte und eine dreizehnte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Die mikromechanischen Bauteile der 14 bis 16 umfassen ein zweites Substrat 70, welches über mindestens eine Bond-, Löt- und/oder Klebeverbindung an der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht 40 befestigt ist. Das zweite Substrat 70 kann mindestens eine Schaltung zum Betreiben und/oder Auswerten des aus den Elektronen 10 und 36 gebildeten Sensorelements aufweisen. Insbesondere kann das zweite Substrat 70 ein MEMS- oder ein ASIC-Substrat sein.
Das erste Substrat 16, vorzugsweise ein SOI-Substrat 16', kann zumindest teilweise weggeätzt sein. Insbesondere kann zum Wegätzen der Substratschicht 16b des SOI-Substrats 16' die Siliziumoxidschicht 16a des SOI-Substrats 16' als Ätzstoppschicht genutzt sein und anschließend optional entfernt werden. Wie anhand der 15 und 16 erkennbar ist, kann die mindestens eine Epi-Polysiliziumschicht 40 auch vergleichsweise dünn ausgebildet sein. Außerdem kann aus der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht 40 ein Kontaktelement 38f gebildet werden, welches über die zweite Leiterbahn 20a aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 21 an die erste Elektrode 10 elektrisch angebunden ist.
In 16 ist weiter dargestellt, dass bei der Befestigung eines weiteren Substrats 70 auch der Membranbereich der zweiten Elektrode 36 fest mit dem weiteren Substrat 70 verbunden werden kann.
17 und 18 zeigen schematische Querschnitte durch eine vierzehnte und eine fünfzehnte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
In diesen Ausführungsformen sind jeweils eine seismische Masse 104 und/oder mindestens eine Gegenelektrode 106 aus dem zweiten Substrat 70 herausstrukturiert, welche für einen Beschleunigungssensor und/oder einen Drehratensensor verwendbar sind. Wie anhand der 17 und 18 erkennbar ist, kann eine von den Elektroden 10 und 36 weg gerichtete Außenseite der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht 40 auch als Kappe für die seismische Masse 104 und/oder die mindestens eine Gegenelektrode 106 verwendet werden. Außerdem kann mittels der Bondverbindungen auch für diese Ausführungsformen ein Bondrahmen 110 gebildet werden
Auch in dem zweiten Substrat 70 können Kontaktelemente 112 und Leiterbahnen 114 ausgebildet sein. Das mikromechanische Bauteil der 18 weist außerdem noch einen an einer von den Elektroden 10 und 36 weg gerichteten Rückseite 116 des zweiten Substrats 70 Kontaktelemente 118 mit Bondpads 120 auf.
Alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile können in kapazitiven Sensorvorrichtungen eingesetzt werden, welche noch über mindestens ein weiteres sensitives Element zum Erfassen einer anderen physikalischen Größe als den Druck verfügen. Außerdem kann bei allen oben beschriebenen mikromechanischen Bauteilen noch eine seismische Masse oder ein paramagnetisches Element an mindestens einer der Elektroden 10 und 36 angeordnet sein. Die oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile können somit auch zum Ermitteln einer Beschleunigung und/oder einer magnetischen Feldstärke eingesetzt werden.

Claims

Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensorvorrichtung mit den Schritten: Bilden einer ersten Elektrode (10) zumindest teilweise aus einer ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (13); und Abscheiden zumindest einer Isolierschicht (18) über der ersten Elektrode (10); Bilden zumindest einer zu der ersten Elektrode (10) ausgerichteten Innenseite einer Schicht (20) einer zweiten Elektrode (36) aus einer zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (21) auf der Isolierschicht (18), wobei durch die die Innenseite bildende Schicht (20) der zweiten Elektrode (36) durchgehende Aussparungen (22) strukturiert werden; Bilden eines Hohlraums (26) zwischen der ersten Elektrode (10) und der die Innenseite bildende Schicht (20) der zweiten Elektrode (36) durch Wegätzen eines Teilbereichs zumindest der Isolierschicht (18) durch die durchgehenden Aussparungen (22) in der die Innenseite bildende Schicht (20) der zweiten Elektrode (36) hindurch; und Abdichten der durchgehenden Aussparungen (22) in der die Innenseite bildende Schicht (20) der zweiten Elektrode (36) nach dem Bilden des Hohlraums (26) mittels einer Verschlussschicht (28); und Bilden mindestens einer Verstärkungsschicht (34) der zweiten Elektrode (36) und mindestens eines an der ersten Elektrode (10), der die Innenseite bildende Schicht (20) der zweiten Elektrode (36), einer ersten Leiterbahn (10a) aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (13), einer zweiten Leiterbahn (20a) aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (21) und/oder einem leitfähigen Substratbereich (50d) elektrisch angebundenen Kontaktelements (38a bis 38f) aus mindestens einer Epi-Polysiliziumschicht (40), wobei mittels der innersten mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht (40) zumindest ein die durchgehenden Aussparungen (22) in der die Innenseite bildende Schicht (20) der zweiten Elektrode (36) abdichtender Teilbereich (42) der Verschlussschicht (28) und mindestens eine mittels mindestens einer Kontaktöffnung (30a, 30b, 30d, 30e) freigelegte Teilfläche (32a bis 32e) der ersten Elektrode (10), der die Innenseite bildende Schicht (20) der zweiten Elektrode (36), der ersten Leiterbahn (10a), der zweiten Leiterbahn (20a) und/oder des leitfähigen Substratbereichs (50d) abgedeckt werden, wobei die erste Elektrode (10) auf zumindest einer weiteren Isolierschicht (12, 16a), welche eine Oberseite (14) eines ersten Substrats (16, 16', 16b) zumindest teilweise abdeckt, gebildet wird, und wobei ein zweites Substrat (70) über mindestens eine Bond-, Löt- und/oder Klebeverbindung an der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht (40) befestigt wird, und wobei das erste Substrat (16, 16', 16b) nach einem Befestigen des zweiten Substrats (70) über die mindestens eine Bond-, Löt- und/oder Klebeverbindung an der mindestens einen Epi-Polysiliziumschicht (40) weggeätzt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Innenseite (20) der zweiten Elektrode (36) mit mindestens einer Stresskompensationsschicht (24) zumindest teilweise abgedeckt wird, und wobei die durchgehenden Aussparungen (22) auch durch die Stresskompensationsschicht (24) strukturiert werden.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens zwei Epi-Polysiliziumschichten als die mindestens eine Epi-Polysiliziumschicht (40) abgeschieden werden, und wobei mindestens eine Stressausgleichschicht zwischen zwei benachbarten Epi-Polysiliziumschichten abgeschieden wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei vor dem Abscheiden der Isolierschicht (18) eine Zwischenisolierschicht (97) auf der ersten Elektrode (10) abgeschieden wird, und wobei auf der Zwischenisolierschicht (97) eine Zwischenelektrode (90) gebildet wird, welche zumindest teilweise mit der Isolierschicht (18) abgedeckt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Bilden des Hohlraums (26) zwischen der ersten Elektrode (10) und der die Innenseite bildende Schicht (20) der zweiten Elektrode (36) durch Wegätzen des Teilbereichs zumindest der Isolierschicht (18) mittels eines isotropen Oxidplasmaätzschritts erfolgt.
Herstellungsverfahren für eine kapazitive Sensorvorrichtung mit dem Schritt: Anordnen eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellten mikromechanischen Bauteils in und/oder an der kapazitiven Sensorvorrichtung.