DE102015206996A1 - Verfahren zum Herstellen von mikroelektromechanischen Strukturen in einer Schichtenfolge und ein entsprechendes elektronisches Bauelement mit einer mikroelektromechanischen Struktur - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von mikroelektromechanischen Strukturen in einer Schichtenfolge und ein entsprechendes elektronisches Bauelement mit einer mikroelektromechanischen Struktur Download PDF

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Arnd Kaelberer
Christian Zielke
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Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen von mikroelektromechanischen Strukturen (ME1) in einer Schichtenfolge und ein entsprechendes elektronisches Bauelement mit einer mikroelektromechanischen Struktur. Das Verfahren umfasst eine Bereitstellen eines Trägersubstrats (T1) mit einer ersten Oberfläche (10), ein Aufbringen einer Isolationsschicht (I1) auf die erste Oberfläche (10), ein epitaktisches Aufwachsen einer ersten Siliziumschicht (S1) auf die Isolationsschicht (I1), ein Strukturieren der ersten Siliziumschicht (S1) zum Ausbilden von Gräben (G) in der ersten Siliziumschicht (S1), ein Passivieren der ersten Siliziumschicht (S1), wobei die Gräben (G) befüllt werden und sich auf einer der ersten Oberfläche (10) abgewandten Seite eine Passiervierungsschicht (P) bildet, ein Strukturieren der Passivierungsschicht (P), wobei sich in der ersten Siliziumschicht (S1) Opferbereiche (O1) und Funktionsbereiche (F1) ausbilden, und die Opferbereiche (O1) auf einer der Trägersubstrat (T1) abgewandten Seite zumindest stellenweise frei von der Passiervierungsschicht (P) sind und schließlich Entfernen der Opferbereiche (O1).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von mikroelektromechanischen Strukturen in einer Schichtenfolge und ein entsprechendes elektronisches Bauelement mit einer mikroelektromechanischen Struktur.
  • Stand der Technik
  • Obwohl das hier beschriebene Verfahren auf beliebige mikroelektromechanische Strukturen anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von MEMS-Strukturen („microelectromechanical systems“) auf Siliziumbasis erläutert.
  • Insbesondere für eine Verwendung in Beschleunigungssensoren oder Drehratensensoren, die auf kapazitiven Messverfahren beruhen (kapazitive MEMS) bzw. in elektrostatisch angetriebenen Mikro-Aktuatoren (z.B. Mikrospiegel), umfassen mikroelektromechanische Strukturen im Wesentlichen eine oder mehrere leitfähige Funktionsschichten, die feststehende und bewegliche Bereiche enthalten. Bewegliche Bereiche werden während der Herstellung durch eine sogenannte Opferschicht fixiert, die am Ende des Fertigungsprozesses selektiv entfernt wird.
  • In der DE 10 2009 045 385 A1 ist ein Verfahren zum Verschließen eines Grabens eines mikromechanischen Bauelements beschrieben.
  • In der US 2013/0115775 A1 ist ein Verfahren zum Formen von Opferbereichen beschrieben.
  • In der DE 10 2006 032 195 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von MEMS-Strukturen beschrieben.
  • Die DE 10 2009 029 202 A1 beschreibt ein mikromechanisches System sowie ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Systems.
  • Insbesondere ist ein Herstellen von großen Opferkavernen schwierig, da beispielsweise bei einer Abscheidung von entsprechend dicken Opferschichten insbesondere eine unerwünschte Verformung eines Trägersubstrats resultieren kann. Diese unerwünschte Verformung kann durch aufwändige und kostspielige zusätzliche stresskompensierende Schichten ausgeglichen werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen von mikroelektromechanischen Strukturen in einer Schichtenfolge mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein entsprechendes elektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
  • Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft insbesondere ein Verfahren zum Herstellen beispielsweise komplexer MEMS-Strukturen mit hoher Effektivität auf engem Raum. Insbesondere ist das Verfahren geeignet besonders kleine MEMS-Strukturen herzustellen und somit einer geforderten Miniaturisierung zu entsprechen.
  • Es ist insbesondere eine Idee der Erfindung durch das erfindungsgemäße Verfahren mehrschichtige MEMS-Funktionsstrukturen mit großer vertikaler Ausdehnung, beispielsweise größer 50 Mikrometer, zu schaffen. Insbesondere soll es mit dem Verfahren auch möglich sein sehr großvolumige Opferschichtblöcke bzw. Opferschichtbereiche bereitzustellen, die entsprechend wieder entfernt werden können, sowie mechanische und elektrische Verbindungen und Trennungen frei und unabhängig voneinander zu gestalten.
  • Die Erfindung schafft insbesondere einen CMOS- und hochtemperaturtauglichen Prozess zur Herstellung von mehrschichtigen bzw. mehrlagigen MEMS-Strukturen aus Silizium. Hierbei umfassen die Funktionsbereiche als auch die Opferbereiche das Silizium. Hierbei ist es insbesondere möglich, simultan im gleichen Prozessschritt Funktionsbereiche und Opferbereiche zu strukturieren und mittels Passivierungsschichten bzw. Isolationsschichten voneinander zu trennen. Die entstandenen Opferbereiche können beispielsweise mittels Gasphasenätzen nach Beendigung des Verfahrens zum Herstellen von mikroelektromechanischen Strukturen entfernt werden.
  • Beispielsweise eignet sich das Verfahren zum Herstellen von mehrschichtigen Systemen mit großer vertikaler Ausdehnung und bietet die Möglichkeit, ein Waferbonden einzusparen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die aufeinander gestapelten alternierenden Schichtenfolgen aus Silizium und Passivierungsschicht besonders genau gegeneinander justiert werden.
  • Jede Schichtebene kann unabhängig von den darüber oder darunter liegenden Ebenen strukturiert und gestaltet werden. Es sind ferner auch ineinander verzahnte bzw. sich überlappende Funktionsbereiche insbesondere hinsichtlich einer vertikalen Ausdehnung, möglich. Das Verfahren ermöglicht insbesondere weiterhin, elektrische Verbindungen/Isolationen und mechanische Verbindungen/Isolationen unabhängig innerhalb der Funktionsbereiche frei zu definieren.
  • Durch Passivierungstechniken wie beispielsweise thermische Oxidation und/oder Tetraethylorthosilicat-(TEOS)-Abscheidung, Siliziumcarbid-(SiC)-Abscheidung, Siliziumcarbonitrid-(SiCN)-Abscheidung, Siliziumnitrid-(SixNy)-Abscheidung oder Siliziumoxynitrid-(SiON)-Abscheidung werden Bereiche der Siliziumschicht, welche nicht geätzt werden sollen, vor dem Ätzangriff geschützt. Die Bereiche der Siliziumschicht, also die Opferbereiche, mit Zugang zum Ätzmedium werden beispielsweise vollständig geätzt. Für viele Anwendungen ist es vorteilhaft eine Oxid-Passivierungsschicht nach dem Entfernen bzw. Ätzen der Opferbereiche mittels HF-Gasphasenätzen zu entfernen.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wiederholen sich die Verfahrensschritte des epitaktischen Aufwachsens, Strukturierens und Passivierens der ersten Siliziumschicht und Strukturierens der Passivierungsschicht vor dem Entfernen der Opferbereiche und ein Ausbilden weiterer Opferbereiche und weiterer Funktionsbereiche hängt von dem Strukturieren der weiteren Siliziumschichten und/oder der weiteren Passivierungsschichten ab. Somit kann auf einfache Art und Weise eine funktionale Schichtenfolge hergestellt werden. Ferner können die aufeinander gestapelten Schichten insbesondere genau gegeneinander justiert werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgt nach dem Entfernen der Opferbereiche zumindest stellenweise ein Entfernen der Passivierungsschicht. Dies ist möglich, da durch das erfindungsgemäße Verfahren die Funktionsbereiche vorteilhaft zueinander vollständig fixiert sein können. Beispielsweise kann das Entfernen der Passivierungsschicht bzw. des Oxids durch Gasphasenätzen, Plasmaätzen und/oder Nassätzen erfolgen. Mit anderen Worten kann die Passivierungsschicht besonders einfach entfernt werden. Des Weiteren kann die Passivierungsschicht bzw. das Oxid vollständig durch das Ätzen entfernt werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgt das epitaktische Aufwachsen der ersten Siliziumschicht auf einem SOI-Substrat (Silicon-on-Insulator; auf Deutsch: Silizium auf einen Isolator) oder das SOI-Substrat umfasst die erste Siliziumschicht. Mit anderen Worten weist das SOI-Substrat eine Schichtdicke auf, sodass dessen oberste Siliziumschicht als die erste Siliziumschicht fungieren kann. Dies hat den Vorteil, dass die erste Siliziumschicht insbesondere monokristallin sein kann. Ferner befinden sich beispielsweise Verdrahtungsschichten auf dem isolierenden Material des SOI, wodurch sich kürzere Schaltzeiten und geringere Leistungsaufnahmen, besonders bezüglich der Leckströme, ergeben.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die epitaktisch aufgewachsene Siliziumschicht eine einkristalline, poly-kristalline und/oder eine epi-polykristalline Siliziumschicht. Epi-polykristalline Siliziumschichten sind extrem dicke Poly-Siliziumschichten von Dicken bis zu mehreren 10 Mikrometern. Dies hat den Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren für eine Vielzahl von Beschichtungsanlagen Einsatz finden kann.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung beträgt eine Schichtdicke der epitaktisch aufgewachsenen Siliziumschicht zwischen 0,5 und 100 Mikrometer. Bevorzugt weist die Schicht eine Dicke von 20 bis 60 µm auf. Unter „Dicke“ wird im vorliegenden Zusammenhang eine vertikale Ausdehnung einer Schicht verstanden. Unter „vertikal“ versteht man eine Richtung, welche sich quer, insbesondere senkrecht, in Bezug auf eine Ebene erstreckt. Es können insbesondere großvolumige Opferbereiche hergestellt werden, wobei gleichzeitig ein Verbiegen bzw. Verformen des Trägersubstrats aufgrund vom Spannungen („stress“) verhindert werden kann.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung fungiert die Isolationsschicht als Ätzstoppschicht. Hierbei ist vorteilhaft, dass insbesondere das Ausbilden der Gräben in der epitaktisch aufgewachsenen Siliziumschicht besonders einfach durchgeführt werden kann. Es kann durch Verwendung von Ätzstoppschichten insbesondere auf aufwendige und insbesondere stark schwankende zeitabhängige Ätzverfahren verzichtet werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Ausbilden der Gräben mittels eines Trench-Prozesses. Hierbei sind insbesondere Gräben, die eine Breite von 1 bis 4 Mikrometer aufweisen, vorteilhaft. Diese werden durch eine thermische Oxidation passiviert und/oder durch eine TEOS-Abscheidung geschlossen bzw. befüllt. Des Weiteren können auch plasmalose Ätzverfahren zum Einsatz kommen. Beispielsweise sind plasmalose Ätzverfahren vorteilhaft bei epitaktisch aufgewachsenen dünnen Siliziumschichten, die eine Dicke von wenigen Mikrometer aufweisen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Strukturieren der Passivierungsschicht durch ein Trockenätzverfahren und/oder Nassätzverfahren.
  • Somit ist es möglich die Passivierungsschicht insbesondere einfach zu entfernen, ohne auf ein spezifisches Ätzverfahren zurückgreifen zu müssen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgen nach dem epitaktischen Aufwachsen der Siliziumschicht ein chemisch-mechanisches Polieren und/oder eine zusätzliche Dotierung durch Implantation oder Belegung. Somit können insbesondere die beim epitaktischen Aufwachsen der Siliziumschicht entstehenden topologischen Unregelmäßigkeiten bzw. Höhenunterschiede auf einfache Art und Weise planarisiert werden. Durch die zusätzliche Dotierung durch Implantation oder Belegung kann auf einfache Art und Weise ein spezieller Widerstand in der Siliziumschicht eingestellt werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Entfernen der Opferbereiche durch plasmaloses und/oder plasmaunterstütztes Ätzen. Somit können die Opferbereiche ohne den Einsatz spezieller Ätzverfahren besonders einfach entfernt werden. Das plasmalose Ätzen kann beispielsweise durch Chlortrifluorid (ClF3), Chlorfluorid (ClF), Chlorpentafluorid (ClF5), Bromtrifluorid (BrF3), Brompentafluorid (BrF5), Jodpentafluorid (IF5), Jodheptfluorid (IF7), Schwefeltetrafluorid (SF4), Xenondifluorid (XeF2) oder ähnliche Substanzen erfolgen. Das plasmaunterstützte Ätzen kann beispielsweise durch Fluorplasma, Chlorplasma und/oder Bromplasma erfolgen. Insbesondere kann das Ätzen auch auf einer Kombination aus plasmalosen und plasmaunterstützen Ätzen basieren.
  • Die für das hier beschriebene Verfahren offenbarten Merkmale gelten auch für ein mittels dieses Verfahrens hergestelltes elektronisches Bauelement und umgekehrt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1–11 schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zum Herstellen von mikroelektromechanischen Strukturen in einer Schichtenfolge gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 12 ein schematisches Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Herstellen von mikroelektromechanischen Strukturen in einer Schichtenfolge.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
  • 1 bis 11 zeigen schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zum Herstellen von mikroelektromechanischen Strukturen in einer Schichtenfolge gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • In 1 bezeichnet Bezugszeichen T1 ein Trägersubstrat mit einer ersten Oberfläche 10. Auf der ersten Oberfläche 10 des Trägersubstrats T1 können insbesondere Isolationsschichten I1, I1‘ bzw. dielektrische Schichten abgeschieden sein. Das Trägersubstrat bzw. die Isolationsschicht I1, I1’ der 1 umfassen ferner eine Verdrahtungsschicht V1.
  • Auf den Isolationsschichten I1, I1‘ wird eine erste Siliziumschicht S1 epitaktisch aufgewachsen. Die epitaktisch aufgewachsene erste Siliziumschicht S1 kann sowohl undotiert, p- oder n-dotiert sein. Eine Dicke der ersten Siliziumschicht S1 kann beispielsweise zwischen wenigen hundert Nanometern und größer gleich 100 Mikrometer betragen. Die Dicke der epitaktisch aufgewachsenen Siliziumschicht richtet sich im Wesentlichen nach der gewünschten Höhe einer Schichtenfolge, wobei jede Siliziumschicht S1 bis S4 in Opferbereiche O1 bzw. O4 und Funktionsbereiche F1 bis F4 unterteilt sein kann (siehe 9 bis 11).
  • Ferner kann nach dem epitaktischen Aufwachsen der ersten Siliziumschicht S1 eine Planarisierung einer Topologie bzw. Rauigkeit mittels CMP (chemischmechanisches Polieren) und/oder eine zusätzliche Dotierung zum Einstellen eines speziellen Widerstandes erfolgen.
  • Alternativ kann ein epitaktisches Aufwachsen der ersten Siliziumschicht S1 auf einem SOI (Silicon-on-Insulator) erfolgen, wodurch das Aufbringen der Isolationsschichten I1, I1‘ sich erübrigen kann.
  • In 2 bezeichnet Bezugszeichen G Gräben bzw. Trenches. Das Ausbilden der Gräben G kann durch einen Trenchprozess erfolgen. Die sich ausbildenden Gräben G sind bevorzugt oberhalb der Isolationsschicht I1, I1‘ angeordnet, wobei die Isolationsschicht I1‘ insbesondere als eine Ätzstoppschicht fungieren kann.
  • In 3 bezeichnet Bezugszeichen P eine Passivierungsschicht, die sich während eines Passivierens der ersten Siliziumschicht S1 bildet, wobei die Gräben G befüllt werden und sich auf einer der ersten Oberfläche 10 abgewandten Seite eine Passivierungsschicht P bildet.
  • In 4 wird die Passivierungsschicht P strukturiert, wobei sich in der ersten Siliziumschicht S1 Opferbereiche O1 und Funktionsbereiche F1 ausbilden, wobei die Opferbereiche O1 auf einer dem Trägersubstrat T1 abgewandten Seite zumindest stellenweise frei von der Passivierungsschicht P sind (siehe 9). Die Stellen in einer dritten Dimension, welche frei von der Passivierungsschicht sein können, sind in der zweidimensionalen Darstellung der 4 nicht gezeigt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass sich diese in der dritten Dimension der mikroelektro-mechanischen Struktur befinden können.
  • Mit anderen Worten werden Opferbereiche O1 und Funktionsbereiche F1 durch geeignet schmale Gräben G voneinander separiert. Dabei werden Opferbereiche durch spätere Opferbereich- bzw. Opferschichtätzung entfernt, Funktionsbereiche bzw. Funktionselemente bleiben nach einer Opferbereichsstrukturierung bzw. Opferschichtstrukturierung erhalten. Die laterale Ausdehnung bzw. die Breite der Gräben (auf Englisch: trenches) ist abhängig von der darauf folgenden Passivierung bzw. Verschlusstechnik.
  • Vorteilhaft sind schmale Trenches zwischen 1 bis 4 Mikrometer, diese werden durch eine thermische Oxidation passiviert und/oder durch eine TEOS-Abscheidung geschlossen/verfüllt. Das heißt, durch die Strukturierung der Passivierungsschichten P können Kontaktstellen zwischen einer Oberfläche der Siliziumschicht S1 und der folgenden Siliziumschichten S2, S3, S4 hergestellt werden. Diese Kontaktstellen dienen entweder der elektrischen, mechanischen Kontaktierung oder Verbindung zweier Silizium-Opferbereiche bzw. Silizium-Opferebenen. Je nach Ätzmedium unterscheiden sich die Ätzratenunterschiede zwischen der Siliziumschicht S1, S2, S3, S4 und der Passivierungsschicht P, so dass auch alternative Passivierungsmaterialien für ein Passivieren möglich sind, zum Beispiel SixNy, SiC, SiCN oder SiON.
  • Insbesondere kann in den Bereichen, die frei von der Passivierungsschicht P sind, also der Siliziumoberfläche, durch eine CVD (Chemische Gasphasenabscheidung)-Polysiliziumabscheidung der Kontakt hergestellt werden. Das Polysilizium kann als dünne Verdrahtungsebene oder als Startschicht für dickere epitaktische Siliziumschichten bzw. Epi-Polysiliziumschichten dienen. Alternativ kann auch ohne Polysiliziumschicht direkt epitaxiert werden, indem eine Prozessführung gewählt wird, bei der sich von selbst Kristallisationskeime bilden.
  • In 5 bis 8 werden die mittels der 1 bis 4 beschriebenen Verfahrensschritte entsprechend wiederholt, wobei sich eine zweite bzw. n-te epitaktisch aufgewachsene Siliziumschicht S2, ..., Sn ausbildet.
  • Es soll erwähnt werden, dass insbesondere eine sich ausbildende erhöhte Rauigkeit bzw. Unebenheit bei epitaktischer Abscheidung dickerer Siliziumschichten wie bereits oben beschrieben vorteilhaft durch einen CMP-Prozess verringert bzw. planarisiert werden kann (siehe 5 und 6). Vorhandene Siliziumschichten können durch geeignete Dotierverfahren, zum Beispiel in situ oder durch Implantation bzw. Belegung in ihrer elektrischen Leitfähigkeit verändert werden. Wie in den 7 und 8 gezeigt, kann nun die vorhandene zweite Siliziumschicht S2 durch Strukturieren bzw. Ausbilden von Gräben wiederum in Opferbereiche O2 und Funktionsbereiche F2 unabhängig von der darunterliegenden Aufteilung der ersten Siliziumschicht S1 aufgeteilt werden.
  • In 9 bezeichnen die Bezugszeichen S1, S2, S3, S4 entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte epitaktisch aufgewachsene Siliziumschichten. Durch das oben beschriebene Strukturieren der entsprechenden Siliziumschichten S1 bis S4 und deren Passivierung bilden sich wie in der 10 gezeigt Opferbereiche O1 bzw. O4 aus, die durch Ätzen entfernt werden können. Entsprechend umfassen die Siliziumebenen die Siliziumschichten S1 bis S4, wobei jede Siliziumschicht S1 bis S4 pro Ebene entsprechend Opferbereiche O1 bis O4 und Funktionsbereiche F1 bis F4 aufweist.
  • Die 11 unterscheidet sich von der 10 dadurch, dass zusätzlich die Passivierungsschicht P durch ein Ätzverfahren entfernt wurde. Wie in der 11 gezeigt, sind die Funktionsbereiche F1 bis F4 untereinander derart fixiert, dass auch ohne Passivierungsschicht P die mikroelektromechanische Struktur ME1 aufrechterhalten bleibt.
  • Es versteht sich von selbst, dass eine Unterteilung in Opferbereiche O1 bis O4 und Funktionsbereiche F1 bis F4 der hier beschriebenen epitaktisch aufgewachsenen Siliziumschichten S1 bis S4 nicht zwingend erfolgen muss. Vielmehr kann jeder der Siliziumschichten S1 bis S4 auch vollständig als Funktionsbereich bzw. Funktionsschicht fungieren. Ein Bestimmen bzw. Definieren von Opferbereichen hängt vielmehr von der gewünschten mikroelektromechanischen Struktur der Schichtenfolge und ihrer späteren Funktion ab.
  • Um mechanische Verbindungen bei gleichzeitiger elektrischer Isolation in den Funktionsbereichen zu realisieren, beispielsweise für Verdrahtungsebenen, kann die Verwendung eines zweiten Dielektrikums vorteilhaft sein, welches idealerweise bei der Ätzung der Passivierungsschicht (P) oder der Siliziumschichten S1 bis S4 nicht oder nur sehr wenig angegriffen wird. Bei Verwendung von F-Plasma/XeF2 und HF als Ätzmedien bietet sich beispielsweise Siliziumnitrid als zweites Dielektrikum alternativ zu einem Oxid an.
  • Siliziumnitridanteile müssen ähnlich wie die Funktionsbereiche vor XeF2 mit der Passivierungsschicht P geschützt werden. Insbesondere können auch andere Dielektrika verwendet werden. Je nach Selektivität gegenüber den Ätzmedien kann sich die Anordnung eines zweiten Dielektrikums innerhalb der hier beschriebenen Schichtenfolge ergeben. Es können also folgende Verbindungen zwischen zwei aufeinandergestapelten Schichten hergestellt werden:
    • – Funktions-Silizium/Funktions-Silizium (direkte Verbindung, elektrisch leitfähig)
    • – Funktions-Silizium/Funktions-Silizium (nur mechanische Verbindung über ein Dielektrikum)
    • – Funktions-Silizium/Opfer-Silizium (und umgekehrt; Verbindung über ein Dielektrikum, welches beim Ätzen der Opferbereiche nicht oder nur wenig geätzt wird)
    • – Opfer-Silizium/Opfer-Silizium (direkte Verbindung)
  • Der weitere Aufbau zu einer komplexen 3D-Struktur (z.B. komplexer MEMS-Strukturen wie Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Mikrospiegel, etc.) erfolgt durch wiederholen der entsprechenden obigen Verfahrensschritte, wobei die durch epitaktisches Aufwachsen produzierten Opfer- und Funktionsbereiche sich durch frei wählbare Schichtdicken unterscheiden können. Vorteilhaft sind Schichtdicken der epitaktischen oder polyepitaktischen Siliziumschichten von 0,5 bis 100 Mikrometer. Dünne Siliziumschichten eignen sich beispielsweise als federnde Elemente für vertikale Auslenkungen (z.B. Aufhängungen, Biegefedern, Membrane, etc), dicke Siliziumschichten sind vorteilhaft zur Herstellung von Elektrodenkämmen oder um große Volumen zu füllen bzw. als Opferbereiche auch wieder zu entfernen.
  • Die 12 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Herstellen von mikroelektromechanischen Strukturen in einer Schichtenfolge.
  • In einem ersten Schritt A erfolgt ein Bereitstellen eines Trägersubstrats T1 mit einer ersten Oberfläche 10. In einem zweiten Schritt B erfolgt ein Aufbringen einer Isolationsschicht I1 auf die erste Oberfläche 10. In einem Schritt C erfolgt ein epitaktisches Aufwachsen einer ersten Siliziumschicht S1 auf die Isolationsschicht I1. In einem weiteren Schritt D erfolgt ein Strukturieren der ersten Siliziumschicht S1 zum Ausbilden von Gräben G in der ersten Siliziumschicht S1, wobei sich die Gräben G zumindest stellenweise durch die erste Siliziumschicht S1 erstrecken. Danach wird in einem Schritt E die erste Siliziumschicht S1 passiviert, wobei die Gräben G gefüllt werden und sich auf einer der ersten Oberfläche abgewandten Seite eine Passivierungsschicht P bildet. In einem nächsten Schritt F wird die Passivierungsschicht P strukturiert, wobei sich in der ersten Siliziumschicht S1 Opferbereiche O1 und die Funktionsbereiche F1 ausbilden, wobei die Opferbereiche O1 auf einer der Trägersubstrat abgewandten Seite zumindest stellenweise frei von der Passivierungsschicht P sind.
  • Danach werden in einem Schritt G die Opferbereiche, beispielsweise durch Ätzen, entfernt.
  • Die in der 12 gezeigten Verfahrensschritte A bis G können insbesondere gemäß der in 12 gezeigten Reihenfolge durchgeführt werden.
  • Somit lassen sich insgesamt ein effizientes und kostengünstiges Verfahren zum Herstellen von mikroelektromechanischen Strukturen in einer Schichtenfolge und ein elektronisches Bauelement mit einer mikromechanischen Struktur schaffen.
  • 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
    • DE 102009045385 A1 [0004]
    • US 2013/0115775 A1 [0005]
    • DE 102006032195 A1 [0006]
    • DE 102009029202 A1 [0007]

Claims (12)

  1. Verfahren zum Herstellen von mikroelektromechanischen Strukturen (ME1) in einer Schichtenfolge mit den Schritten: Bereitstellen eines Trägersubstrats (T1) mit einer ersten Oberfläche (10); Aufbringen einer Isolationsschicht (I1) auf die erste Oberfläche (10); Epitaktisches Aufwachsen einer ersten Siliziumschicht (S1) auf die Isolationsschicht (I1); Strukturieren der ersten Siliziumschicht (S1) zum Ausbilden von Gräben (G) in der ersten Siliziumschicht (S1), wobei sich die Gräben (G) zumindest stellenweise durch die erste Siliziumschicht (S1) erstrecken; Passivieren der ersten Siliziumschicht (S1), wobei die Gräben (G) befüllt werden und sich auf einer der ersten Oberfläche (10) abgewandten Seite eine Passiervierungsschicht (P) bildet; Strukturieren der Passivierungsschicht (P), wobei sich in der ersten Siliziumschicht (S1) Opferbereiche (O1) und Funktionsbereiche (F1) ausbilden, und die Opferbereiche (O1) auf einer der Trägersubstrat (T1) abgewandten Seite zumindest stellenweise frei von der Passiervierungsschicht (P) sind; und Entfernen der Opferbereiche (O1).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich die Schritte des epitaktischen Aufwachsens, Strukturierens und Passivierens der ersten Siliziumschicht und Strukturierens der Passivierungsschicht (P) vor dem Entfernen der Opferbereiche (O1) wiederholen und ein Ausbilden weiterer Opferbereiche (O2, O3, O4) und weiterer Funktionsbereiche (F2, F3, F4) von dem Strukturieren der weiteren Siliziumschichten (S2, S3, S4) und der weiteren Passivierungsschichten (P) abhängt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei nach dem Entfernen der Opferbereiche (O1, O2, O3, O4) zumindest stellenweise ein Entfernen der Passivierungsschicht (P) erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das epitaktische Aufwachsen der ersten Siliziumschicht (S1) auf einem SOI-Substrat (Silicon-on-Insulator) erfolgt oder das SOI-Substrat die erste Siliziumschicht (S1) umfasst.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die epitaktisch aufgewachsene Siliziumschicht (S1) eine einkristalline, poly-kristalline und/oder eine epi-polykristalline Siliziumschicht (S1) umfasst.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Schichtdicke der epitaktisch aufgewachsenen Siliziumschicht (S1) zwischen 0,5 und 100 Mikrometer, bevorzugt 20 bis 60 Mikrometer, beträgt.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Isolationsschicht (I1) als Ätzstoppschicht fungiert.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Ausbilden der Gräben mittels eines Trenchprozesses erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Strukturieren der Passivierungsschicht (P) durch ein Trockenätzverfahren und/oder Nassätzverfahren erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei nach dem epitaktischen Aufwachsen der Siliziumschicht (S1, S2, S3, S4) ein chemischmechanisches Polieren und/oder eine zusätzliche Dotierung durch Implantation oder Belegung erfolgen.
  11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Entfernen der Opferbereiche (O1, O2, O3, O4) durch plasmaloses und/oder plasmaunterstütztes Ätzen erfolgt.
  12. Elektronisches Bauelement mit einer mikroelektromechanischen Struktur (ME1), welche aufweist: eine alternierende Abfolge von strukturierten Siliziumschichten (S1, S2, S3, S4) und strukturierten Passivierungsschichten (P), wobei die Struktur der Passivierungsschichten (P) zumindest stellenweise von der Struktur der Siliziumschichten (S1, S2, S3, S4) abhängt, und wobei jede strukturierte Siliziumschicht (S1, S2, S3, S4) zumindest stellenweise nebeneinander angeordnete Opferbereiche (O1, O2, O3, O4) und/oder Funktionsbereiche (F1, F2, F3, F4) umfasst.
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