DE102016216870A1

DE102016216870A1 - Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils mit einer freigestellten Drucksensoreinrichtung und mikromechanisches Bauteil

Info

Publication number: DE102016216870A1
Application number: DE102016216870.3A
Authority: DE
Inventors: Timo Lindemann; Heiko Stahl; Michaela Mitschke; Daniel Haug; Daniel Kaercher; Arne Dannenberg; Mike Schwarz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-09-06
Filing date: 2016-09-06
Publication date: 2018-03-08
Anticipated expiration: 2036-09-07
Also published as: US20200225108A1; KR102339528B1; CN109689566B; TW201811660A; DE102016216870B4; WO2018046307A1; CN109689566A; US10775253B2; KR20190044096A

Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils (100) mit einer freigestellten Drucksensoreinrichtung (12) sowie ein entsprechendes mikromechanisches Bauteil (100). Das Verfahren umfasst die Schritte: Ausbilden eines elektrisch leitfähigen Opferelements (14) in oder an einer ersten Außenfläche eines ersten Substrats (10); Anbringen eines zweiten Substrats (20) an oder auf der Außenfläche des ersten Substrats (10) über dem Opferelement (14); Ausbilden einer Drucksensoreinrichtung (12), umfassend ein anodisches Ätzen des zweiten Substrats (20); Ausbilden mindestens eines Grabens (22) in dem zweiten Substrat (20), welcher bis zu dem Opferelement (14) reicht; und Entfernen (S50), zumindest teilweise, des Opferelements (14) zum Freistellen der Drucksensoreinrichtung (12).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils mit einer freigestellten Drucksensoreinrichtung sowie ein mikromechanisches Bauteil mit einer freigestellten Drucksensoreinrichtung.
Die Drucksensoreinrichtung kann insbesondere eine Drucksensormembran aufweisen oder aus einer Drucksensormembran mit entsprechender elektrischer Kontaktierung bestehen.
Stand der Technik
Mikromechanische Drucksensoren werden häufig als piezoresistive Drucksensoren realisiert. Piezoresistive Drucksensoren sind inhärent stressempfindlich, da sie im Prinzip eine Substratverbiegung im Bereich einer Drucksensormembran messen, wobei jedoch auch Substratverbiegungen des gesamten Bauteils, welches die Drucksensormembran aufweist, mitgemessen werden. Signale, welche auf einer Substratverbiegung des gesamten Bauteils basieren, können nicht, oder nur mit großem Aufwand, von dem eigentlich gewünschten Drucksignal unterschieden werden. Zur Bewältigung dieser Herausforderung existieren im Stand der Technik Konzepte, Referenzstrukturen zur Kompensation einer Substratverbiegung des Bauteils zu verwenden.
Zum Ausbilden von piezoresistiven Drucksensoren wird bisweilen ein sogenanntes APSM-Verfahren verwendet, wobei APSM für „Advanced Porous Silicon Membrane“ steht. Solche APSM-Verfahren werden insbesondere in den Druckschriften DE 10 2004 036 032 A1 sowie DE 10 2004 036 035 A1 beschrieben, auf welche hiermit zur detaillierten Erläuterung von APSM-Verfahren verwiesen wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
Demgemäß ist ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils mit einer freigestellten Drucksensoreinrichtung vorgesehen, mit den Schritten: Ausbilden eines elektrisch leitfähigen Opferelements in oder an einer ersten Außenfläche eines ersten Substrats; Anbringen, beispielsweise Aufbonden, eines zweiten Substrats an oder auf der Außenfläche des ersten Substrats über dem Opferelement; Ausbilden einer Drucksensoreinrichtung, umfassend ein anodisches Ätzen des zweiten Substrats; Ausbilden mindestens eines Grabens in dem zweiten Substrat, welcher bis zu dem Opferelement reicht; und Entfernen des Opferelements zum Freistellen der Drucksensoreinrichtung.
Die Drucksensoreinrichtung kann insbesondere eine Drucksensormembran aufweisen oder daraus bestehen. Das Ausbilden der Drucksensoreinrichtung kann insbesondere unter Verwendung eines APSM-Verfahrens erfolgen. Unter dem Freistellen der Drucksensoreinrichtung ist insbesondere zu verstehen, dass die Drucksensoreinrichtung nur noch über eine verhältnismäßig kleine und/oder dünne Aufhängungseinrichtung mit dem restlichen mikromechanischen Bauteil verbunden ist, um eine größtmögliche mechanische Stressentkopplung der Drucksensoreinrichtung von dem restlichen mikromechanischen Bauteil zu realisieren. Die Drucksensoreinrichtung kann beispielsweise eine Größe von 400 mal 400 Mikrometern aufweisen.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein mikromechanisches Bauteil mit einer freigestellten Drucksensoreinrichtung an einer ersten Seite des Bauteils bereitgestellt, wobei eine von der freigestellten Drucksensoreinrichtung abgewandte Seite des Bauteils eine unbearbeitete Waferoberfläche ist. Unter einer unbearbeiteten Waferoberfläche soll eine polierte oder nicht-polierte Waferoberfläche verstanden werden, welche insbesondere keine offenen oder wiederverschlossenen Ätzgräben, Durchbohrungen oder sonstige, nach Herstellen der Waferoberfläche durchgeführte, Strukturierungen aufweist.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Verwendung von APSM-Verfahren oder zumindest APSM-Verfahrensschritten, insbesondere das Verwenden eines anodischen Ätzens des zweiten Substrats, zum Herstellen einer freigestellten Drucksensoreinrichtung, welche eine besonders hohe Unempfindlichkeit gegenüber Substratverbiegungen des mikromechanischen Bauteils aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere unter Verwendung von APSM-Verfahrensschritten, ermöglicht außerdem die Herstellung des gesamten mikromechanischen Bauteils von einer einzigen Seite des Bauteils aus (z.B. von einer Waferoberseite aus), so dass eine zweite Seite des Bauteils, insbesondere eine Waferrückseite, intakt bleibt. Die intakt belassene Waferrückseite, das heißt die von der freigestellten Drucksensoreinrichtung abgewandte Seite des mikromechanischen Bauteils, bleibt somit vorteilhaft für die meisten Standard-Handlingsanlagen im Prozess und bei der Aufbau- und Verbindungstechnik, inklusive einer Klebung des mikromechanischen Bauteils in einem Package, prozessierbar.
Das Verwenden eines elektrisch leitfähigen Opferelements hat den Vorteil, dass ein Stromfluss bei dem anodischen Ätzen des zweiten Substrats durch das Opferelement nicht oder nur in sehr geringem Maße beeinflusst wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird das Opferelement einkristallin ausgebildet. Alternativ kann das Opferelement polykristallin ausgebildet sein, wodurch sich das Verfahren vereinfachen kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Opferelement Germanium auf oder besteht aus Germanium, beispielsweise aus einem Silizium-Germanium-Gemisch. Germanium hat den Vorteil, dass es einen Stromfluss während des anodischen Ätzens nicht beeinflusst. Zudem ist Germanium beispielsweise mit Xenondifluorid, XeF₂, oder Chlortrifluorid, ClF₃, besonders schnell zu ätzen (zum Beispiel mehrere Mikrometer pro Minute). Außerdem ist Germanium selektiv Silizium und hochselektiv zu anderen Materialien, beispielsweise Oxiden, Nitriden und Metall), welche bei der Herstellung der Drucksensoreinrichtung Verwendung finden können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Opferelement ganzflächig auf oder an der ersten Außenfläche des ersten Substrats ausgebildet. Somit kann das Verfahren vereinfacht durchgeführt werden. Wird als Opferelement Germanium und als Substrat Silizium verwendet, kann das erste Substrat mit dem Opferelement somit als Silicon-on-Germanium-Wafer bezeichnet werden.
Soll ein erstes Element „auf“ einer Außenseite eines zweiten Elements ausgebildet werden, so soll darunter sowohl verstanden werden, dass es unmittelbar an dem zweiten Element an der Außenseite, das heißt, der Außenfläche, des zweiten Elements ausgebildet wird, als auch, dass es mittelbar über dieser Außenseite ausgebildet wird. Soll das erste Element „an“ der Außenseite des zweiten Elements ausgebildet werden, ist darunter zu verstehen, dass es unmittelbar an der Außenseite, das heißt, der Außenfläche, ausgebildet wird. Soll das erste Element in Bezug auf ein zweites Element auf eine bestimmte Weise angeordnet werden, soll damit nicht notwendigerweise bestimmt sein, dass das zweite Element schon ausgebildet sein muss, wenn das erste Element ausgebildet wird. Vielmehr wird hier ein Endzustand beschrieben, welchen der Fachmann entsprechend der Beschreibung herzustellen weiß. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Opferelement lateral beschränkt an der ersten Außenfläche des ersten Substrats ausgebildet. Das Substrat mit dem darin ausgebildeten Opferelement kann als „engineered substrate“ bezeichnet werden.
Das Ausbilden eines lateral, das heißt in Richtungen parallel zu der ersten Außenfläche des ersten Substrats, beschränkten Opferelements kann die Maßhaltigkeit des mikromechanischen Bauteils verbessern und somit Vorhalte zu während der Herstellung benachbarten mikromechanischen Bauteilen und/oder etwaigen Ritzgräben auf demselben Wafer reduzieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der mindestens eine Graben in dem zweiten Substrat mit mindestens einer Aussparung ausgebildet, welche als Aufhängungseinrichtung für die freigestellte Drucksensoreinrichtung fungiert. Die Aussparung kann beispielsweise als ein Federelement ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird vor dem Ausbilden des mindestens einen Grabens eine mindestens eine Öffnung aufweisende Oxidschicht auf dem zweiten Substrat ausgebildet. Das Ausbilden des Grabens kann durch Einleiten eines Ätzmittels durch die mindestens eine Öffnung hindurch zum Ätzen des zweiten Substrats erfolgen. Die Oxidschicht kann zumindest teilweise an dem mikromechanischen Bauteil belassen werden und als Aufhängungseinrichtung für die freigestellte Drucksensoreinrichtung fungieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 bis 5 schematische Darstellungen zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils mit einer freigestellten Drucksensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 bis 10 schematische Darstellungen zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils mit einer freigestellten Drucksensoreinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
11 bis 14 schematische Darstellungen zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils mit einer freigestellten Drucksensoreinrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die 1 bis 14 zeigen allesamt schematische Querschnittsansichten durch ein – entweder in Herstellung befindliches oder bereits fertiggestelltes – mikromechanisches Bauteil.
1 bis 5 erläutern ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils mit einer freigestellten Drucksensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es wird vornehmlich die Herstellung eines einzelnen mikromechanischen Bauteils beschrieben. Dabei versteht es sich, dass vorteilhaft eine Vielzahl von mikromechanischen Bauteilen gemeinsam auf einem Wafer hergestellt werden können. Die Fertigstellung jedes einzelnen mikromechanischen Bauteils kann ein Vereinzeln umfassen.
1 zeigt, wie in einem Schritt S10 ein elektrisch leitfähiges Opferelement 14 an einer ersten Außenfläche 10-o eines ersten Substrats 10 ausgebildet wird. Bei dem ersten Substrat 10 kann es sich insbesondere um ein Siliziumsubstrat handeln.
Zum Ausbilden des elektrisch leitfähigen Opferelements 14 kann eine Abscheidung eines elektrisch leitfähigen Materials epitaktisch oder polykristallin erfolgen. Beispielsweise wird das elektrisch leitfähige Opferelement 14 ganzflächig auf die erste Außenfläche 10-o des ersten Substrats 10 abgeschieden, das heißt die gesamte Außenfläche 10-o des ersten Substrats 10 wird mit dem elektrisch leitfähigen Opferelement 14, zum Beispiel mit einer Germaniumschicht, bedeckt.
2 zeigt, wie in einem Schritt S20 ein zweites Substrat 20 auf, insbesondere an der Außenfläche 10-o des ersten Substrats 10 über dem Opferelement 14 angebracht wird. Insbesondere kann das zweite Substrat 20 direkt an dem Opferelement 14 angebracht werden. Beispielsweise kann das zweite Substrat 20 direkt auf eine von der ersten Außenfläche 10-o des ersten Substrats 10 abgewandte erste Außenfläche 14-o des Opferelements 14 gebondet werden. Dazu kann es vorteilhaft sein, beispielsweise wenn als elektrisch leitfähiges Opferelement 14 polykristallines Germanium verwendet wird, dass die erste Außenfläche 14-o des Opferelements 14 zuvor poliert wird, beispielsweise mittels eines chemisch-mechanischen Polierens (CMP, Englisch: „chemical mechanical polishing“ / “chemical mechanical planarization“).
Vor dem Bonden des zweiten Substrats 20 und dem Opferelement 14 können die jeweiligen Oberflächen, welche miteinander in Verbindung kommen werden, von oberflächlichen (nativen) Oxiden befreit werden.
Das zweite Substrat 20 kann beispielsweise ebenfalls aus Silizium bestehen oder Silizium aufweisen. Insbesondere können als erstes und zweites Substrat 10, 20 Silizium-Wafer verwendet werden, um die gleichzeitige Herstellung einer Vielzahl von mikromechanischen Bauteilen zu ermöglichen. Das zweite Substrat 20 ist bevorzugt ein einkristallines Substrat, insbesondere ein einkristallines Siliziumsubstrat. Somit kann das zweite Substrat 20 eine einkristalline Silizium-Funktionsschicht an einer Außenseite des mikromechanischen Bauteils bilden oder bereitstellen. In oder auf einem solchen einkristallinen zweiten Substrat 20 können vorteilhaft besonders gut eine Membran und/oder Piezowiderstände ausgebildet werden. Dadurch können sich eine spätere Herstellung einer Drucksensoreinheit und/oder ein anodisches Ätzen vereinfachen.
Das Opferelement 14 und das zweite Substrat 20 können, insbesondere wenn das zweite Substrat 20 aus Silizium und das Opferelement 14 aus Germanium oder einer Silizium-Germanium-Mischung besteht oder Germanium aufweist, verschmolzen werden (fusion bonding). Dabei können Temperaturen zum Einsatz kommen, welche über 800°C liegen, da sowohl Germanium als auch Silizium hochtemperaturbeständig sind.
Nach dem Anbringen des zweiten Substrats 20 an oder auf dem Opferelement 14 kann das zweite Substrat 20 auf eine gewünschte Zieldicke zurückgedünnt werden. Innerhalb dieser Dicke wird später die freigestellte Drucksensoreinrichtung ausgebildet werden. Es kann somit vorteilhaft sein, die Dicke des zweiten Substrats bei dem Zurückdünnen möglichst klein zu wählen, beispielsweise unter 50 Mikrometer, um eine Masse der freigestellten Drucksensoreinrichtung klein und damit eine Resonanzfrequenz hoch zu halten. Zudem sind auf diese Weise Zugänge zu dem Opferelement 14 einfacher und/oder schneller herstellbar. Alternativ kann eine Dicke des zweiten Substrats 20 jedoch auch größer gewählt werden, insbesondere falls höhere Massen und/oder kleinere Resonanzfrequenzen der späteren Drucksensoreinrichtung erwünscht sind. Vorteilhaft wird auch nach dem Zurückdünnen des zweiten Substrats 20 eine erste Außenfläche 20-o des zweiten Substrats 20, welche von dem Opferelement 14 und dem ersten Substrat 10 abgewandt ist, poliert, beispielsweise mittels eines chemisch-mechanischen Planarisierens.
3 stellt schematisch dar, wie in einem Schritt S30 eine – noch nicht freigestellte – Drucksensoreinrichtung 12 in dem zweiten Substrat 20, insbesondere an der ersten Außenfläche 20-o des zweiten Substrats 20 ausgebildet wird. Insbesondere umfasst das Ausbilden S30 der Drucksensoreinrichtung 12 ein anodisches Ätzen S31 des zweiten Substrats 20 an der ersten Außenfläche 20-o des zweiten Substrats 20. Bevorzugt erfolgt das anodische Ätzen S31 derart. Die Drucksensoreinrichtung 12 kann mit einer Drucksensormembran 23 und einer Anzahl von piezoelektrischen Widerständen 21 zum Erfassen von Verformungen der Drucksensormembran 23 ausgebildet werden. Das Ausbilden S30 der Drucksensoreinrichtung 12 erfolgt vorteilhaft in einem APSM-Verfahren, wobei eine Porösifizierung des Substrats 20 erzielt werden kann. Dabei wird ein Stromtransport durch das erste und das zweite Substrat 10, 20 und das Opferelement 14 aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des Opferelements 14 nicht behindert. Beispielsweise könnten Opferschichten aus Siliziumoxid oder vergrabene Hohlräume den für APSM-Verfahren benötigten Stromfluss durch das erste und das zweite Substrat 10, 20 verzerren oder sogar unmöglich machen.
Besonders bevorzugt wird das Opferelement 14 so gewählt, dass es den Stromfluss während des anodischen Ätzens S31 bei dem Ausbilden S30 der Drucksensoreinrichtung 12 nicht verändert, insbesondere keine Stromlinien verbiegt und/oder eine homogene Leitfähigkeit durch das erste und das zweite Substrat 10, 20 aufrechterhält.
Bei dem Ausbilden S30 der Drucksensoreinrichtung 12 können weiterhin (nicht dargestellte) elektrische Kontaktierungen der piezoelektrischen Widerstände 21 und/oder Bondpads, insbesondere in oder an der ersten Außenfläche 20-o des zweiten Substrats 20, ausgebildet werden. Auch hier kann aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des Opferelements 14 gewährleistet werden, dass sich keine gravierenden Abweichungen in der Prozessperformance ergeben.
4 veranschaulicht schematisch, wie in einem Schritt S40 mindestens ein Graben 22 in dem zweiten Substrat 20, genauer: in der ersten Außenfläche 20-o des zweiten Substrats 20, ausgebildet wird, welcher bis zu dem Opferelement 14 oder darüber hinaus reicht, beispielsweise bis in das erste Substrat 10 hinein. Vorteilhaft wird keiner der Gräben 22 durch das gesamte im Entstehen begriffene Bauteil hindurch geführt, das heißt, keine der Gräben 22 erreicht eine zweite Außenfläche 10-u des ersten Substrats 10, welche von dem Opferelement 14 und dem zweiten Substrat 20 abgewandt ist.
Der mindestens eine Graben 22 kann insbesondere mittels eines reaktiven Ionentiefätzens (DRIE von Englisch: „Deep Reactive Ion Etching“) durchgeführt werden. Bei dem reaktiven Ionentiefätzen handelt es sich um einen hochanisotropen Trockenätzprozess für die Herstellung von Mikrostrukturen in Silizium mit einem Aspektverhältnis von Tiefe zu Breite von z.B. bis zu 50:1.
Der mindestens eine Graben 22 weist gemäß der vorliegenden Ausführungsform mindestens eine Aussparung 24 auf, das heißt eine beim Ätzen ausgesparte Struktur, welche schlussendlich als Aufhängungseinrichtung für die freigestellte Drucksensoreinrichtung 12 fungieren kann oder wird. In 4 sind schematisch zwei Aussparungen 24 symbolisch als Sprungfedern dargestellt, womit auf die mechanisch entkoppelnden Eigenschaften der Aussparungen 24 als Aufhängungseinrichtungen hingewiesen werden soll. In der Tat können die Aussparungen 24 federartig und somit mit einer gewissen Elastizität ausgebildet sein, um in einem gewissen Rahmen ein Bewegen der später freigestellten Drucksensoreinrichtung 12 zu ermöglichen. Abgesehen von den Aussparungen 24 ist der mindestens eine Graben 22 vorzugsweise derart ausgebildet, dass der Graben 22 die später freizustellende Drucksensoreinrichtung 12 vollständig umschließt, beispielsweise in Form eines Quadrats oder Rechtecks bei Draufsicht auf die erste Außenfläche 20-o des zweiten Substrats 20.
Die Aussparungen 24 können insbesondere bündig mit der ersten Außenfläche 20-o des zweiten Substrats 20 ausgebildet bzw. belassen werden. Die Aussparungen 24 können insbesondere etwaige bereits ausgebildete elektrische Kontakte zu den piezoelektrischen Widerständen 21 aufweisen. Alternativ können solche elektrischen Kontakte später auf den Aussparungen 24 ausgebildet werden.
5 veranschaulicht schematisch, wie in einem Schritt S50 das Opferelement 14 zumindest teilweise entfernt wird, um die Drucksensoreinrichtung 12 freizustellen. Das Entfernen S50 des Opferelements 14 erfolgt, falls es sich bei dem Opferelement 14 um eine Germaniumschicht oder eine Schicht mit oder aus einem Germanium-Silizium-Gemisch handelt, vorteilhaft mit Xenodifluorid, XeF₂, oder Chlortrifluorid, ClF₃. Dabei bleibt die zweite Außenfläche 10-u des ersten Substrats 10 vorteilhaft geschlossen, was eine weitere Prozessierung vereinfachen kann.
Das erste Substrat 10 kann an der zweiten Außenfläche 10-u vor oder nach dem Entfernen S50 des Opferelements 14 rückgedünnt werden, um eine Gesamthöhe des Aufbaus (das heißt des in der Herstellung befindlichen mikromechanischen Bauteils oder der im Prozess befindlichen Waferstruktur mit der Vielzahl von in Herstellung befindlichen mikromechanischen Bauteilen) zu reduzieren. Alternativ kann das erste Substrat 10 auch nach einem optionalen Aufbonden einer Kappe auf die erste Außenfläche 20-o des zweiten Substrats 20 rückgedünnt werden. Die Kappe wird dabei vorteilhaft über der Drucksensoreinrichtung 12 zu deren Schutz aufgebondet.
Optional können nach dem Ausbilden des mindestens einen Grabens 22 und der Aussparungen 24 Seitenwände der Drucksensoreinrichtung 12 und der Aussparungen 24 mit einer dünnen Schutzschicht beschichtet werden, um ein seitliches Anätzen dieser Strukturen während des Entfernens S50 des Opferelements 14 zu verhindern oder zu verringern. Die dünne Schutzschicht kann beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht von zum Beispiel 100 Nanometern Dicke sein.
Wie aus 5 ersichtlich, ist bei dem fertig gestellten Bauteil 100 somit an einer ersten Seite 100-1 des Bauteils 100 die freigestellte Drucksensoreinrichtung 12 ausgebildet, während an einer von der freigestellten Drucksensoreinrichtung 12 abgewandten Seite 100-2 des Bauteils die zweite Außenfläche 10-u des ersten Substrats 10 als eine unbearbeitete oder lediglich polierte und/oder gedünnte, insbesondere geschlossene Waferoberfläche des das erste Substrat 10 bildenden Wafers angeordnet ist. Ein so ausgebildetes mikromechanisches Bauteil 100 ist an der Seite 100-2 des Bauteils 100 besonders einfach weiter zu verarbeiten, beispielsweise noch unvereinzelt an dem Wafer.
Die folgenden 6 bis 10 illustrieren schematisch ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils mit einer freigestellten Drucksensoreinrichtung 12 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren gemäß den 6 bis 10 unterscheidet sich von dem Verfahren gemäß 1 bis 5 darin, dass bei dem folgenden Verfahren das elektrisch leitfähige Opferelement 14’ nicht ganzflächig, sondern mit lateralen Begrenzungen ausgebildet wird.
6 veranschaulicht schematisch, wie in einem Schritt S11 zunächst an einer ersten Außenfläche 10-o eines ersten Substrats 10 eine Vertiefung 11 ausgebildet wird. Dazu kann insbesondere eine Vielzahl von Vertiefungen in einem einzelnen Silizium-Wafer ausgebildet werden, welcher für eine Vielzahl von gleichzeitig herzustellenden mikromechanischen Bauteilen als erstes Substrat 10 fungiert. Das erste Substrat 10 kann in jeglicher Hinsicht ausgebildet sein wie im Voransehenden in Bezug auf die 1 bis 5 beschrieben.
7 veranschaulicht, wie in einem Schritt S12 auf der ersten Außenfläche 10-o des ersten Substrats 10, sowohl außerhalb als auch innerhalb der Vertiefung 11 (bzw. aller Vertiefungen 11 auf einem Wafer als erstes Substrat 10) eine elektrisch leitfähige Schicht 15 ausgebildet wird. Die elektrisch leitfähige Schicht 15 kann insbesondere aus Germanium oder einer Silizium-Germanium-Mischung bestehen oder Silizium und/oder Germanium aufweisen. Das Ausbilden S12 der elektrisch leitfähigen Schicht 15 kann epitaktisch oder polykristallin erfolgen. Insbesondere erfolgt das Ausbilden S12 der elektrisch leitfähigen Schicht 15 derart, dass die gesamte, mit den Vertiefungen 11 strukturierte, erste Außenfläche 10-o des ersten Substrats 10 mit der elektrisch leitfähigen Schicht 15 bedeckt ist. Vorteilhaft wird die elektrisch leitfähige Schicht 15 mit einer Dicke ausgebildet, welche einer Tiefe der Vertiefungen 11 gleich ist.
8 veranschaulicht schematisch, wie in einem Schritt S13 mittels eines Schleif- oder Polierprozesses der in den Schritten S11 und S12 hergestellte Aufbau von der Seite der ersten Außenfläche 10-o des ersten Substrats 10 her eingeebnet wird. Insbesondere erfolgt dies zumindest, oder genau, bis die Bereiche der ersten Außenfläche 10-o des ersten Substrats 10, in welchen keine Vertiefung 11 ausgebildet wurde, freigelegt sind. Das Abschleifen kann auch weiter durchgeführt werden als nur bis zu den Bereichen ohne die Vertiefungen 11, jedoch vorteilhaft nicht weiter als bis zum Boden der Vertiefungen 11, das heißt nicht so weit, dass die elektrisch leitfähige Opferschicht 15 wieder entfernt wird.
Somit ergibt sich, wie in 8 als Endergebnis gezeigt, dass in der Vertiefungen 11 ein Überrest der elektrisch leitfähigen Schicht 15 als ein Opferelement 14’ in der ersten Außenfläche 10-o des ersten Substrats 10 ausgebildet ist.
9 veranschaulicht schematisch, wie in einem Schritt S21 ein zweites Substrat 20 an der Außenfläche 10-o des ersten Substrats 10 und/oder an einer mit der ersten Außenfläche 10-o des ersten Substrats 10 koplanaren Außenfläche 14’-o des Opferelements 14‘ ein zweites Substrat 20 angebracht wird, beispielsweise wie in Bezug auf 2 und den Verfahrensschritt S20 beschrieben.
Das zweite Substrat 20 kann ebenso ausgebildet sein wie in Bezug auf die 1 bis 5 beschrieben, d.h. das zweite Substrat 20 kann beispielsweise ebenfalls aus Silizium bestehen oder Silizium aufweisen. Insbesondere können als erstes und zweites Substrat 10, 20 Silizium-Wafer verwendet werden, um die gleichzeitige Herstellung einer Vielzahl von mikromechanischen Bauteilen zu ermöglichen. Das zweite Substrat 20 ist bevorzugt ein einkristallines Substrat, insbesondere ein einkristallines Silizium-Substrat.
Im Folgenden können die Verfahrensschritte S30, S31, S40 und S50 durchgeführt werden, wie im Voranstehenden in Bezug auf die 3 bis 5 beschrieben. Ein auf diese Weise fertiggestelltes mikromechanisches Bauteil 100‘ ist beispielhaft in 10 gezeigt.
Durch die Strukturierung und laterale Begrenzung des Opferelements 14’, nämlich durch Teile des Substrats 10, kann eine nicht erforderliche Unterätzung des zweiten Substrats 20 fort von der Drucksensoreinrichtung 12 in Richtung zu einem lateralen Rand des mikromechanischen Bauteils vermieden werden, was zu einer Stabilisierung des mikromechanischen Bauteils 100 und einer Platzreduzierung führen kann.
Bei dieser Variante des Verfahrens kann vorteilhaft in dem Schritt S50 das Opferelement 14‘ vollständig entfernt werden, was die Prozessführung vereinfachen kann, ohne dass eine strukturelle Integrität des Bauteils sich dadurch verschlechtert.
11 bis 14 veranschaulichen Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils 100’ mit einer freigestellten Drucksensoreinrichtung 12’ gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das Verfahren gemäß 11 bis 14 ist eine Variante der Verfahren gemäß 1 bis 5 oder gemäß 6 bis 10, welches entweder an die Verfahrensschritte S10, S20, S30 und S31 oder an die Verfahrensschritte S11, S12, S13, S21, S30 und S31 anknüpft.
Konkret ist in 11 bis 14 beispielhaft der Fall dargestellt, dass zunächst die Schritte S11, S12, S13, S21, S30 und S31 durchgeführt werden.
11 veranschaulicht schematisch, wie in einem Schritt S41 auf der ersten Außenfläche 20-o des zweiten Substrats 20 sowie auf einer in den vorangehenden Schritten S30, S31 ausgebildeten, jedoch noch nicht freigestellten Drucksensoreinrichtung 12‘ eine strukturierte Oxidschicht 26 ausgebildet wird. Die strukturierte Oxidschicht 26 wird derart strukturiert ausgebildet, dass sie mindestens eine Öffnung 28, bevorzugt eine Vielzahl von Öffnungen 28, aufweist, welche sich durch die Oxidschicht 26 hindurch bis auf die erste Außenfläche 20-o des zweiten Substrats 20 erstrecken.
Die Öffnungen 28 in der Oxidschicht 26 können beispielsweise eine Gitterstruktur aufweisen. Bei der Oxidschicht kann es sich beispielsweise um Siliziumoxid handeln. Bevorzugt sind die Öffnungen 28 derart ausgebildet, dass sich eine zusammenhängende Gitterstruktur ringförmig um die freizustellende Drucksensoreinrichtung 12’ erstreckt.
12 veranschaulicht schematisch, wie in einem Schritt S42 mindestens ein Graben 22’ durch das zweite Substrat 20 hindurch zumindest bis zu dem Opferelement 14’ ausgebildet wird, indem ein Ätzmittel durch die mindestens eine Öffnung 28 hindurch zum Ätzen des zweiten Substrats 20 eingeleitet wird. Dabei kann vorteilhaft ein einzelner Graben 22’ als ein durchgehender Isolationsgraben um die freizustellende Drucksensoreinrichtung 12’ ausgebildet werden, welcher von der Oxidschicht 26 überspannt wird, um die Drucksensoreinrichtung 12‘ besonders umfassend mechanisch zu entkoppeln.
Bevorzugt ist die Oxidschicht 26 im gesamten Bereich, welcher oberhalb des Grabens 22’ liegt, zusammenhängend mit einer Löcher aufweisenden Gitterstruktur ausgebildet. Diese Gitterstruktur kann nach dem Freistellen der Drucksensoreinrichtung 12’ als Aufhängungseinrichtung für die freigestellte Drucksensoreinrichtung 12’ fungieren. Auch das Ausbilden des mindestens einen Grabens 22’ kann mittels eines reaktiven Ionentiefätzens(DRIE)-Prozesses erfolgen. Dabei wird vorteilhaft ein Kantenverlust eingestellt, welcher eine komplette Freistellung des mindestens einen Grabens 22’ bewirkt, analog den sogenannten Airgap-TSVs, wobei TSV für den englischen Begriff „through-silicon via“ steht.
13 veranschaulicht schematisch, wie in einem Schritt S50, ebenso wie in Bezug auf 5 beschrieben, das Opferelement 14’, insbesondere vollständig, zum Freistellen der Drucksensoreinrichtung 12’ entfernt wird.
Vorzugsweise wird als Ätzmittel Xenondifluorid, XeF₂, oder Chlortrifluorid, ClF₃, verwendet. Aufgrund der hohen Ätzselektivität dieser Ätzmittel gegenüber einem Oxid wird hierbei vorteilhaft keine oder nur eine sehr geringe Schwächung der Oxidschicht 26 im Bereich des Grabens 22’ bewirkt.
14 zeigt schematisch, wie in einem Schritt S60 nach dem Entfernen S50 des Opferelements 14’ optional auf einer von dem zweiten Substrat 20 abgewandten Außenfläche 26-o der Oxidschicht 26 eine Verschlussschicht 30 ausgebildet wird. Die Verschlussschicht 30 kann beispielsweise Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid aufweisen oder aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid bestehen. Weiter optional kann zum Druckausgleich ein neues Loch in der Verschlussschicht 30 ausgebildet werden. Alternativ oder zusätzlich kann in einer Gitterstruktur mindestens einer Öffnung 28 in der Oxidschicht 26 ein größeres Loch vorgesehen werden, welches beim Ausbilden der Verschlussschicht 30 nicht vollständig verschlossen wird.
14 zeigt außerdem in einer schematischen Querschnittsansicht das mit dem Verfahren nach den 11 bis 14 hergestellte mikromechanische Bauteil 100‘‘.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004036032 A1 [0004]
DE 102004036035 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils (100; 100‘; 100‘‘) mit einer freigestellten Drucksensoreinrichtung (12; 12‘), mit den Schritten: Ausbilden (S10; S11–S13) eines elektrisch leitfähigen Opferelements (14; 14‘) in oder an einer ersten Außenfläche (10-o) eines ersten Substrats (10); Anbringen (S20; S21) eines zweiten Substrats (20) an oder auf der Außenfläche (10-o) des ersten Substrats (10) über dem Opferelement (14; 14‘); Ausbilden (S30) einer Drucksensoreinrichtung (12; 12‘), umfassend ein anodisches Ätzen (S31) des zweiten Substrats (20); Ausbilden (S40; S42) mindestens eines Grabens (22; 22‘) in dem zweiten Substrat (20), welcher bis zu dem Opferelement (14; 14‘) reicht; und Entfernen (S50), zumindest teilweise, des Opferelements (14; 14‘) zum Freistellen der Drucksensoreinrichtung (12; 12‘).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Opferelement (14; 14‘) einkristallin oder polykristallin ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Opferelement (14; 14) Germanium aufweist oder aus Germanium besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Entfernen (S50) des Opferelements (14; 14‘) durch Ätzen mit Xenondifluorid oder Chlortrifluorid erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Opferelement (14) ganzflächig auf oder an der ersten Außenfläche (10-o) des ersten Substrats (10) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Opferelement (14‘) lateral beschränkt an der ersten Außenfläche (10-o) des ersten Substrats (10) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der mindestens eine Graben (22) in dem zweiten Substrat (20) mit mindestens einer Aussparung (24) ausgebildet wird, welche als Aufhängungseinrichtung für die freigestellte Drucksensoreinrichtung (12) fungiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei vor dem Ausbilden (S42) des mindestens einen Grabens (22‘) eine mindestens eine Öffnung (28) aufweisende Oxidschicht (26) auf dem zweiten Substrat (20) ausgebildet wird (S42); und wobei das Ausbilden (S41) des Grabens (22‘) durch Einleiten eines Ätzmittels durch die mindestens eine Öffnung (28) hindurch zum Ätzen des zweiten Substrats (20) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Oxidschicht (26) zumindest teilweise an dem mikromechanischen Bauteil (100; 100‘‘) belassen wird, um als Aufhängungseinrichtung für die freigestellte Drucksensoreinrichtung (12‘) zu fungieren.
Mikromechanisches Bauteil (100; 100‘; 100‘‘), mit: einer freigestellten Drucksensoreinrichtung (12; 12‘) an einer ersten Seite (100-1) des Bauteils (100; 100‘; 100‘‘); wobei eine von der freigestellten Drucksensoreinrichtung (12) abgewandte Seite (100-2) des Bauteils (100; 100‘; 100‘‘) eine unbearbeitete Waferoberfläche ist.