DE102017218635B4

DE102017218635B4 - Verfahren zum Verschließen einer Zugangsöffnung zu einer Kavität und MEMS-Bauelement mit einem Verschlusselement

Info

Publication number: DE102017218635B4
Application number: DE102017218635.6A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Metzger-Brueckl; Johann Strasser; Uwe Hoeckele; Alfons Dehe; Arnaud WALTHER
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2037-10-19
Also published as: US10913656B2; KR20190043480A; US20190112182A1; DE102017218635A1; CN109678105A; KR102586274B1

Abstract

Verfahren (100) zum Verschließen einer Zugangsöffnung (230) zu einer Kavität (220), mit folgenden Schritten:Bereitstellen (120) einer Schichtanordnung (221) mit einer ersten Schichtstruktur (210) und einer angrenzend an die erste Schichtstruktur (210) angeordneten Kavität (220), wobei die erste Schichtstruktur (210) eine Zugangsöffnung (230) zu der Kavität (220) aufweist,Durchführen (140) einer CVD-Schichtabscheidung zum Bilden einer ersten Abdeckungsschicht (240) mit einer Schichtdicke (D240) auf der ersten Schichtstruktur (210) mit der Zugangsöffnung (230), wobei die Schichtdicke (D240) der ersten Abdeckungsschicht (240) im Verhältnis zu einem Durchmesser (D230) der Zugangsöffnung (230) gewählt wird, um eine Verjüngung (240-A) der ersten Abdeckungsschicht (240) in einem Mittenbereich der Zugangsöffnung (230) zu erhalten, undDurchführen (160) einer HDP-Schichtabscheidung mit einem ersten und zweiten Teilschritt zum Bilden einer zweiten Abdeckungsschicht (250) auf der ersten Abdeckungsschicht (240),wobei bei dem ersten Teilschritt eine Abscheidung einer Liner-Materialschicht (250) auf der ersten Abdeckungsschicht (240) erfolgt,wobei bei dem zweiten Teilschritt ein teilweises Rücksputtern der Liner-Materialschicht (250) und ferner der ersten Abdeckungsschicht (240) im Bereich (230-A) der Zugangsöffnung (230) erfolgt, undwobei der erste und zweite Teilschritt abwechselnd und mehrmals wiederholt durchgeführt werden.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Verschließen einer Zugangsöffnung zu einer Kavität eines Bauelements, z. B. einer Release-Öffnung eines MEMS-Bauelements oder eines MEMS-Mikrofons, wobei die Kavität z.B. einen atmosphärischen Unterdruck aufweisen kann, und ferner auf ein entsprechendes MEMS-Bauelement (MEMS = Mikro-Elektromechanisches System) mit einer einen atmosphärischen Unterdruck aufweisenden, verschlossenen Kavität. Ausführungsbeispiele beziehen sich insbesondere auf ein Herstellungsverfahren zum Erzeugen speziell ausgebildeter lokaler Verschlusselemente der Zugangsöffnung(en) an einer Schichtstruktur bzw. Membranstruktur eines MEMS-Bauelements, wobei angrenzend an die Schichtstruktur die Kavität angeordnet ist. Ausführungsbeispiele beziehen sich somit auf ein hermetisch verschlossenes Doppelmembranmikrofon (Engl. Sealed double-membrane microphone) bzw. ein Vakuummikrofon mit einer auf einem Trägersubstrat angeordneten Doppelmembrananordnung und einer dazwischen liegenden Gegenelektrodenstruktur, wobei die Kavität zwischen den beiden Membranelementen einen atmosphärischen Unterdruck bzw. ein Vakuum aufweist und hermetisch verschlossen ist.
Hintergrund
MEMS-Bauelemente, wie z. B. akustische MEMS-Sensoren oder MEMS-Mikrofone, sind funktionsbedingt offene Bauelemente und somit gegenüber der umliegenden Umgebung freiliegend, um z. B. Töne, Geräusche etc. in Form von Schalldruckänderungen in der Umgebung zu erfassen. Daher sind solche MEMS-Bauelemente häufig auch rauen Umgebungsbedingungen, wie z. B. mechanische Belastungen, Stößen und auch hohen Schalldrücken, ausgesetzt. Um eine Fehlfunktion oder eine verringerte Leistungsfähigkeit von MEMS-Bauelementen, wie z. B. akustischen MEMS-Sensoren, zu verhindern, sollten alle Elemente und insbesondere die mechanisch beweglichen Elemente des MEMS-Bauelements eine ausreichende mechanische Robustheit aufweisen, um innerhalb der Anwendung, z. B. innerhalb mobiler Geräte wie Smartphones, Notebooks etc., die geforderte Funktionsfähigkeit während der vorgegebenen Lebensdauer beizubehalten.
Dies trifft insbesondere für MEMS-Bauelemente mit einer einen atmosphärischen Unterdruck bzw. ein Vakuum aufweisenden Kavität zu, bei denen kleine Zugangsöffnungen zu der Kavität hermetisch verschlossen werden sollen, und dieser hermetische Verschluss auch bei rauen Umgebungsbedingungen sicher und zuverlässig die geforderte Funktionalität des MEMS-Bauelements beibehalten soll.
Die US 2009 / 0 215 214 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Versiegeln einer Kavität.
Die DE 10 2008 040 970 A1 bezieht sich auf eine mikromechanische Vorrichtung mit Kavernen mit unterschiedlichem atmosphärischen Innendruck.
Die DE 10 2008 002 332 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Membranstruktur mit Zugang von der Substratrückseite.
Die US 2013 / 0 134 530 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen getrennter Halbleiterstrukturen.
Zusammenfassung
Es besteht daher ein Bedarf nach einem Konzept für ein MEMS-Bauelement, wie z. B. einem Drucksensor, einem akustischen MEMS-Sensor oder einem MEMS-Mikrofon und für ein entsprechendes Herstellungsverfahren, bei dem eine Kavität des MEMS-Bauelements einerseits mit einer hohen mechanischen Robustheit verschlossen werden kann, wobei ferner die Funktionalität, wie z.B. das akustische Verhalten, des MEMS-Bauelements beibehalten wird.
Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden unabhängigen Patentansprüche erfüllt werden. Weiterbildungen des vorliegenden Konzepts sind in den Unteransprüchen definiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Verschließen einer Zugangsöffnung zu einer Kavität folgende Schritte: Bereitstellen einer Schichtanordnung mit einer ersten Schichtstruktur und einer angrenzend an die erste Schichtstruktur angeordneten Kavität, wobei die erste Schichtstruktur eine Zugangsöffnung zu der Kavität aufweist; Durchführen einer CVD-Schichtabscheidung zum Bilden einer ersten Abdeckungsschicht mit einer Schichtdicke D₂₄₀ auf der ersten Schichtstruktur mit der Zugangsöffnung; und Durchführen einer HDP-Schichtabscheidung mit einem ersten und zweiten Teilschritt zum Bilden einer zweiten Abdeckungsschicht auf der ersten Abdeckungsschicht; wobei bei dem ersten Teilschritt eine Abscheidung einer Liner-Materialschicht auf der ersten Abdeckungsschicht erfolgt, wobei bei dem zweiten Teilschritt ein teilweises Rücksputtern der Liner-Materialschicht und ferner der ersten Abdeckungsschicht im Bereich oberhalb der Durchgangsöffnung erfolgt, und wobei der erste und zweite Teilschritt abwechselnd und mehrmals wiederholt durchgeführt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS-Bauelement eine Schichtanordnung mit einer ersten Schichtstruktur und einer angrenzend an die erste Schichtstruktur angeordneten Kavität, wobei die erste Schichtstruktur eine Zugangsöffnung zu der Kavität aufweist, und einen strukturierten Abdeckungsschichtstapel zum Bilden eines lokales Verschlusselements an der Durchgangsöffnung, wobei das lokale Verschlusselement eine Schichtfolge mit einer CVD- Schicht und einer HDP-Schicht aufweist.
Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich beispielhaft auf ein Verfahren zum Verschließen einer Kavität eines MEMS-Bauelements z.B. in Form eines Vakuum-Mikrofons mit einer hermetisch verschlossenen Doppelmembrankonfiguration, wobei aber darauf hingewiesen wird, dass diese Ausführungen gleichermaßen auf jegliche Bauelemente bzw. MEMS-Bauelemente anwendbar sind, bei denen zumindest eine oder eine Mehrzahl von Zugangsöffnungen in einer Schichtstruktur, die angrenzend an eine Kavität angeordnet ist, auf eine zuverlässige Weise hermetisch verschlossen werden soll.
MEMS-Bauelemente, wie z. B. MEMS-Mikrofone, werden beispielsweise aus einer Abfolge von Schichten bzw. Schichtstrukturen gebildet, wobei die unterschiedlichen Schichten jeweils Halbleitermaterialien wie z. B. poly- oder monokristallines Silizium etc., oder Isolationsmaterialien, wie z. B. Siliziumnitrid oder Siliziumoxid etc., aufweisen können. Das Siliziumoxidmaterial wird dann beispielsweise als Material für Opferschichten verwendet, wobei das Opferschichtmaterial dann aus einem definierten Freilegungsbereich am Ende des Herstellungsprozesses des MEMS-Bauelements mit einem Ätzmittel entfernt wird, um den ausgeräumten Freilegungsbereich bzw. die Kavität oder auch einen Luftspalt zu erhalten. Das Freilegen des Freilegungsbereichs bzw. der Kavität wird auch als Release-Vorgang oder Release-Ätzung bezeichnet. Dazu sind eine oder mehrere bzw. eine Vielzahl von Zugangsöffnungen in der Schichtstruktur angrenzend an die zu bildende Kavität vorgesehen, so dass das aufgebrachte Ätzmittel von außen durch die Zugangsöffnungen der Schichtstruktur in den Freilegungsbereich eindringen und das Opfermaterial aus dem Freilegungsbereich bzw. aus der Kavität entfernen kann.
Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass das vorliegende Konzept auf ansonsten beliebige Ausgestaltungen des MEMS-Bauelements mit beliebigen Opferschicht- und Halbleitermaterialien gleichermaßen anwendbar ist.
Bei einigen MEMS-Anwendungen ist es nun erforderlich, die Zugangsöffnungen in der Schichtstruktur zu der Kavität hermetisch zu verschließen, wie dies beispielsweise bei MEMS-Mikrofonen, Drucksensoren, etc. der Fall sein kann. So weisen beispielsweise hochempfindliche MEMS-Mikrofone zwei getrennt voneinander angeordnete bewegliche Membranstrukturen auf, wobei zwischen den Membranstrukturen eine relativ starre Gegenelektrodenstruktur (auch: Backplate) angeordnet ist. Die beiden Membranstrukturen können somit die Kavität bilden, die insbesondere für hochempfindliche Mikrofone einen atmosphärischen Unterdruck bzw. möglichst ein Hochvakuum aufweisen kann, so dass bei der Auslenkung der mechanisch miteinander verbundenen Membranstrukturen im Wesentlichen keine mechanische Dämpfung gegenüber der Gegenelektrodenstruktur auftritt.
Gemäß Ausführungsbeispielen wird nun ein zuverlässiges, hermetisches Verschließen der Zugangsöffnung(en) der Schichtstruktur zu der Kavität mittels eines zweistufigen Abscheideprozesses erreicht. So wird zunächst eine CVD-Abscheidung (CVD = Chemical Vapor Deposition) durchgeführt, um eine erste Abdeckungsschicht mit einer ersten Schichtdicke D₂₄₀ auf der ersten Schichtstruktur und der Zugangsöffnung bzw. den Zugangsöffnungen zu bilden. Bei der CVD-Abscheidung kann beispielsweise Oxidmaterial , wie z.B. ein Siliziumoxid, oder auch ein Nitridmaterial, wie z.B. ein Siliziumnitrid-Material, auf der ersten Schichtstruktur aufgebracht werden, wobei an der Zugangsöffnung ein Überhangbereich des aufgebrachten Materials an dem Rand der Zugangsöffnung entsteht, soweit die Schichtdicke D₂₄₀ der aufgebrachten, ersten Abdeckungsschicht gewählt wird, um in einem Bereich zwischen dem 0,3- und 1,0-fachen des inneren Minimaldurchmessers bzw. des „lichten“ Durchmessers D₂₃₀ der Zugangsöffnung und bei etwa dem 0,5-fachen des inneren Minimaldurchmessers D₂₃₀ der Zugangsöffnung zu liegen. Bei der CVD-Schichtabscheidung mit dem berücksichtigten Abmessungsverhältnis zwischen der Schichtdicke D₂₄₀ der ersten, aufgebrachten Abdeckungsschicht und dem inneren Minimaldurchmesser D₂₃₀ der Zugangsöffnung wird also CVD-Schicht erhalten, die in einem Mittenbereich oberhalb der jeweiligen Zugangsöffnung einen Überhang an dem Rand der Zugangsöffnung und somit eine Verjüngung der aufgebrachten CVD-Schicht in einem Mittenbereich der jeweiligen Zugangsöffnung aufweist, die aber noch keine zuverlässige, hermetische Versiegelung bzw. Verschluss der Zugangsöffnung vorsehen kann.
Nachfolgend zu dem CVD-Aufbringungsvorgang für die erste Abdeckungsschicht wird nun ferner eine HDP-Schichtabscheidung (HDP = High Density Plasma) durchgeführt, wobei diese HDP-Schichtabscheidung in zwei HDP-Teilschritte unterteilt ist, um eine zweite Abdeckungsschicht auf der ersten Abdeckungsschicht zu bilden. Bei dem ersten Teilschritt der HDP-Schichtabscheidung wird eine Liner-Materialschicht, z. B. mit einem Nitrid- oder Oxid-Material, auf der ersten Abdeckungsschicht durchgeführt, wobei bei dem zweiten Teilschritt ein teilweises Rücksputtern, d.h. ein Materialabtrag mittels Sputtern, sowohl der Liner-Materialschicht als auch der ersten Abdeckungsschicht im Bereich oberhalb der Durchgangsöffnung und insbesondere an dem „Verjüngungsbereich“ der ersten Abdeckungsschicht an der Zugangsöffnung erfolgt. Der erste und zweite Teilschritt der HDP-Schichtabscheidung werden nun abwechselnd (bzw. getrennt voneinander) und mehrmals wiederholt durchgeführt.
Gemäß Ausführungsbeispielen wird der speziell „abgestimmte“ HDP-Schichtabscheidungsprozess zweistufig, d. h. mit einem ersten und zweiten Teilschritt, durchgeführt, wobei zunächst eine Liner-Abscheidung erfolgt, die im Wesentlichen ohne Rücksputterleistung (ohne Bias) durchgeführt wird. Somit kann die gute Kantenbedeckung des Liner-Materials bei dem HDP-Abscheideprozess ausgenutzt werden, während bei dem zweiten Teilschritt ein teilweises Rücksputtern sowohl der aufgebrachten Liner-Materialschicht als auch der ersten Abdeckungsschicht (CVD-Schicht) im Bereich oberhalb der Durchgangsöffnung erfolgt, da das Rücksputtern des HDP-Prozesses insbesondere im Bereich abgeschrägter Kanten, d. h. im Kernbereich der CVD-Schicht an der zu verschließenden Zugangsöffnung stattfindet. Somit wird bei der vorliegenden HDP-Schichtabscheidung ein Rücksputtern der aufgebrachten Schichtstrukturen im Wechsel mit einer Liner-Materialabscheidung durchgeführt.
Durch die Trennung der HDP-Liner-Materialaufbringung und des teilweisen HDP-Materialabtrags (= Rücksputtern) der Liner-Materialschicht und ferner der ersten Abdeckungsschicht vor allem im Bereich oberhalb der Durchgangsöffnung kann der Kernbereich der Verjüngung in der CVD-Schicht an der Zugangsöffnung vollständig verschlossen werden. Der gemäß Ausführungsbeispielen abgestimmte HDP-Prozess weist also eine Aufbringungskomponente und eine Materialentfernungskomponente auf, wodurch der verbleibende verjüngende Bereich in der CVD-Abdeckungsschicht an der jeweiligen Zugangsöffnung vollständig und hermetisch verschlossen werden kann.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann bei dem Durchführen der HDP-Schichtabscheidung 140 ferner ein Anfangsschritt vor dem ersten Teilschritt durchgeführt wird, wobei bei dem Anfangsschritt ein teilweises Rücksputtern der ersten Abdeckungsschicht im Bereich der Durchgangsöffnung erfolgt. Die Prozessparameter der HDP-Schichtabscheidung können nun gewählt werden, um bei dem Anfangsschritt die Zusammensetzung des verwendeten Prozessgases so einzustellen, dass das Rücksputtern mit einer zumindest verringerten Materialaufbringung oder optional auch ohne eine Materialaufbringung durchgeführt wird.
Die Prozessfolge kann also auch mit einem Sputterschritt (= Anfangsschritt) auf der zuvor abgeschiedenen CVD-Schicht beginnen. Nachfolgend werden dann der erste und zweite Teilschritt der HDP-Schichtabscheidung abwechselnd (bzw. getrennt voneinander) und beispielsweise mehrmals wiederholt durchgeführt.
Optional kann nun eine weitere Abdeckungs- bzw. Abdichtungsschicht, z. B. aus einem Siliziumnitrid-Material, mit einem weiteren CVD-Prozess aufgebracht werden, um noch eine weitere hermetische Abdichtungsschicht an der Oberseite des vorhandenen Schichtstapels vorzusehen. Anschließend kann der resultierende Abdeckungsschichtstapel, der auf die erste Schichtstruktur und die darin vorhandenen Zugangsöffnungen aufgebracht wurde, z. B. mit einem selektiven Ätzprozess, so strukturiert werden, um jeweils ein einzelnes Verschlusselement (auch: Sealing Plug) an jeder Zugangsöffnung in der ersten Schichtstruktur zu der Kavität zu erhalten.
Da bei dem HDP-Prozess ein hohes Vakuum (auch: Hochvakuum) bzw. ein hoher atmosphärischer Unterdruck in dem Prozessbereich vorhanden ist, wird bei dem hermetischen Verschließen der Zugangsöffnung(en) in der ersten Schichtstruktur ferner ein entsprechend hohes Vakuum bzw. ein entsprechend hoher atmosphärischer Unterdruck in der Kavität erzeugt und nach dem hermetischen Verschließen auch beibehalten.
Ferner wird durch die dargestellte Vorgehensweise ermöglicht, dass sich nur ein äußerst geringer Anteil der zugeführten Schichtmaterialien bei dem CVD-Aufbringungsprozesses bzw. dem nachfolgenden HDP-Aufbringungsprozess innerhalb der Kavität ablagert, so dass im Wesentlichen keine Änderung der Funktionalität der sich in der Kavität befindlichen MEMS-Elemente, z. B. der beiden Membrane und/oder der Gegenelektroden, bewirkt wird. Ferner wird durch die erhaltenen, getrennt angeordneten, kleinen Verschlusselemente (Sealing Plugs) an der ersten Schichtstruktur im Bereich der Zugangsöffnung(en) die Funktionalität des resultierenden MEMS-Bauelements nicht beeinflusst. Die Anzahl und Position der Verschlusselemente hängt dabei von dem vorangehenden Freilegungs- bzw. Release-Prozess ab, der verwendet wird, um das Opfermaterial aus dem Bereich innerhalb der Kavität zu entfernen.
Gemäß Ausführungsbeispielen wird somit ermöglicht, dass bei dem Verschließen der Zugangsöffnungen zu der Kavität dieser Vorgang unter einem hohen Vakuum durchgeführt wird, so dass in der Kavität ein resultierendes hohes Vakuum erhalten werden kann. Ferner können die Verschlusselemente herstellungsbedingt so ausgebildet werden, dass diese typischen Umgebungsbedingungen für Mikrofone während der Verwendung in mobilen Anwendungen ausgesetzt werden können, ohne eine Fehlfunktion oder eine verringerte Leistungsfähigkeit zu zeigen. Ferner kann der hermetische Verschluss selbst gegenüber Feuchtigkeit zuverlässig erreicht werden. Ferner werden die mechanischen als auch elektrischen Eigenschaften und Funktionalitäten des resultierenden MEMS-Bauelements, d. h. beispielsweise eines MEMS-Mikrofons oder eines MEMS-Sensors, durch die aufgebrachten Verschlusselemente nicht oder nur unwesentlich verändert.
Ausführungsbeispiele ermöglichen somit den Verschluss einer Zugangsöffnung durch eine Schichtstruktur zu einer Kavität, d. h. einer Öffnung ohne Boden, indem die beschriebenen Materialaufbringungsprozesse, d. h. die Abfolge aus CVD- und HDP-Prozess, so durchgeführt werden, dass eine Materialaufbringung im Wesentlichen lediglich bis in den Bereich der Seitenwände der Durchgangsöffnungen bzw. Zugangsöffnungen zu der Kavität erfolgt.
Die Zugangsöffnungen durch die Schichtstruktur zu der Kavität und deren Verschlusselemente können somit an jedem zugänglichen Oberflächenbereich zu der Kavität angeordnet werden.
Die dargestellte Vorgehensweise zum Verschließen einer Kavität, z. B. eines MEMS-Bauelements bzw. eines MEMS-Mikrofons, kann ohne hohen technischen Zusatzaufwand in dem Herstellungsprozess für MEMS-Bauelemente eingebunden und integriert werden.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahmen auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

1a-d beispielhafte Prozessschritte eines Verfahrens zum Verschließen einer Kavität, z. B. eines MEMS-Bauelements, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ein beispielhaftes HDP-Prozesssystem unter Bezugnahme auf spezifische Prozessparameter zum Durchführen des Verfahrens zum Verschließen einer Kavität gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3a-e Detaildarstellungen der zu verschließenden Zugangsöffnungen und der erhaltenen Verschlusselemente während unterschiedlicher Prozessabschnitte des Herstellungsverfahrens zum Verschließen einer Kavität gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
4 eine Prinzipdarstellung eines MEMS-Bauelements in Form eines Vakuum-Mikrofons mit Doppelmembrananordnung zur Erläuterung des Verfahrens zum Verschließen einer Kavität gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Detaillierte Beschreibung
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele im Detail anhand der Zeichnungen und Figuren näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung nicht maßstäblich dargestellt sein.
Im Folgenden wird nun anhand von schematischen Darstellungen in den 1a-d der prinzipielle Ablauf der Verfahrensschritte des Verfahrens 100 zum Verschließen einer Kavität, z. B. eines MEMS-Bauelements (MEMS = mikroelektromechanisches System), gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Zur Vereinfachung der Beschreibung der geometrischen Zusammenhänge ist in den 1a-d beispielhaft ein x-y-z-Koordinatensystem dargestellt, wobei die x-y-Ebene die Zeichenebene darstellt.
Wie in 1a dargestellt ist, wird bei dem Verfahren 100 zum Verschließen einer Kavität zunächst bei einem Schritt 120 eine Schichtanordnung 221 mit einer ersten Schichtstruktur 210 und einer angrenzend an die erste Schichtstruktur 210 angeordneten Kavität 220 bereitgestellt, wobei die erste Schichtstruktur 210 eine Zugangsöffnung 230 zu der Kavität 220 aufweist.
Hinsichtlich der Darstellung der Schichtanordnung 221 in 1a wird darauf hingewiesen, dass lediglich ein geringer Abschnitt der Schichtanordnung 221 beispielsweise eines MEMS-Bauelements (200 - nicht vollständig gezeigt) dargestellt ist, wobei die erste Schichtstruktur 210 beispielsweise als eine Lamelle oder eine bewegliche Membran eines MEMS-Sensorelements ausgebildet sein kann. So kann die erste Schichtstruktur 210 auch eine Mehrzahl bzw. Vielzahl von Zugangsöffnungen 230 aufweisen, wobei in den 1a-d lediglich in einer Detailansicht eine einzelne Zugangsöffnung 230 in der ersten Schichtstruktur 210 dargestellt ist, wobei die nachfolgende Beschreibung aber gleichermaßen auf das Verschließen einer Vielzahl von Zugangsöffnungen 230 zu der Kavität 220 anwendbar ist.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens zum Verschließen der Kavität 220 beispielhaft anhand von MEMS-Bauelementen, wie z.B. MEMS-Mikrofonen bzw. MEMS-Vakuum-Mikrofonen beschrieben wird, wobei die in 1a-d dargestellten schematischen Darstellungen einen Teilabschnitt eines MEMS-Mikrofons darstellen können. Es sollte aber beachtet werden, dass das nachfolgend dargestellte Prinzip und Verfahren zum Verschließen der Zugangsöffnungen in einer Schichtstruktur zu einer Kavität auf beliebige MEMS-Bauelemente anwendbar ist und nicht auf die lediglich beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispiele von MEMS-Mikrofonen beschränkt ist.
Wie in 1a dargestellt ist, ist die Kavität 220 an einer Seite, d.h. nach oben bzw. in y-Richtung, durch die erste Schichtstruktur 210 begrenzt, wobei die Kavität 220 in der Schichtanordnung 221 in den weiteren Richtungen, d. h. in der x- und z-Richtung durch weitere Randelemente (nicht gezeigt in 1a-d) begrenzt bzw. umgeben ist. Die erste Schichtstruktur 210 kann beispielsweise ein Halbleitermaterial, wie z. B. ein poly- oder monokristallines Siliziummaterial, aufweisen. Die erste Schichtstruktur 210 kann beispielsweise eine Schichtdicke D₂₁₀ von 0,25 bis 1 µm, etwa von 0,4 bis 0,6 µm und beispielsweise von etwa 0,5 µm aufweisen. Die Zugangsöffnung 230 in der ersten Schichtstruktur 210 weist beispielsweise einen inneren Minimaldurchmesser bzw. einen „lichten“ Durchmesser D₂₃₀ in einem Bereich von 0,2 bis 1,5 µm, von 0,7 bis 1,3 µm und etwa von 1 µm auf.
Bei Schritt 140 von 1b wird nun eine CVD-Schichtabscheidung (CVD = Chemical Vapor Deposition) durchgeführt, um eine erste Abdeckungsschicht 240 mit einer Schichtdicke D₂₄₀ auf der ersten Schichtstruktur 210 mit der Zugangsöffnung 230 zu bilden. Wie in 1b dargestellt ist, bildet sich in dem Bereich 230-A der Zugangsöffnung 230 ein „überhängendes CVD-Schichtmaterial“ der ersten Abdeckungsschicht 240 an dem Randbereich 230-B der Zugangsöffnung 230. Dadurch bildet sich die erste Abdeckungsschicht 240 bis zu dem Mittenbereich bzw. Kernbereich der Zugangsöffnung 230 in einer verjüngten Form (in der y-Richtung) aus. Die Verjüngung bzw. Kern 240-A des Schichtmaterials 240 kann auch näherungsweise doppelkegelförmig ausgebildet sein. Durch die mittels CVD-Schichtabscheidung erhaltene erste Abdeckungsschicht 240 kann in dem Überhangbereich 230-A mit der (doppelkegelförmigen) Verjüngung in dem Kernbereich 240-A noch kein zuverlässiger hermetischer Verschluss der Zugangsöffnung 230 erreicht werden.
Um diesen Kernbereich 240-A in der ersten Abdeckungsschicht 240 oberhalb der Zugangsöffnung 230 bzw. innerhalb des Öffnungsbereichs 230-A hermetisch zu verschließen, wird nun bei einem Schritt 160, wie in 1c schematisch dargestellt, eine HDP-Schichtabscheidung (HDP = High Density Plasma), die auch als HDP-CVD-Schichtabscheidung bezeichnet wird, zum Bilden einer zweiten Abdeckungsschicht 250 oberhalb bzw. auf der ersten Abdeckungsschicht 240 durchgeführt. Der HDP-Schichtabscheidungsschritt 160 wird dabei in einen ersten und zweiten Teilschritt aufgeteilt. Bei dem ersten Teilschritt erfolgt zunächst eine Abscheidung einer Liner-Materialschicht 250 auf der ersten Abdeckungsschicht 240. Bei dem zweiten Teilschritt erfolgt ein teilweises Rücksputtern der Liner-Materialschicht 250 als auch der ersten Abdeckungsschicht 240 zumindest im Bereich 230-A oberhalb bzw. an der Durchgangsöffnung 230. Der erste und zweite Teilschritt werden nun abwechselnd und mehrmals wiederholt durchgeführt, um die zweite Abdeckungsschicht 250 letztendlich auf der ersten Abdeckungsschicht 240 auszubilden.
Gemäß Ausführungsbeispielen wird der speziell abgestimmte HDP-Schichtabscheidungsprozess zweistufig, d. h. mit einem ersten und zweiten Teilschritt, durchgeführt, wobei zunächst eine Liner-Abscheidung (auch: Linermaterialabscheidung) erfolgt, die im Wesentlichen ohne Rücksputterleistung (ohne Bias) durchgeführt wird. Somit kann die gute Kantenbedeckung des Liner-Materials bei dem HDP-Abscheideprozess ausgenutzt werden, während bei dem zweiten Teilschritt ein teilweises Rücksputtern sowohl die aufgebrachte Liner-Materialschicht als auch die erste Abdeckungsschicht (CVD-Schicht) 240 im Bereich oberhalb der Durchgangsöffnung 230 erfolgt, da das Rücksputtern des HDP-Prozesses insbesondere im Bereich abgeschrägter Kanten, d. h. im Kernbereich der CVD-Schicht an der zu verschließenden Zugangsöffnung 230 erfolgt. Somit wird bei der vorliegenden HDP-Schichtabscheidung ein Rücksputtern der aufgebrachten Schichtstrukturen im Wechsel mit einer Liner-Materialabscheidung gefahren bzw. durchgeführt.
Durch die Trennung der HDP-Liner-Materialaufbringung und des teilweisen HDP-Materialabtrags der Liner-Materialschicht und ferner der ersten Abdeckungsschicht 240 vor allem im Bereich 230-A der Durchgangsöffnung 230 kann der Kernbereich 240-A der Verjüngung in der CVD-Schicht 240 oberhalb der Zugangsöffnung vollständig verschlossen werden. Ferner wird ein relativ tiefer Verschluss der Zugangsöffnung 230 an dem Randbereich 230-B erreicht, da das Verschlussmaterial mit der CVD-Schicht 240 und der HDP-Schicht 250 im Wesentlichen bis zu der unteren Kante (angrenzend an die Kavität) in die Zugangsöffnung 230 eingebracht wird.
Der gemäß Ausführungsbeispielen abgestimmte HDP-Prozess weist also eine Aufbringungskomponente und eine Materialentfernungskomponente auf, wodurch der verbleibende verjüngende Bereich in der CVD-Abdeckungsschicht 240 oberhalb der jeweiligen Zugangsöffnung 230 vollständig und hermetisch verschlossen werden kann.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann bei dem Durchführen der HDP-Schichtabscheidung ferner ein Anfangsschritt vor dem ersten Teilschritt durchgeführt werden, wobei bei dem Anfangsschritt ein teilweises Rücksputtern der ersten Abdeckungsschicht 240 im Bereich der Durchgangsöffnung 230 erfolgt. Die Prozessparameter der HDP-Schichtabscheidung können nun gewählt werden, um bei dem Anfangsschritt die Zusammensetzung des verwendeten Prozessgases so einzustellen, dass das Rücksputtern mit einer zumindest verringerten Materialaufbringung oder optional auch ohne eine Materialaufbringung durchgeführt wird.
Die Prozessfolge kann also auch mit einem Sputterschritt (= Anfangsschritt) auf der zuvor abgeschiedenen CVD-Schicht 240 beginnen. Nachfolgend werden dann der erste und zweite Teilschritt der HDP-Schichtabscheidung abwechselnd (bzw. getrennt voneinander) und beispielsweise mehrmals wiederholt durchgeführt, um die HDP-Schicht 250 zu erhalten.
Optional kann eine weitere Abdeckungs- bzw. Abdichtungsschicht 270, z. B. aus einem Siliziumnitrid-Material, mit einem weiteren CVD-Prozess aufgebracht werden, um noch eine weitere hermetische Abdichtungsschicht an der Oberseite des vorhandenen Schichtstapels 260 vorzusehen. Anschließend kann der resultierende Abdeckungsschichtstapel 261, der auf die erste Schichtstruktur 210 und die darin vorhandenen Zugangsöffnungen 230 aufgebracht wurde, z. B. mit einem selektiven Ätzprozess, so strukturiert werden, um jeweils ein einzelnes Verschlusselement 280 (auch: Sealing Plug) an jeder Zugangsöffnung 230 in der ersten Schichtstruktur 210 zu der Kavität 220 zu erhalten.
Da bei dem HDP-Prozess ein hohes Vakuum (auch: Hochvakuum) bzw. ein hoher atmosphärischer Unterdruck in dem Prozessbereich vorhanden ist, wird bei dem hermetischen Verschließen der Zugangsöffnung(en) 230 in der ersten Schichtstruktur 210 ferner ein entsprechend hohes Vakuum bzw. ein entsprechend hoher atmosphärischer Unterdruck in der Kavität 220 erzeugt und nach dem hermetischen Verschließen auch beibehalten.
Die erste mittels einer CVD-Schichtabscheidung bei Schritt 140 erhaltene Abdeckungsschicht 240 und die darauf mittels einer HDP-Schichtabscheidung bei Schritt 160 erhaltene zweite Abdeckungsschicht 250 bilden nun die Schichtfolge 260, die die zumindest eine Zugangsöffnung 230 in der ersten Schichtstruktur 210 zu der Kavität 220 hermetisch verschließt.
Anschließend zu dem Schritt 160 der HDP-Schichtabscheidung kann ferner noch eine obere Abdeckungs- bzw. Verschlussschicht 270 auf die Schichtfolge 260 aufgebracht werden, wobei die zusätzliche (optionale) obere Abdeckungsschicht 270 ein Isolationsmaterial, wie z. B. SiN (Siliziumnitrid), SiC (Siliziumcarbid) oder auch ein anderes Isolationsmaterial, aufweisen kann. Wie nun bei dem optionalen Schritt 180 von 1d dargestellt ist, kann der resultierende Schichtstapel 261 strukturiert werden, um ein lokales Verschlusselement 280 (Sealing Plug) an der Durchgangsöffnung 230 bzw. jeweils ein lokales Verschlusselement 280 an der Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 230 zu bilden.
Die obere Abdeckungsschicht 270 kann beispielsweise auf die Schichtfolge 260 aufgebracht werden, um den Schichtstapel 261 zu bilden, wobei der Schichtstapel 261 strukturiert, d. h. mit oder ohne Maske einem Rückätzschritt ausgesetzt werden kann, um das Verschlusselement 280 bzw. die Verschlusselemente 280 zu bilden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann auch die Schichtfolge 260 mit der ersten und zweiten Abdeckungsschicht 240, 250 strukturiert werden, wobei dann die zusätzliche Verschluss- bzw. Abdeckungsschicht 270 aufgebracht und mit oder ohne Maske einem Rückätzschritt ausgesetzt werden kann, um die abschließende Versiegelung des Verschlusselements 280 zu erhalten. Wenn die obere Verschlussschicht 270 auf die strukturierte Schichtfolge 260 aufgebracht wird, ist es auch möglich, dass sich diese zusätzliche, obere Abdeckungsschicht 270 auf den Seitenwandbereich der strukturierten Schichtfolge 260 und optional auch weiter auf einen angrenzenden Abschnitt der oberen Oberfläche der ersten Schichtstruktur 210 erstreckt (nicht gezeigt in 1d).
Bei dem Schritt 160 des Durchführens der HDP-Schichtabscheidung wird die Zugangsöffnung 230 durch die erste Schichtstruktur 210 zu der Kavität 220 bei einem atmosphärischen Unterdruck, d. h. dem HDP-Prozessdruck, hermetisch verschlossen, so dass die diesen atmosphärischen Unterdruck aufweisende Kavität 220 erhalten wird. Bei einem HDP-Prozess kann der atmosphärische Unterdruck in einem Bereich von beispielsweise 2 mTorr (= 0,26664474 Pa) bis 10 mTorr (= 1,333224 Pa) oder bei etwa 5 mTorr (= 0,66661184 Pa) liegen, d. h. in einem Bereich, der als Vakuum oder auch Hochvakuum bezeichnet werden kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Druck bzw. Unterdruck (atmosphärischer Unterdruck) in der verschlossenen Kavität 220 im Wesentlichen ein Vakuum oder ein Nahezu-Vakuum (Hochvakuum) sein. Alternativ kann der Druck in der hermetisch verschlossenen Kavität 220 weniger als 1%, 0,1%, 0,01% oder 0,001% des atmosphärischen Umgebungsdrucks oder des atmosphärischen Standarddrucks (auch physikalische Atmosphäre) betragen, wobei der atmosphärische Standarddruck (physikalische Atmosphäre) typischerweise 101,325 kPa oder 1013,25 mbar oder 760 Torr betragen kann. Der Druck in der hermetisch verschlossenen Kavität 220 kann auch als Absolutdruck, z. B. mit einem Absolutdruck von weniger als 100mTorr (= 13,33224 Pa), 50 mTorr (= 6,666118 Pa) oder weniger als 10 mTorr (= 1,333224 Pa) betragen. Die Druckeinheit „physikalische Atmosphäre“ orientiert sich an der Größe des normalen Luftdrucks in Meeresspiegelhöhe.
Die Prozessparameter beim Durchführen des Schritt 160 der HDP-Schichtabscheidung können nun so eingestellt werden, dass bei dem ersten Teilschritt, d. h. der Abscheidung einer Liner-Materialschicht auf der ersten Abdeckungsschicht, eine zumindest reduzierte Sputterleistung eingestellt bzw. erhalten wird, um die Liner-Material-Schichtabscheidung durchzuführen, und wobei bei dem zweiten Teilschritt die Zusammensetzung des verwendeten Prozessgases eingestellt wird, um das Rücksputtern mit einer zumindest verringerten Materialaufbringung durchzuführen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Prozessparameter bei dem Durchführen der HDP-Schichtabscheidung so eingestellt werden, dass der erste Teilschritt der HDP-Schichtabscheidung ohne eine (wirksame) Sputterleistung durchgeführt wird, und dass der zweite Teilschritt der HDP-Schichtabscheidung ohne eine (wirksame) Materialaufbringung durchgeführt wird.
In diesem Zusammenhang wird auf 2 verwiesen, die ein beispielhaftes HDP-Prozesssystem unter Bezugnahme auf spezifische Prozessparameter zum Durchführen des Verfahrens der HDP-Schichtabscheidung (gemäß Schritt 160) gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt.
Wie in 2 dargestellt ist, weist der beispielhafte HDP-CVD-Reaktor 300 von 2 folgende prinzipiellen Elemente auf: eine abstimmbare Induktionsspule 302, eine temperaturgesteuerte Keramikkuppel 304, ein Gas-Tor 306, einen Remote-Plasma-Applikator 308, eine Turbopumpe 310, eine Drossel- und Absperrventilanordnung 312, ein elektrostatisches Chuck (Spannfutter oder Drehfutter) 314, einen Kammerkörper 316, einstellbare Gasinjektionselemente 318, und eine Heiz/Kühl-Platte 320, die wie in 2 schematisch dargestellt, angeordnet sind. Gemäß Ausführungsbeispielen sind nun die HDP-Prozessparameter so eingestellt, dass die beiden Teilschritte zur Erzeugung der zweiten Abdeckungsschicht mittels eines HDP-Prozesses im Wesentlichen getrennt bzw. aufeinanderfolgend und wiederholt durchgeführt werden, um insbesondere den Kernbereich 240-a der aufgebrachten CVD-Abdeckungsschicht 240 hermetisch mit der zweiten Abdeckungsschicht 250 zu verschließen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann zunächst das Füllen bzw. Verschließen der Zugangsöffnung 230 in der ersten Schichtstruktur 210 auch ohne „Boden“ in der Öffnung 230 durchgeführt werden, ohne bzw. nur in äußerst geringem Umfang Material innerhalb der Kavität 220 abzulagern, indem die Zugangsöffnung 230 zunächst durch Aufbringen eines Isolationsmaterials 240 mit einem typischen CVD-Prozess „größtenteils“ verschlossen wird, wobei das aufgebrachte Material der ersten Abdeckungsschicht 240 einen Überhang bzw. Überhangbereich an dem Rand 230-B der Zugangsöffnung 230 erzeugt.
Daraufhin folgt mit dem in 2 beispielhaft dargestellten HDP-CVD-Reaktor 300 ein HDP-Schichtabscheidungsprozess, der eine Aufbringungs- und eine Sputterkomponente aufweist. Dieser HDP-Prozess wird nun so eingestellt, um die „Seele“, d.h. den doppelkegelförmigen Kern 240-A, der aufgebrachten Abdeckungsschicht 240 im Mittenbereich der Zugangsöffnung 230 zu schließen. Dazu wird der HDP-Prozess mit zwei aufeinander folgenden „getrennten“ Teilschritten ausgeführt, wobei bei dem ersten Teilschritt eine Abscheidung einer Liner-Materialschicht auf der ersten Abdeckungsschicht mit einer zumindest reduzierten und beispielsweise ohne eine Sputterleistung durchgeführt wird, während bei dem zweiten Teilschritt ein teilweises Rücksputtern der Liner-Materialschicht und ferner der ersten Abdeckungsschicht 240 im Bereich oberhalb der Durchgangsöffnung 230 mit einer zumindest verringerten Liner-Materialaufbringung und beispielsweise ohne eine Liner-Materialaufbringung durchgeführt wird. Diese beiden Teilschritte werden nun abwechselnd und mehrmals wiederholt durchgeführt, um einen hermetischen Verschluss der Zugangsöffnung 230 mittels der beiden aufgebrachten Schichten 240 (CVD-Schicht) und 250 (HDP-Schicht) zu erhalten. Da der HDP-Prozess bei einem hohen Vakuum durchgeführt wird, kann ein Unterdruck (Hochvakuum bzw. Nahezu-Vakuum) in der Kavität 220 erhalten werden, da dies der Prozessdruck ist. Eine abschließende Abdeckungs- bzw. Verschlussschicht kann von der Oberseite beispielsweise direkt nach dem HDP-Prozess oder auch später nach dem Strukturieren des Schichtstapels 260 mit den beiden Schichten 240 und 250 durchgeführt werden.
Das Verringern bzw. vollständige Weglassen der Sputterleistung kann beispielsweise erreicht werden, indem die Bias-Leistung, d. h. die HF-Biasing-Leistungsquelle, die an der Waferhalteelektrode (elektrostatisches Chuck) angelegt ist, keine Versorgungsleistung erfährt, d. h. die Sputter-Ätz-Komponente wird während der Materialaufbringung (Liner-Materialabscheidung) im Wesentlichen „ausgeschaltet“ (erster Teilschritt). Bei dem zweiten Teilschritt kann im Wesentlichen ausschließlich ein Rücksputtern des Schichtstapels mit zumindest einer Verringerung oder einem Ausschalten der Materialaufbringung erhalten werden, indem beispielsweise die Zusammensetzung der Reaktions- bzw. Prozessgase so geändert wird, dass keine Liner-Materialabscheidung erfolgt (Teilschritt 2).
Die Prozessparameter können beispielsweise bei dem ersten Teilschritt der HDP-Schichtabscheidung (Liner-Materialabscheidung) auf eine Leistung an der oberen Elektrode bzw. Anode (top) mit 1300 Watt und an den Seitenelektroden (side = Anpassungsleistung) mit 2700 Watt eingestellt werden, während die Leistung beim zweiten Teilschritt (bei dem Sputter- bzw. Rücksputtervorgang) an der oberen Elektrode (top) auf 1200 Watt, an der Seitenelektrode (side) auf 4000 Watt und die Bias-Leistung (Kathode) auf 3000 Watt eingestellt werden kann. Diese Werte sind als rein beispielhaft anzusehen.
Im Folgenden wird nun beispielhaft auf einige geometrische Zusammenhänge zwischen den Abmessungen der ersten Schichtstruktur 210, der darin angeordneten Zugangsöffnung(en) 230 und der auf die erste Schichtstruktur 210 mit der Zugangsöffnung 230 aufgebrachten Schichten 240 (CVD-Schicht) und 250 (HDP-Schicht) bzw. deren Schichtdicken eingegangen.
So weist die Zugangsöffnung 230 in der ersten Schichtstruktur 210 beispielsweise einen inneren Minimaldurchmesser bzw. einen lichten Durchmesser D₂₃₀ in einem Bereich von 0,2 bis 1,5 µm auf. Der innere Minimaldurchmesser kann auch als das „lichte Maß“ am geometrischen Schwerpunkt der Zugangsöffnung 230 angesehen werden. Der Durchmesser (innere Minimaldurchmesser) D₂₃₀ der Zugangsöffnung 230 kann also in einem Bereich von 0,2 µm bis 1,5 µm liegen. Die Schichtdicke D₂₁₀ der ersten Schichtstruktur 210, d. h. beispielsweise deren Kantenlänge 230-B, kann in einem Bereich von 0,25 bis 1 µm und bei etwa 0,5 µm liegen. Die Schichtdicke D₂₄₀ der aufgebrachten, ersten Abdeckungsschicht 240 kann (z.B. in einem Bereich außerhalb der Zugangsöffnung 230-A) in einem Bereich von 0,06 bis 1,5 µm, von 0,4 bis 0,7 µm und bei etwa 0,5 µm liegen. Das Durchführen der CVD-Abscheidung 140 kann nun so eingestellt werden, dass die erste Abdeckungsschicht 240 eine Schichtdicke D₂₄₀ aufweist, um ein Maßverhältnis D₂₄₀/D₂₃₀ zwischen der Schichtdicke D₂₄₀ der ersten aufgebrachten Abdeckungsschicht 240 und dem Durchmesser D₂₃₀ der Zugangsöffnung 230 zu erhalten, das in einem Bereich von 0,3 und 1 und bei etwa 0,5 liegt, d. h. 0,3 D₂₃₀ ≤ D₂₄₀ ≤ 1,0 D₂₃₀ bzw. D₂₄₀ ≈ 0,5 * D₂₃₀. Die Schichtdicke D₂₅₀ der aufgebrachten HDP-Schicht 240 kann z.B. in einem Bereich von 0,05 bis 1 µm, von 0,1 bis 0,8 µm und bei etwa 0,5 µm liegen.
Hinsichtlich der Zugangsöffnung 230 in der ersten Schichtstruktur 210 wird darauf hingewiesen, dass die Innenkontur der Zugangsöffnung in einer Draufsicht bzw. in der x-z-Ebene als ein beliebiges Polygon oder z.B. als regelmäßig konvexes Polygon ausgebildet sein kann. Die Innenkontur der Zugangsöffnung 230 kann beispielsweise rechteckig oder kreisförmig ausgebildet sein. Die Zugangsöffnung 230 bzw. deren Innenkontur kann nun beispielsweise geometrisch so ausgebildet sein, das ein minimaler Abstand Δx eines beliebigen Punkts innerhalb der Zugangsöffnung in und parallel zu der x-z-Ebene der Oberfläche der Zugangsöffnung 230 zu dem nächstliegenden Randpunkt 230-B der ZugangsÖffnung 230 kleiner oder gleich dem halben Durchmesser (inneren Minimaldurchmesser) D₂₃₀ der Zugangsöffnung 230 ist, d. h. Δx ≤ D₂₃₀/2.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann auf die HDP-Schicht 250 ferner eine weitere Abdeckungsschicht 270, z. B. aus einem Isolationsmaterial, wie SiN (Siliziumnitrid), SiC (Siliziumcarbid), etc., ausgebildet sein, um einen Abdeckungsschichtstapel 261 bzw. das lokale Verschlusselement 280 (Sealing Plug) zu bilden. Das Aufbringen der weiteren (optionalen) Abdeckungsschicht 270 kann beispielsweise vor oder auch nach dem Strukturieren des Schichtfolge 260 mit der CVD-Schicht 240 und der HDP-Schicht 250 erfolgen. Die Schichtdicke D₂₇₀ der weiteren Abdeckungsschicht 270 kann z.B. in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 µm und bei etwa 0,3 µm liegen.
Hinsichtlich des Herstellungsprozesses 100 in den 1a-d wird darauf hingewiesen, dass die erste Schichtstruktur 210 auch eine Mehrzahl von Zugangsöffnungen 230 zu der Kavität 220 aufweisen kann, d. h. die erste Schichtstruktur 210 in der x-z-Ebene (erheblich) weiter ausgedehnt sein kann, um beispielsweise eine erste Membran eines MEMS-Mikrofons zu bilden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann somit bei dem Durchführen der CVD-Schichtabscheidung 140 und der HDP-Schichtabscheidung 160 die Mehrzahl von Zugangsöffnungen 230 durch die erste Schichtstruktur 210 zu der Kavität 220 hermetisch verschlossen werden, wobei ferner das Vakuum bzw. Hochvakuum entsprechend dem Prozessdruck bei dem HDP-Abscheidungsprozess 160 in der Kavität 220 ausgebildet werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Schichtanordnung 221 auch eine zweite Schichtstruktur 224 aufweisen (vgl. 4), die von der ersten Schichtstruktur 210 beabstandet ist, wobei die Kavität 220 zumindest abschnittsweise zwischen der ersten und der zweiten Schichtstruktur 210, 224 angeordnet ist, wobei die zweite Schichtstruktur 224 ferner zumindest eine Zugangsöffnung 231 zu der Kavität 220 aufweist. Bei dem Durchführen der CVD-Abscheidung 140 kann ferner eine erste Abdeckungsschicht 240 mit der Schichtdicke D₂₄₀ auf der zweiten Schichtstruktur 224 mit der zumindest eine Zugangsöffnung 231 gebildet werden, wobei bei dem Durchführen 160 der HDP-Schichtabscheidung eine zweite kontinuierliche Abdeckungsschicht 250 auf der ersten Abdeckungsschicht 240 der zweiten Schichtstruktur 224 gebildet werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die zweite Schichtstruktur 224 eine Mehrzahl von weiteren Zugangsöffnungen 231 zu der Kavität 220 aufweisen, wobei bei dem Durchführen 160 der HDP-Schichtabscheidung die Mehrzahl von weiteren Zugangsöffnungen 231 durch die zweite Schichtstruktur 224 zu der Kavität 220 hermetisch verschlossen und der atmosphärische Unterdruck in der Kavität 220 ausgebildet werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Schichtanordnung 221 Teil eines MEMS-Bauelements 200 sein, das ein MEMS-Schichtsystem 221 auf einem Trägersubstrat 222 mit einer Doppelmembrananordnung 210, 224 und einer dazwischen liegenden Gegenelektrodenstruktur 228 aufweist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das MEMS-Bauelement 200 als ein Vakuum-Mikrofon ausgebildet ist.
Im Folgenden werden nun anhand der 3a-e beispielhafte Detaildarstellungen, wie z. B. REM-Bilder (REM = Rasterelektronenmikroskop) oder FIB-Bilder (FIB = Focus Ion Beam = Ionenfeinstrahldarstellung), der zu verschließenden Zugangsöffnungen 230 und des erhaltenen Verschlusselements 280 während unterschiedlicher Abschnitte des Herstellungsverfahrens 100 von 1a-d gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Zur Vereinfachung der Beschreibung der geometrischen Zusammenhänge ist in den 3a-e wiederum beispielhaft ein x-y-z-Koordinatensystem dargestellt, wobei die x-z-Ebene parallel zum Hauptoberflächenbereich der ersten Schichtstruktur 210 ausgerichtet ist, während sich die y-Richtung in der Dickenrichtung der ersten Schichtstruktur 210, d. h. senkrecht zu der x-z-Ebene erstreckt und somit die Topographie senkrecht zu der x-z-Ebene wiedergibt.
3a zeigt nun eine Teilquerschnittsansicht entsprechend dem Verfahrensschritt 140 von 1b, nach dem Aufbringen der ersten Abdeckungsschicht 240 (CVD-Schicht) auf der ersten Schichtstruktur 210 mit der Zugangsöffnung 230. In 3a ist ferner deutlich der „Kern“ 240-A in Form des verjüngten Bereichs der aufgebrachten CVD-Schicht 240 im Mittenbereich 230-A innerhalb der Durchgangsöffnung 230 in der ersten Schichtstruktur 210 erkennbar. Ferner ist nach der CVD-Schichtabscheidung 140 der überhängende Abschnitt der ersten Abdeckungsschicht 240 über den Randbereich 230-B der ersten Schichtstruktur 230 mit dem resultierenden „Kernbereich“ 240-A ersichtlich, der noch keinen hermetischen Verschluss der Kavität 220 ermöglicht.
3b stellt nun eine Detailansicht der verschlossenen Zugangsöffnung 230 nach dem Durchführen der HDP-Schichtabscheidung bei Schritt 160 von 1c dar. Wie aus 3b ersichtlich ist, sind die Kernbereiche 240-A der aufgebrachten ersten Abdeckungsschicht (CVD-Schicht) 240 hermetisch durch die zweite Abdeckungsschicht 250 (HDP-Schicht) und die optionale weitere obere Abdeckungsschicht 270 (nicht gezeigt in 3b) verschlossen.
Wie in 3c dargestellt ist, kann nun ein sog. „Photoresist“ 262 bzw. eine Maske auf die Bereiche des Schichtstapels 261 aufgebracht werden, an denen die einzelnen lokalen Verschlusselemente 280 gebildet werden sollen. Bei der Darstellung in 3c weist die Zugangsöffnung 230 einen beispielhaften Durchmesser D₂₃₀ von 850 nm auf.
In 3d sind nun die erhaltenen Verschlusselemente 280 (Sealing Plugs) nach dem Strukturierungsschritt 180 von 1d dargestellt, wobei der sich außerhalb des Maskenmaterials befindliche Teil des Schichtstapels 261 entfernt wurde und die lokalen Verschlusselemente 280 zum hermetischen Verschließen der Kavität 220 zurückbleiben.
3e zeigt nochmals eine Teilquerschnittsansicht durch ein einzelnes Verschlusselement 280, entsprechend zu der Darstellung von 1d, wobei Schichtabschnitte mit dem CVD-Schichtabschnitt 240, den HDP-Schichtabschnitt 250 und dem oberen Abdeckungsschichtabschnitt 270 ersichtlich sind.
Im Folgenden wird nun anhand von 4 eine Prinzipdarstellung eines MEMS-Bauelements 200 in Form eines Doppelmembran-MEMS-Bauelements, das auch als Doppelmembranmikrofon oder Vakuum-Mikrofon bezeichnet wird, dargestellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das MEMS-Bauelement 200 (auch unter Bezugnahme auf 1d) eine Schichtanordnung 221 mit einer ersten Schichtstruktur 210 und einer angrenzend an die erste Schichtstruktur 210 angeordneten Kavität 220, wobei die erste Schichtstruktur 210 zumindest eine Zugangsöffnung 230 zu der Kavität 220 aufweist und ferner einen strukturierter Abdeckungsschichtstapel 261 zum Bilden eines lokales Verschlusselements 280 an der Durchgangsöffnung 230, wobei das lokale Verschlusselement 280 eine Schichtfolge 260 mit einer CVD- Schicht 240 und einer HDP-Schicht 250 aufweist. Das MEMS-Bauelement 200 als ein Vakuum-Mikrofon ausgebildet sein und ein MEMS-Schichtsystem 221 auf einem Trägersubstrat 222 mit einer Doppelmembrananordnung 210, 224 und einer dazwischen liegenden Gegenelektrodenstruktur 228 aufweisen.
Wie in 4 dargestellt ist, weist das Doppelmembran-MEMS-Bauelement 200 eine Schichtanordnung 221 auf einem Trägersubstrat 222, wobei die Schichtanordnung 221 eine erste und zweite voneinander beabstandete Membranstruktur 210, 224 und eine dazwischen angeordnete Gegenelektrodenstruktur 228 aufweist, die jeweils von der ersten und zweiten Membranstruktur 210, 224 beabstandet ist, und zumindest ein mechanisches Verbindungselement 241 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 210, 224 das zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 210, 224 mechanisch gekoppelt und von der Gegenelektrodenstruktur 228 mechanisch entkoppelt ist.
Wie 4 dargestellt ist, bleibt das Opfermaterial 226 im Randbereich 221-A, 221-B der Schichtanordnung 221 erhalten und ist beispielsweise als mechanische Lager- bzw. Auflagestruktur für die erste und zweite Membranstruktur 210, 224 und die Gegenelektrodenstruktur 228 auf dem Substrat 222 wirksam. Ferner kann das Substrat 222 eine Kavität 220 zum Freilegen des beweglichen Abschnitts der Doppelmembranstruktur 210, 224 aufweisen. Wie in 4 dargestellt ist, kann beispielsweise die erste und zweite Membranstruktur 210, 224 eine optionale Segmentierung 232 aufweisen. Ferner kann in der der Doppelmembranstruktur 210, 224 des MEMS-Bauelements 200 eine sogenannte „Ventilations- bzw. Ausgleichsöffnung“ 234 vorgesehen sein.
Das vorliegende Konzept ist also auf akustische MEMS-Sensoren, wie z. B. MEMS-Mikrofone anwendbar, wobei bei MEMS-Mikrofonen beispielsweise eine Abfolge von Schichten mit Materialien, wie z. B. Poly/Mono-Silizium, Siliziumnitrid und Siliziumoxid, verwendet werden. Das Siliziumoxidmaterial wird üblicherweise als Opferschicht verwendet und am Ende des Herstellungsprozesses aus einem definierten Bereich des MEMS-Mikrofons herausgeätzt. Für sogenannte „hermetisch verschlossenes Doppelmembranmikrofone“ (Engl. Sealed double-membrane microphone) werden beispielsweise zwei bewegbare Membranstrukturen 210, 224 verwendet, wobei in dem Zwischenraum bzw. der Kavität 220 zwischen den beiden Membranen 210, 224 ein atmosphärischer Unterdruck vorhanden ist. Um einen Kollaps bzw. ein Nachinnenwölben der Membranstrukturen zu vermeiden, werden die mechanischen Verbindungselemente 241, die auch als Säulen bezeichnet werden, verwendet, um einen festen Zwischenraum zwischen den beiden Membranstrukturen 210, 224 einzuhalten.
Wie aus der Darstellung von 4 deutlich wird, weist die Schichtanordnung 221 ferner eine zweite Schichtstruktur 224 auf, die beispielsweise als zweite Membran des MEMS-Mikrofons ausgebildet ist. Die zweite Schichtstruktur ist somit von der ersten Schichtstruktur 210 beabstandet angeordnet, wobei die Kavität 220 (zumindest abschnittsweise) zwischen der ersten und zweiten Schichtstruktur angeordnet ist, und wobei die zweite Schichtstruktur zumindest eine Zugangsöffnung bzw. eine Mehrzahl von Zugangsöffnungen 231 zu der Kavität 220 aufweist. Bei dem Schritt 140 des Durchführens der CVD-Abscheidung kann ferner eine erste Abdeckungsschicht 210 mit der Schichtdicke D₂₁₀ auf der zweiten Schichtstruktur mit der zumindest einen Zugangsöffnung 231 gebildet werden, und wobei bei dem Schritt 160 des Durchführens der HDP-Schichtabscheidung eine zweite kontinuierliche Abdeckungsschicht auf der ersten Abdeckungsschicht der zweiten Schichtstruktur gebildet werden kann, um die in der zweiten Schichtstruktur 224 angeordnete Zugangsöffnung bzw. Zugangsöffnungen 231 zu der Kavität 220 hermetisch zu verschließen.
Damit sind die obigen Ausführungen unter Bezugnahme auf die 1a-b, 2 und 3a-e gleichermaßen auf das hermetische Verschließen von weiteren Zugangsöffnungen in der zweiten Schichtstruktur zu der Kavität 220 anwendbar.
Im Vorliegenden werden nochmals Ausführungsbeispiele des vorliegenden Konzepts mit anderen Worten dargestellt.
Das vorliegende Konzept zum Verschließen einer Zugangsöffnung zu einer Kavität ist beispielsweise auf MEMS-Mikrofone anwendbar, wobei hochempfindliche MEMS-Mikrofone, d. h. MEMS-Mikrofone mit einem hohen Signalrauschabstand (SNR = Signal-Noise-Ratio) eine „Vakuum-Kavität“ aufweisen, d. h. eine Kavität mit einem hohen atmosphärischen Unterdruck. MEMS-Mikrofone, die auch als Vakuum-Mikrofone oder Doppelmembranmikrofone bezeichnet werden, weisen zwei parallel angeordnete, mechanisch gekoppelte Halbleitermembrane, z. B. Siliziummembrane auf, wobei eine einzelne Gegenelektrode (Backplate) z. B. mittig zwischen den beiden Membranen angeordnet ist. Eine Opfermaterialschicht, die den Aufbau der MEMS-Struktur mit mehreren Aufbringungs- und Ätzschritten ermöglicht, wird am Ende des Herstellungsprozesses des MEMS-Mikrofons durch kleine Zugangsöffnungen, d. h. Freilegungsöffnungen bzw. Release-Öffnungen, z. B. in der oberen Membran oder auch in beiden Membranen entfernt, wobei eine relativ große Kavität zwischen den Membranstrukturen und deren mechanischer Verankerung an dem Randbereich der Schichtstruktur des MEMS-Sensors erhalten wird.
Um beispielsweise ein Vakuum-Mikrofon (Doppelmembranmikrofon) zu erhalten, ist es erforderlich, die Kavität weitestgehend zu evakuieren und hermetisch zu versiegeln bzw. zu verschließen, um jegliche überflüssige Dämpfung der sich bewegenden Membranstrukturen bei der Schallerfassung zu vermeiden. Der Abdichtungs- bzw. Verschlussprozess sollte aber keine negativen Auswirkungen auf die Eigenschaften und Funktionalität des MEMS-Mikrofons haben, insbesondere nicht auf die Funktionalität oder Robustheit der Membranstrukturen.
Üblicherweise werden MEMS-Kavitäten unter Atmosphärendruck oder relativ niedrigem Unterdruck verschlossen. Materialien, die zum Verschließen der Kavitäten verwendet werden, variieren basierend auf dem Aufbringungsprozess, z. B. Siliziumoxid (TEOS, BPSG, SiOx, ....), Siliziumnitrid (LPCVD, CVD), Aluminium, Wolfram (PVD, CVD, Aufwachsepitaxie) oder verwenden Polymaterial oder Folien, abhängig von den Anforderungen an die Funktionalität, Zuverlässigkeit, Umgebungseinflüsse und Prozesskomplexität. Keiner der genannten Prozesse kann aber einen hermetischen Verschluss von Durchgangsöffnungen in einer dünnen Hableitermembran (z. B. Siliziummembran) oberhalb einer großen Kavität bieten, ohne die Eigenschaften oder Funktionalität des resultierenden MEMS-Sensors zu beeinträchtigen.
Gemäß Ausführungsbeispielen wird ein MEMS-Mikrofon, das zwei bewegliche Membranstrukturen aufweist und zwischen denen eine relativ starre Gegenelektrode in einer Kavität angeordnet ist, eine Schallerfassung nahezu ohne Dämpfung durchführen können, wenn der Zwischenraum bzw. die Kavität zwischen der Membran und der Gegenelektrode sich in einer Kavität unter einem hohen Vakuum befindet. Um die Kavität zu erzeugen, wird typischerweise eine Opferschicht aufgebracht, um die Struktur des MEMS-Bauelements zu erzeugen, wobei diese Opferschicht mittels eines Nassätz- oder Dampfätzvorgangs im Allgemeinen durch kleine Löcher, wie z. B. Zugangsöffnungen, in der Hülle der Kavität entfernt bzw. geätzt werden. Dabei ist es umso vorteilhafter, umso weiter die Anzahl, Größe und zumindest die Breite in einer Dimension der Öffnungen an der Kavitätsoberfläche verringert bzw. minimiert werden kann. Für dünne Membranelemente liegt beispielsweise ein Aspektverhältnis von etwa 0,5 zwischen der Breite bzw. dem Durchmesser der Durchgangsöffnungen von bis zu 1 µm und der Tiefe der Durchgangsöffnung, d. h. der Dicke der Membranschicht, von etwa 0,5 µm vor. Wenn nun die Membran evakuiert, d. h. möglichst ein Vakuum hergestellt, und dieses Vakuum möglichst durch ein hermetisches Verschließen der Kavität beibehalten wird, kann jegliche Dämpfung der sich bewegenden Membranelemente bei einer Schallerfassung vermieden werden.
Der Abdichtungs- bzw. Verschlussprozess kann gemäß Ausführungsbeispielen ohne Beeinträchtigungen der Eigenschaften des MEMS-Mikrofons durchgeführt werden, insbesondere der Funktionalität oder Robustheit der Membranelemente, wobei weiterhin das resultierende MEMS-Mikrofon typischen Umgebungsbedingungen für Mikrofone bei der Verwendung in mobilen Anwendungen ausgesetzt werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird nun ein Verschlussprozess unter einem hohen Vakuum mit einem zuverlässigen Verschlussmaterial durchgeführt, wobei ferner bei diesem Füllprozess der Zugangsöffnungen zu der Kavität, die keinen „Boden“ aufweisen, so durchgeführt, dass im Wesentlichen kein bzw. nur eine unerhebliche Menge des Verschlussmaterials innerhalb der Kavität aufgebracht wird. Gemäß Ausführungsbeispielen wird bei dem Verfahren zum Verschließen eine Zugangsöffnung zu einer Kavität zunächst die Zugangsöffnung durch das Aufbringen eines Materials mit einem CVC-Abscheideprozess weitestgehend verschlossen, indem ein Materialüberhang an dem Rand der Zugangsöffnung mit dem aufgebrachten CVD-Schichtmaterial erzeugt wird, woraufhin ein HDP-Schichtabscheideprozess folgt, der wiederum in zwei Teilschritte unterteilt ist, mit einer Abscheidekomponente (erster Teilschritt) und einer Sputterkomponente (zweiter Teilschritt).
Zunächst erfolgt bei dem ersten Teilschritt eine Liner-Abscheidung, die im Wesentlichen ohne Rücksputterleistung (ohne Bias) durchgeführt wird, wobei die gute Kantenbedeckung des Liner-Materials bei dem HDP-Abscheideprozess ausgenutzt wird. Bei dem zweiten Teilschritt erfolgt ein teilweises Rücksputtern sowohl die aufgebrachte Liner-Materialschicht als auch der ersten Abdeckungsschicht (CVD-Schicht) im Bereich oberhalb der Durchgangsöffnung ohne eine Linermaterialaufbringung, da das Rücksputtern des HDP-Prozesses insbesondere im Bereich abgeschrägter Kanten, d. h. im Kernbereich der CVD-Schicht oberhalb der zu verschließenden Zugangsöffnung wirksam ist.
Dieser Prozess wird nun dahin gehend abgestimmt, um den Kern bzw. die „Seele“ in der Mitte der Öffnung des vorher aufgebrachten CVD-Schicht zu schließen. Da der HDP-Prozess ein Hochvakuumprozess ist, wird ein sehr niedriger Druck in der Kavität sichergestellt, da dies der Prozessdruck ist. Eine (optionale) finale Verschlussschicht kann von der Oberseite beispielsweise direkt nach dem HDP-Abscheidungsprozess oder auch später nach dem Strukturieren der aufgebrachten CVD- und HDP-Schicht, d. h. des Verschlussschichtstapels bzw. der Verschlussschicht, erfolgen.
Gemäß Ausführungsbeispielen werden die Zugangsöffnungen (Löcher) zu der Kavität unter einem hohen Vakuum während des HDP-Prozesses verschlossen, wodurch sich das entsprechend hohe Vakuum in der Kavität ergibt. Ferner wird ein äußerst geringer Anteil des aufgebrachten Materials während der CVD- und HDP-Abscheidung innerhalb der Kavität aufgebracht, so dass jegliche Änderung der Funktionalität der Membrane oder Gegenelektrode des MEMS-Mikrofons verhindert bzw. vermieden werden kann. Ferner beeinträchtigen die getrennt angeordneten, kleinen Verschlusselemente an der jeweiligen Schichtstruktur, z. B. an der oberen und/oder unteren Membran, nicht die Funktionalität des resultierenden Sensors, d. h. des MEMS-Mikrofons (Vakuum-Mikrofons). Die jeweilige Position und die Anzahl der Verschlusselemente (Sealing Plugs) hängt somit von dem Prozess ab, der verwendet wird, um das Opfermaterial aus dem Bereich innerhalb der Kavität zu entfernen.
Gemäß Ausführungsbeispielen wird somit eine robuste, zuverlässige und kostengünstige Lösung erhalten, um eine Öffnung bzw. eine Zugangsöffnung mit kleinen Seitenwänden und ohne Unterseite (Boden) unter Vakuum zu verschließen und hermetisch zu versiegeln ohne einen signifikanten Anteil des Aufbringungsmaterials innerhalb der Kavität abzulagern. Dies wird gemäß Ausführungsbeispielen durch eine Kombination eines CVD-Abscheideprozesses und dem „modifizierten“ HDP-Abscheidungsprozess mit den beiden getrennten Teilschritten zur Liner-Materialabscheidung und zum Rücksputtern durchgeführt.
Ausführungsbeispiele zum Verschließen einer Zugangsöffnung zu einer Kavität sind beispielsweise auf MEMS-Mikrofone aber auch auf jegliche andere MEMS-Elemente bzw. MEMS-Sensoren anwendbar, die eine hermetisch verschlossene Vakuum-Kavität erfordern.
Zusätzliche Ausführungsbeispiele und Aspekte der Erfindung werden beschrieben, die einzeln oder in Kombination mit den hierin beschriebenen Merkmalen und Funktionalitäten verwendet werden können.
Gemäß einem ersten Aspekt kann ein Verfahren 100 zum Verschließen einer Zugangsöffnung 230 zu einer Kavität 220 folgende Schritte aufweisen: Bereitstellen 120 einer Schichtanordnung 221 mit einer ersten Schichtstruktur 210 und einer angrenzend an die erste Schichtstruktur 210 angeordneten Kavität 220, wobei die erste Schichtstruktur 210 eine Zugangsöffnung 230 zu der Kavität 220 aufweist, Durchführen 140 einer CVD-Schichtabscheidung zum Bilden einer ersten Abdeckungsschicht 240 mit einer Schichtdicke D₂₄₀ auf der ersten Schichtstruktur 210 mit der Zugangsöffnung 230, und Durchführen 160 einer HDP-Schichtabscheidung mit einem ersten und zweiten Teilschritt zum Bilden einer zweiten Abdeckungsschicht 250 auf der ersten Abdeckungsschicht 240, wobei bei dem ersten Teilschritt eine Abscheidung einer Liner-Materialschicht 250 auf der ersten Abdeckungsschicht 240 erfolgt, wobei bei dem zweiten Teilschritt ein teilweises Rücksputtern der Liner-Materialschicht 250 und ferner der ersten Abdeckungsschicht 240 im Bereich 230-A der Zugangsöffnung 230 erfolgt, und wobei der erste und zweite Teilschritt abwechselnd und mehrmals wiederholt durchgeführt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann bei dem Verfahren 100 bei dem Durchführen 160 der HDP-Schichtabscheidung die Zugangsöffnung 230 durch die erste Schichtstruktur 210 zu der Kavität 220 bei einem atmosphärischen Unterdruck hermetisch verschlossen werden und eine einen atmosphärischen Unterdruck aufweisende Kavität 220 kann erhalten werden.
Gemäß einem dritten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt können bei dem Verfahren 100 die Prozessparameter der HDP-Schichtabscheidung so eingestellt werden, dass bei dem ersten Teilschritt eine zumindest reduzierte Sputterleistung eingestellt wird, um die Linermaterial-Schichtabscheidung durchzuführen, und bei dem zweiten Teilschritt die Zusammensetzung des verwendeten Prozessgases eingestellt wird, um das Rücksputtern mit einer zumindest verringerten Materialaufbringung durchzuführen.
Gemäß einem vierten Aspekt unter Bezugnahme auf den dritten Aspekt können bei dem Verfahren 100 die Prozessparameter der HDP-Schichtabscheidung so eingestellt werden, dass der erste Teilschritt ohne Sputterleistung durchgeführt wird, und der zweite Teilschritt ohne Materialaufbringung durchgeführt wird.
Gemäß einem fünften Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann bei dem Verfahren 100 die Zugangsöffnung 230 einen Durchmesser D₂₃₀ aufweisen, und die Schichtdicke D₂₄₀ der aufgebrachten, ersten Abdeckungsschicht 240 kann gewählt werden, um ein Größenverhältnis D₂₄₀/D₂₃₀ zwischen der Schichtdicke D₂₄₀ der ersten Abdeckungsschicht 240 und dem inneren Minimaldurchmesser D₂₃₀ der Zugangsöffnung zu erhalten, das in dem Bereich zwischen 0,3 und 1,0, und bei etwa 0,5 liegt.
Gemäß einem sechsten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann bei dem Verfahren 100 die Zugangsöffnung 230 als ein regelmäßig konvexes Polygon ausgebildet sein.
Gemäß einem siebten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann das Verfahren 100 ferner folgenden Schritt aufweisen: Aufbringen einer weiteren Abdichtungsschicht 270 auf der zweiten Abdeckungsschicht 250, um einen Abdeckungsschichtstapel 261 zu bilden.
Gemäß einem achten Aspekt unter Bezugnahme auf den siebten Aspekt kann das Verfahren 100 ferner folgenden Schritt aufweisen: Strukturieren des Abdeckungsschichtstapels 261, um ein lokales Verschlusselement 280 an der Zugangsöffnung 230 zu bilden.
Gemäß einem neunten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann bei dem Verfahren 100 die erste Schichtstruktur 210 eine Mehrzahl von Zugangsöffnungen 230 zu der Kavität 220 aufweisen, wobei bei dem Durchführen 160 der HDP-Schichtabscheidung die Mehrzahl von Zugangsöffnungen 230 durch die erste Schichtstruktur 210 zu der Kavität 220 hermetisch verschlossen und der atmosphärische Unterdruck in der Kavität 220 ausgebildet wird.
Gemäß einem zehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann bei dem Verfahren 100 die Schichtanordnung 221 eine zweite Schichtstruktur 224 aufweisen, die von der ersten Schichtstruktur 210 beabstandet ist, und die Kavität 220 kann zumindest abschnittsweise zwischen der ersten und der zweiten Schichtstruktur 210, 224 angeordnet sein, wobei die zweite Schichtstruktur 224 ferner zumindest eine Zugangsöffnung 231 zu der Kavität 220 aufweist, wobei bei dem Durchführen der CVD-Abscheidung 140 ferner eine erste Abdeckungsschicht 240 mit der Schichtdicke D₂₄₀ auf der zweiten Schichtstruktur 224 mit der zumindest eine Zugangsöffnung 231 gebildet wird, und wobei bei dem Durchführen 160 der HDP-Schichtabscheidung eine zweite kontinuierliche Abdeckungsschicht 250 auf der ersten Abdeckungsschicht 240 der zweiten Schichtstruktur 224 gebildet wird.
Gemäß einem elften Aspekt unter Bezugnahme auf den zehnten Aspekt kann bei dem Verfahren 100 die zweite Schichtstruktur 224 eine Mehrzahl von weiteren Zugangsöffnungen 231 zu der Kavität 220 aufweisen, wobei bei dem Durchführen 160 der HDP-Schichtabscheidung die Mehrzahl von weiteren Zugangsöffnungen 221 durch die zweite Schichtstruktur 224 zu der Kavität 220 hermetisch verschlossen und der atmosphärische Unterdruck in der Kavität 220 ausgebildet wird.
Gemäß einem zwölften Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann bei dem Verfahren 100 die Schichtanordnung 221 Teil eines MEMS-Bauelements 200 sein, das ein MEMS-Schichtsystem 221 auf einem Trägersubstrat 222 mit einer Doppelmembrananordnung 210, 224 und einer dazwischen liegenden Gegenelektrodenstruktur 228 aufweist.
Gemäß einem dreizehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den zwölften Aspekt kann bei dem Verfahren 100 das MEMS-Bauelement 200 als ein Vakuum-Mikrofon ausgebildet sein.
Gemäß einem vierzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann bei dem Verfahren 100 bei dem Durchführen 160 der HDP-Schichtabscheidung ferner ein Anfangsschritt vor dem ersten Teilschritt durchgeführt werden, wobei bei dem Anfangsschritt ein teilweises Rücksputtern der ersten Abdeckungsschicht 240 im Bereich 230-A der Zugangsöffnung 230 erfolgt.
Gemäß einem fünfzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den vierzehnten Aspekt können bei dem Verfahren 100 die Prozessparameter der HDP-Schichtabscheidung so gewählt werden, um bei dem Anfangsschritt die Zusammensetzung des verwendeten Prozessgases so einzustellen, dass das Rücksputtern mit einer zumindest verringerten Materialaufbringung durchgeführt wird.
Gemäß einem sechzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den fünfzehnten Aspekt können bei dem Verfahren 100 die Prozessparameter der HDP-Schichtabscheidung so eingestellt werden, dass Anfangsschritt ohne Materialaufbringung durchgeführt wird.
Gemäß einem siebzehnten Aspekt kann ein MEMS-Bauelement 200 folgende Merkmale aufweisen: eine Schichtanordnung 221 mit einer ersten Schichtstruktur 210 und einer angrenzend an die erste Schichtstruktur 210 angeordneten Kavität 220, wobei die erste Schichtstruktur 210 eine Zugangsöffnung 230 zu der Kavität 220 aufweist, und einen strukturierten Abdeckungsschichtstapel 260; 261 zum Bilden eines lokales Verschlusselements 280 an der Zugangsöffnung 230, wobei das lokale Verschlusselement 280 eine Schichtfolge mit einer CVD- Schicht 240 und einer HDP-Schicht 250 aufweist.
Gemäß einem achtzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den siebzehnten Aspekt kann bei dem MEMS-Bauelement 200 das MEMS-Bauelement als ein Vakuum-Mikrofon ausgebildet sein und ein MEMS-Schichtsystem 221 auf einem Trägersubstrat 222 mit einer Doppelmembrananordnung 210; 224 und einer dazwischen liegenden Gegenelektrodenstruktur 228 aufweisen.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzten Ausdrücke sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z.B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ usw.).
Es versteht sich ferner, dass, wenn ein Element als „an, auf, über, neben, unter oder unterhalb einem anderen Element angeordnet“ bezeichnet wird, dieses Element direkt an, auf, über, neben, unter oder unterhalb dem anderen Element angeordnet sein kann oder ein oder mehrere Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als „direkt“ an, auf, über, neben, unter oder unterhalb einem anderen Element angeordnet bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Ferner wird darauf hingewiesen, dass sich die verwendeten Begriffe „über bzw. vertikal über, neben, unter, unterhalb, lateral und vertikal zu“ auf die relative Anordnung unterschiedlicher Elemente zueinander bezüglich der jeweils dargestellten Zeichenebene der unterschiedlichen Figuren beziehen und entsprechend der jeweiligen Darstellung zu verstehen sind.
Ferner ist die Formulierung „zumindest ein“ Element so zu verstehen, dass ein Element oder eine Mehrzahl von Elementen vorgesehen sein können.
In der Beschreibung bedeutet die Beschreibung eines Elements aus einem Halleitermaterial, dass das Element ein Halbleitermaterial aufweist, d.h. zumindest teilweise oder auch vollständig aus dem Halbleitermaterial gebildet ist.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einem Verfahren zum Herstellen einer vergrabenen Hohlraumstruktur in einem einkristallinen Halbleitersubstrat beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung der entsprechenden Vorrichtung zum Herstellen einer vergrabenen Hohlraumstruktur in einem einkristallinen Halbleitersubstrat darstellen, sodass ein Verfahrensschritt oder ein Merkmal eines Verfahrensschrittes auch als ein entsprechender ein Block oder ein Bauelement einer entsprechenden Vorrichtung zu verstehen ist. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie unter Verwendung eines Mikroprozessors, eines programmierbaren Computers oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.

Claims

Verfahren (100) zum Verschließen einer Zugangsöffnung (230) zu einer Kavität (220), mit folgenden Schritten: Bereitstellen (120) einer Schichtanordnung (221) mit einer ersten Schichtstruktur (210) und einer angrenzend an die erste Schichtstruktur (210) angeordneten Kavität (220), wobei die erste Schichtstruktur (210) eine Zugangsöffnung (230) zu der Kavität (220) aufweist, Durchführen (140) einer CVD-Schichtabscheidung zum Bilden einer ersten Abdeckungsschicht (240) mit einer Schichtdicke (D₂₄₀) auf der ersten Schichtstruktur (210) mit der Zugangsöffnung (230), wobei die Schichtdicke (D₂₄₀) der ersten Abdeckungsschicht (240) im Verhältnis zu einem Durchmesser (D₂₃₀) der Zugangsöffnung (230) gewählt wird, um eine Verjüngung (240-A) der ersten Abdeckungsschicht (240) in einem Mittenbereich der Zugangsöffnung (230) zu erhalten, und Durchführen (160) einer HDP-Schichtabscheidung mit einem ersten und zweiten Teilschritt zum Bilden einer zweiten Abdeckungsschicht (250) auf der ersten Abdeckungsschicht (240), wobei bei dem ersten Teilschritt eine Abscheidung einer Liner-Materialschicht (250) auf der ersten Abdeckungsschicht (240) erfolgt, wobei bei dem zweiten Teilschritt ein teilweises Rücksputtern der Liner-Materialschicht (250) und ferner der ersten Abdeckungsschicht (240) im Bereich (230-A) der Zugangsöffnung (230) erfolgt, und wobei der erste und zweite Teilschritt abwechselnd und mehrmals wiederholt durchgeführt werden.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei bei dem Durchführen (160) der HDP-Schichtabscheidung die Zugangsöffnung (230) durch die erste Schichtstruktur (210) zu der Kavität (220) bei einem atmosphärischen Unterdruck hermetisch verschlossen wird und eine einen atmosphärischen Unterdruck aufweisende Kavität (220) erhalten wird.
Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Prozessparameter der HDP-Schichtabscheidung so eingestellt werden, dass bei dem ersten Teilschritt eine zumindest reduzierte Sputterleistung eingestellt wird, um die Linermaterial-Schichtabscheidung durchzuführen, und bei dem zweiten Teilschritt die Zusammensetzung des verwendeten Prozessgases eingestellt wird, um das Rücksputtern mit einer zumindest verringerten Materialaufbringung durchzuführen.
Verfahren (100) nach Anspruch 3, wobei die Prozessparameter der HDP-Schichtabscheidung so eingestellt werden, dass der erste Teilschritt ohne Sputterleistung durchgeführt wird, und der zweite Teilschritt ohne Materialaufbringung durchgeführt wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtdicke (D₂₄₀) der aufgebrachten, ersten Abdeckungsschicht (240) gewählt wird, um ein Größenverhältnis D₂₄₀/D₂₃₀ zwischen der Schichtdicke D₂₄₀ der ersten Abdeckungsschicht (240) und dem inneren Minimaldurchmesser D₂₃₀ der Zugangsöffnung zu erhalten, das in dem Bereich zwischen 0,3 und 1,0 liegt.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der CVD-Abscheidung an der Zugangsöffnung (230) ein Überhangbereich (230-A) des aufgebrachten Materials an dem Rand (230-B) der Zugangsöffnung (230) entsteht.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit folgendem Schritt: Aufbringen einer weiteren Abdichtungsschicht (270) auf der zweiten Abdeckungsschicht (250), um einen Abdeckungsschichtstapel (261) zu bilden.
Verfahren (100) nach Anspruch 7, ferner mit folgendem Schritt: Strukturieren des Abdeckungsschichtstapels (261), um ein lokales Verschlusselement (280) an der Zugangsöffnung (230) zu bilden.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schichtstruktur (210) eine Mehrzahl von Zugangsöffnungen (230) zu der Kavität (220) aufweist, wobei bei dem Durchführen (160) der HDP-Schichtabscheidung die Mehrzahl von Zugangsöffnungen (230) durch die erste Schichtstruktur (210) zu der Kavität (220) hermetisch verschlossen und ein atmosphärischer Unterdruck in der Kavität (220) ausgebildet wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtanordnung (221) eine zweite Schichtstruktur (224) aufweist, die von der ersten Schichtstruktur (210) beabstandet ist, und wobei die Kavität (220) zumindest abschnittsweise zwischen der ersten und der zweiten Schichtstruktur (210, 224) angeordnet ist, wobei die zweite Schichtstruktur (224) ferner zumindest eine Zugangsöffnung (231) zu der Kavität (220) aufweist, wobei bei dem Durchführen der CVD-Abscheidung (140) ferner eine erste Abdeckungsschicht (240) mit der Schichtdicke (D₂₄₀) auf der zweiten Schichtstruktur (224) mit der zumindest eine Zugangsöffnung (231) gebildet wird, und wobei bei dem Durchführen (160) der HDP-Schichtabscheidung eine zweite kontinuierliche Abdeckungsschicht (250) auf der ersten Abdeckungsschicht (240) der zweiten Schichtstruktur (224) gebildet wird.
Verfahren (100) nach Anspruch 10, wobei die zweite Schichtstruktur (224) eine Mehrzahl von weiteren Zugangsöffnungen (231) zu der Kavität (220) aufweist, wobei bei dem Durchführen (160) der HDP-Schichtabscheidung die Mehrzahl von weiteren Zugangsöffnungen (221) durch die zweite Schichtstruktur (224) zu der Kavität (220) hermetisch verschlossen und ein atmosphärischer Unterdruck in der Kavität (220) ausgebildet wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtanordnung (221) als Teil eines MEMS-Bauelements (200)ausgebildet wird, das ein MEMS-Schichtsystem (221) auf einem Trägersubstrat (222) mit einer Doppelmembrananordnung (210, 224) und einer dazwischen liegenden Gegenelektrodenstruktur (228) aufweist.
Verfahren (100) nach Anspruch 12, wobei das MEMS-Bauelement (200) als ein Vakuum-Mikrofon ausgebildet wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Durchführen (160) der HDP-Schichtabscheidung ferner ein Anfangsschritt vor dem ersten Teilschritt durchgeführt wird, wobei bei dem Anfangsschritt ein teilweises Rücksputtern der ersten Abdeckungsschicht (240) im Bereich (230-A) der Zugangsöffnung (230) erfolgt.
Verfahren (100) nach Anspruch 14, wobei die Prozessparameter der HDP-Schichtabscheidung so gewählt werden, um bei dem Anfangsschritt die Zusammensetzung des verwendeten Prozessgases so einzustellen, dass das Rücksputtern mit einer zumindest verringerten Materialaufbringung durchgeführt wird.
Verfahren (100) nach Anspruch 15, wobei die Prozessparameter der HDP-Schichtabscheidung so eingestellt werden, dass Anfangsschritt ohne Materialaufbringung durchgeführt wird.
MEMS-Bauelement (200) mit folgenden Merkmalen: einer Schichtanordnung (221) mit einer ersten Schichtstruktur (210) und einer angrenzend an die erste Schichtstruktur (210) angeordneten Kavität (220), wobei die erste Schichtstruktur (210) eine Zugangsöffnung (230) zu der Kavität (220) aufweist, und einem strukturierten Abdeckungsschichtstapel (260; 261) zum Bilden eines lokalen Verschlusselements (280) an der Zugangsöffnung (230), wobei das lokale Verschlusselement (280) eine Schichtfolge mit einer CVD- Schicht (240) und einer darauf angeordneten HDP-Schicht (250) aufweist, wobei das lokale Verschlusselement (280) gemäß dem Verfahren (100) zum Verschließen einer Zugangsöffnung (230) zu einer Kavität (220) nach Anspruch 8 gebildet wird.
MEMS-Bauelement (200) gemäß Anspruch 17, wobei das MEMS-Bauelement als ein Vakuum-Mikrofon ausgebildet ist und ein MEMS-Schichtsystem (221) auf einem Trägersubstrat (222) mit einer Doppelmembrananordnung (210; 224) und einer dazwischen liegenden Gegenelektrodenstruktur (228) aufweist, wobei die erste Schichtstruktur (210) als eine bewegliche Membran der Doppelmembrananordnung (210; 224) ausgebildet ist.