DE102018200377A1 - Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Schichtstruktur - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Schichtstruktur, umfassend die Schritte- Bereitstellen einer ersten Schutzschicht, wobei die erste Schutzschicht mit zumindest einem Zugang strukturiert ist, welche mit Opferschichtmaterial gefüllt ist,- Aufbringen einer Funktionsschicht-Schichtstruktur, umfassend zumindest eine Funktionsschicht, auf die erste Schutzschicht,- Herstellen eines ersten Zugangs in der Funktionsschicht-Schichtstruktur zum zumindest einen Zugang der ersten Schutzschicht, so dass eine Breite des ersten Zugangs in der Funktionsschicht-Schichtstruktur in zumindest einer der Schichten der Funktionsschicht-Schichtstruktur größer oder gleich der Breite des zumindest einen Zugangs der ersten Schutzschicht ist,- Aufbringen einer zweiten Schutzschicht auf die Funktionsschicht-Schichtstruktur derart, dass der erste Zugang mit Material der zweiten Schutzschicht gefüllt ist,- Strukturieren der zweiten Schutzschicht und des gefüllten ersten Zugangs mit einem zweiten Zugang zur ersten Schutzschicht, wobei der zweite Zugang die gleiche oder eine kleinere Breite als der erste Zugang aufweist, sodass im Fall einer kleineren Breite des zweiten Zugangs die Wände des zweiten Zugangs durch Material der zweiten Schutzschicht gebildet werden,- Entfernen von Opferschichtmaterial zumindest in dem Zugang der ersten Schutzschicht und- Entfernen von Schutzschichtmaterial zumindest in dem zweiten Zugang.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Schichtstruktur.
  • Die Erfindung betrifft weiter eine mikromechanische Schichtstruktur.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige mikromechanische Schichtstrukturen anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf mikromechanische Schichtstrukturen in Form von Resonatoren mit piezo-resistiven Funktionsschichten beschrieben.
  • Stand der Technik
  • Mikromechanische Resonatoren werden beispielsweise als Taktgeber in Uhren verwendet werden oder auch in hoch-getakteten, elektronischen Kommunikationsgeräten, beispielsweise für WiFi, Bluetooth, NFC oder dergleichen. Um derartige Resonatoren herzustellen, werden mikromechanische Schichtstrukturen hergestellt, diese insbesondere strukturiert und Opferschichten aufgetragen, welche später wieder entfernt werden. Zur Entfernung der Opferschichten werden häufig Gasphasenätzverfahren verwendet.
  • Eine Güte eines mikromechanischen Resonators wird von dem elektrischen Widerstand des entsprechenden RC-Gliedes bestimmt. Die Güte beeinflusst hierbei die Präzision und den Stromverbrauch des mikromechanischen Resonators. Je geringer der Stromverbrauch, desto höher die Güte des Resonators. Der elektrische Widerstand des RC-Gliedes besteht hierbei aus Elektroden und Zuleitungen, wobei für die Elektroden beispielsweise Wolfram verwendet wird, um einen niedrigeren elektrischen Widerstand zu erreichen, was einen niedrigen Stromverbrauch und eine hohe Güte des Resonators ermöglicht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Schichtstruktur bereit, umfassend die Schritte
    • - Bereitstellen einer ersten Schutzschicht, wobei die erste Schutzschicht mit zumindest einem Zugang strukturiert ist, welche mit Opferschichtmaterial gefüllt ist,
    • - Aufbringen einer Funktionsschicht-Schichtstruktur, umfassend zumindest eine Funktionsschicht, auf die erste Schutzschicht,
    • - Herstellen eines ersten Zugangs in der Funktionsschicht-Schichtstruktur zum zumindest einen Zugang der ersten Schutzschicht, so dass eine Breite des ersten Zugangs in der Funktionsschicht-Schichtstruktur in zumindest einer der Schichten der Funktionsschicht-Schichtstruktur größer oder gleich der Breite des zumindest einen Zugangs der ersten Schutzschicht ist,
    • - Aufbringen einer zweiten Schutzschicht auf die Funktionsschicht-Schichtstruktur derart, dass der erste Zugang mit Material der zweiten Schutzschicht gefüllt ist,
    • - Strukturieren der zweiten Schutzschicht und des gefüllten ersten Zugangs mit einem zweiten Zugang zur ersten Schutzschicht, wobei der zweite Zugang die gleiche oder eine kleinere Breite als der erste Zugang aufweist, sodass im Fall einer kleineren Breite des zweiten Zugangs die Wände des zweiten Zugangs durch Material der zweiten Schutzschicht gebildet werden,
    • - Entfernen von Opferschichtmaterial zumindest in dem Zugang der ersten Schutzschicht und
    • - Entfernen von Schutzschichtmaterial zumindest in dem zweiten Zugang.
  • In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine mikromechanische Schichtstruktur bereit, hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-10, umfassend eine erste Schutzschicht, insbesondere umfassend Silizium, eine auf der ersten Schutzschicht angeordnete Funktionsschicht-Schichtstruktur, umfassend zumindest eine Funktionsschicht, insbesondere eine piezo-elektrische Schicht, eine auf der Funktionsschicht-Schichtstruktur angeordnete zweite Schutzschicht, insbesondere umfassend Silizium, wobei zumindest ein Zugang angeordnet ist, der sich in vertikaler Richtung durch Funktionsschicht-Schichtstruktur und den Schutzschichten erstreckt zur Freistellung eines Teils der mikromechanischen Schichtstruktur.
  • Unter dem Begriff „Schutzschicht“ ist insbesondere in der Beschreibung, vorzugsweise in den Ansprüchen eine Schicht zu verstehen, deren Material unempfindlich gegenüber zumindest einem Ätzverfahren, insbesondere einem Gasphasenätzverfahren ist. Eine Schutzschicht kann dabei aus Silizium hergestellt sein und als Elektrodenschicht zur Kontaktierung einer Funktionsschicht dienen Mit anderen Worten sind unter dem Begriff „Schutzschicht“ ebenso eine Elektrode, eine Leiterbahn oder dergleichen zu verstehen.
  • Unter dem Begriff „Zugang“ ist insbesondere in der Beschreibung, vorzugsweise in den Ansprüchen eine Strukturierung in Form eines Lochs, eines Grabens, eines vertikalen Kanals, eines Spalts, einer Öffnung oder einer Unterbrechung oder dergleichen in der jeweiligen Schicht zu verstehen, der eine fluidische Verbindung zu einer oder mehreren darunterliegenden Schichten und/oder Zugängen ermöglicht.
  • Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass durch die Schutzschichten die Funktionsschicht vor negativen Effekten aufgrund aggressiver weiterer Prozessschritte, insbesondere Gasphasenärzten mit Fluorwasserstoff, geschützt wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass Prozessanlagen für die Durchführung späterer Herstellungsschritte vor Verunreinigung durch Material der Funktionsschicht geschützt sind. Beispielsweise erfolgt eine Abscheidung von epitaktischem Silizium bei ca. 1000°C, oder von polykristallinem Silizium und Siliziumoxid bei ca. 600 - 800°, sodass hier durch die hohen Temperaturen ein Ausgasen von Material der Funktionsschicht erfolgt, was die Prozessanlage verunreinigt. Durch das Aufbringen der Schutzschichten ist eine exklusive Prozessanlage für diesen verunreinigenden Prozess nicht mehr erforderlich, so dass erhebliche Mehrkosten vermieden werden. Ebenso entfällt eine aufwendige kostintensive Reinigung und Neukalibrierung der Prozessanlage. Ein weiterer Vorteil ist, wenn die jeweilige Schutzschicht aus Silizium hergestellt wird, dass diese Schicht gleichzeitig als Elektrode oder als elektrische Zuleitung zur elektrischen Kontaktierung der Funktionsschicht dienen kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass bessere Resonatoren, also Resonatoren mit höherer Güte, hergestellt werden können, wenn insbesondere metall-haltige piezo-elektrische Materialien verwenden werden können.
  • Als Materialien für die Funktionsschichten können beispielsweise
    • - Aluminiumnitrid,
    • - Bleizirkontitanat, und/oder
    • - Scandium-dotiertes Aluminiumnitrid
    verwendet werden.
  • Als Materialien für die Elektrodenschichten/Leiterbahnen, umfassend oder zumindest teilweise hergestellt aus Metall oder einer Metallverbindung, können beispielsweise verwendet werden:
    • - Wolfram,
    • - Wolframsilizid,
    • - Titan,
    • - Titannitrid,
    • - Titansilizid,
    • - Platin,
    • - Palladium,
    • - Kupfer,
    • - Tantal,
    • - Molybdän,
    • - Tantalsilizid
    oder dergleichen.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird in den Zugängen in zumindest einer der Schutzschichten, Schutzschichtmaterial in lateraler Richtung entfernt. Vorteil hiervon ist, dass eine definierte Freistellung ermöglicht wird. Darüber hinaus wird die Flexibilität erhöht, da Funktionsschichten in der Funktionsschicht-Schichtstruktur auch mit unterschiedlichen Breiten mittels der Zugänge freigestellt werden können und so die vorab aufgebrachte Schutzschicht nicht nur vertikal, sondern auch lateral entfernt werden kann.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung erfolgt die Entfernung des Opferschichtmaterials und/oder des Schutzschichtmaterials mittels Gasphasenätzen. Vorteil hiervon ist, dass insbesondere auf zuverlässige und bekannte Verfahren zum Entfernen von Opferschichten zurückgegriffen werden kann.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung erfolgt das Entfernen des Opferschichtmaterials auf Basis von Fluorwasserstoff und/oder das Entfernen des Schutzschichtmaterials auf Basis eines Halogenfluorids. Vorteil hiervon ist, dass gezielt beziehungsweise selektiv, Opferschichtmaterial und/oder Schutzschichtmaterial mittels unterschiedlicher Ätzstoffe entfernt werden können, ohne dass unerwünschte Abtragungen des jeweils anderen Materials erfolgen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Aufbringen der Funktionsschicht-Schichtstruktur die Schritte:
    • - Aufbringen einer Funktionsschicht auf die erste Schutzschicht,
    • - Aufbringen einer Elektrodenschicht auf die aufgebrachte Funktionsschicht, die zumindest teilweise ein Metall und/oder eine Metallverbindung umfasst, insbesondere eine Metallnitrid- und/oder eine Metallsilizid-Verbindung.
  • Für diese Elektrodenschicht wird insbesondere ein hochleitfähiges Metall verwendet. Vorteil hiervon ist, dass damit zum einen die Flexibilität allgemein erhöht wird, da mehrere Schichten in der Funktionsschicht-Schichtstruktur angeordnet werden können, zum anderen kann eine verbesserte, also niederohmigere Kontaktierung der Funktionsschicht mittels der Elektrodenschicht, die zumindest teilweise ein Metall und/oder eine Metallverbindung umfasst, beispielsweise hergestellt aus einem Metall, Metallnitrid oder einer Metallsilizidverbindung, ermöglicht werden. Die Kontaktierung der Funktionsschicht kann dabei sowohl über eine Elektrodenschicht, die zumindest teilweise ein Metall und/oder eine Metallverbindung umfasst, als auch über eine Schutzschicht aus Silizium erfolgen. Insgesamt sinkt der Widerstand für die Kontaktierung der Funktionsschicht sowohl der Elektroden als auch in den Zuleitungen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der erste Zugang in der Elektrodenschicht mit einer Breite hergestellt, die größer oder gleich der Breite des ersten Zugangs der darunterliegenden Funktionsschicht ist. Damit kann auf einfache Weise im Bereich der Elektrodenschicht in lateraler Richtung im weiteren Verlauf des Herstellungsverfahrens eine Schutzschicht aufgetragen werden, welche dann die Elektrodenschicht in lateraler Richtung schützt.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird eine Zwischen-Schutzschicht auf der Funktionsschicht vor Aufbringen der Elektrodenschicht aufgebracht. Auf diese Weise kann beispielsweise verhindert werden, dass die Materialien der beiden Schichten, Funktionsschicht einerseits und Elektrodenschicht andererseits, die zumindest teilweise ein Metall und/oder eine Metallverbindung umfasst, in vertikaler Richtung miteinander reagieren. Beispiel hierfür ist eine Funktionsschicht hergestellt aus Aluminiumnitrid und eine Elektrodenschicht hergestellt aus Wolfram.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das Schutzschichtmaterial in dem ersten Zugang in der Elektrodenschicht im oberen Bereich des Zugangs vollständig, im unteren Bereich in lateraler Richtung nur teilweise entfernt. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit eine Reaktion von Materialien der Schichten, Funktionsschicht einerseits und Elektrodenschicht andererseits, noch besser verhindert werden kann.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die Zugänge in unterschiedlichen Schichten oberhalb der ersten Schutzschicht mit unterschiedlichen Breiten hergestellt, insbesondere wobei die Breite des ersten Zugangs schichtweise von oben nach unten abnimmt. Auf diese Weise können beispielsweise von oben nach unten laterale Schutzschichten in der jeweiligen Schicht verbleiben, sodass diese bei entsprechenden Folgeprozessen, beispielsweise dem Entfernen einer Opferschicht, geschützt sind.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird Opferschichtmaterial zum Verschließen des ersten Zugangs vor dem Aufbringen der zweiten Schutzschicht und/oder zum Verschließen des zweiten Zugangs nach dem Strukturieren der zweiten Schutzschicht, abgeschieden. Nach dem Aufbringen des Opferschichtmaterials kann dieses insbesondere noch strukturiert werden. Vorteil hiervon ist, dass eine einfache Herstellung der mikromechanischen Schichtstruktur ermöglicht wird. Ebenso kann vorab unter der ersten Schutzschicht Opferschichtmaterial auf einem Substrat oder dergleichen abgeschieden werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der mikromechanischen Schichtstruktur weist der Zugang in einer Schutzschicht unter und/oder oberhalb der Funktionsschicht eine größere Breite auf als in der Funktionsschicht. Auf diese Weise wird eine größtmögliche Freistellung ermöglicht, beispielsweise durch einen durch die Freistellung der Funktionsschicht gebildeten Resonator.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Elektrodenschicht oberhalb der Funktionsschicht angeordnet, die zumindest teilweise ein Metall und/oder eine Metallverbindung umfasst. Damit wird eine einfache und zuverlässige Kontaktierung bei kleinem elektrischen Widerstand ermöglicht.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Breite des Zugangs in der Elektrodenschicht größer oder gleich der Breite des Zugangs in der Funktionsschicht. Auf diese Weise kann beispielsweise auf noch einfachere Weise die Elektrodenschicht mit Schutzschichtmaterial in lateraler Richtung innerhalb der Elektrodenschicht versehen werden, ohne dass damit die minimale Breite aller Zugänge in den Schichten oberhalb der ersten Schutzschicht insgesamt vermindert wird.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen Funktionsschicht und Elektrodenschicht eine Zwischen-Schutzschicht angeordnet und der Zugang in dem Bereich der Zwischen-Schutzschicht weist eine größere Breite auf als zumindest einer der beiden benachbarten Schichten. Eine Zwischen-Schutzschicht ermöglicht die bauliche Trennung der beiden Schichten und verhindert eine Reaktion der Materialien der beiden benachbarten Schichten miteinander während des Herstellungsprozesses der mikromechanischen Schichtstruktur.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest eine der Schutzschichten in einem Zugang in zumindest einer der Funktionsschichten teilweise angeordnet, insbesondere wobei diese lediglich im unteren Bereich des Zugangs in der jeweiligen Funktionsschicht angeordnet ist. Vorteil hiervon ist, dass die Elektrodenschicht neben ihrer vertikalen Trennung von der Funktionsschicht auch teilweise in lateraler Richtung noch mit einer Schutzschicht versehen ist, was eine besonders robuste Ausbildung des freigestellten Bereichs der Funktionsschicht-Schichtstruktur ermöglicht.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
  • Figurenliste
    • 1a-g zeigen Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2 zeigt einen Teil einer mikromechanischen Schichtstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
    • 3a-c zeigen jeweils eine mikromechanische Schichtstruktur gemäß weiteren Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt.
    • 3d-e zeigen mikromechanische Schichtstrukturen nach Schritten eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
    • 4a-4b zeigen mikromechanische Schichtstrukturen nach Schritten eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
    • 5 zeigt eine mikromechanische Schichtstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1a-1g zeigen Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
  • In 1a ist eine mikromechanische Schichtstruktur 10 im Querschnitt gezeigt, die von unten nach oben zunächst ein Substrat 1 aufweist. Auf dem Substrat 1 ist eine Opferschicht 2, beispielsweise aus Siliziumoxid, aufgebracht. Auf der Opferschicht 2 ist eine untere Elektrodenschicht 3, beispielsweise aus Silizium, aufgebracht, welche mit zwei Zugängen 100 zur Opferschicht 2 strukturiert ist und mit Opferschichtmaterial gefüllt sind. Auf der Oberseite der unteren Elektrodenschicht 3 ist eine piezoelektrischen Schicht 4, beispielsweise aus Aluminiumnitrid, angeordnet, welche mit zwei Zugängen 101 strukturiert ist, deren Breite größer ist als die Breite der Zugänge 100 der unteren Elektrodenschicht 3. Die Breite kann jedoch auch gleich sein. Auf der piezoelektrischen Schicht 4 ist eine obere Elektrodenschicht 5, beispielsweise aus Silizium, angeordnet, deren Material ebenfalls in den Zugängen 101 der piezoelektrischen Schicht 4 angeordnet ist. Die Zugänge 101 sind oberhalb der jeweiligen Zugänge 100 der unteren Elektrodenschicht 3 angeordnet. Die Zugänge 100, 101 sind dabei so angelegt, dass eine Freistellung eines Teils der mikromechanischen Schichtstruktur zur Bildung eines mikromechanischen Elements, hier eines Resonators 200, erfolgt.
  • 1b zeigt im Wesentlichen eine mikromechanische Schichtstruktur 10 gemäß 1a. Im Unterschied zur mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 1a sind bei der mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 1b nun zwei zweite Zugänge 102 durch die piezoelektrischen Schicht 4 und die obere Elektrodenschicht 5 zum Zugang zu den Zugängen 100, 101 hergestellt, wobei die Zugänge 100 mit Opferschichtmaterial gefüllt sind. Der Durchmesser der zweiten Zugänge 102 weist aber eine Breite auf, die kleiner ist als die Breite der darunterliegenden Zugänge 101 der piezoelektrischen Schicht 4, sodass die piezoelektrische Schicht 4 vollständig oberhalb und seitlich im Bereich des Zugangs 101 von dem Material der oberen Elektrodenschicht 5 umgeben ist.
  • 1c zeigt im Wesentlichen eine mikromechanische Schichtstruktur 10 gemäß 1b. Im Unterschied zur mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 1b ist bei der mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 1c nun auf der oberen Elektrodenschicht 5 eine Opferschicht 6 aufgebracht, die einerseits strukturiert ist (Bezugszeichen 6a), andererseits befindet sich durch das Aufbringen der Opferschicht 6 Material der Opferschicht 6 in den zweiten Zugängen 102 im Bereich der oberen Elektrodenschicht 5 und der piezoelektrischen Schicht 4.
  • 1d zeigt im Wesentlichen eine mikromechanische Schichtstruktur 10 gemäß 1c. Im Unterschied zur mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 1c ist bei der mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 1d nun auf der Opferschicht 6 eine Verschlusskappenschicht 7 angeordnet, welche beispielsweise aus Silizium besteht. Das Material der Verschlusskappenschicht 7 ist ebenfalls in den Strukturen 6a der strukturierten Opferschicht 6 angeordnet.
  • 1e zeigt im Wesentlichen eine mikromechanische Schichtstruktur 10 gemäß 1d. Im Unterschied zur mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 1d sind bei der mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 1e nun Zugänge 7a in der Verschlusskappenschicht 7 zum Zugang zur Opferschicht 6 angeordnet.
  • 1f zeigt im Wesentlichen eine mikromechanische Schichtstruktur 10 gemäß 1e. Im Unterschied zur mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 1e wurde bei der mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 1f nun mittels eines für Siliziumoxid sensitiven Gasphasenätzverfahrens, beispielsweise mittels Fluorwasserstoff 50, das Opferschichtmaterial in den Zugängen 100, 101 und 102 sowie teilweise in den Opferschichten 2, 6 selbst entfernt. Mittels des aufgebrachten Materials der oberen Schutzschicht 5, welches auch in den Zugängen 101 der piezoelektrischen Schicht 4 angeordnet ist, sind diese in lateraler Richtung, also im Bereich der Zugänge 100, 101, 102 vor einer Reaktion mit dem Ätzgas geschützt.
  • 1g zeigt im Wesentlichen eine mikromechanische Schichtstruktur 10 gemäß 1f. Im Unterschied zur mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 1f ist bei der mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 1g nun mittels eines für das Schutzschichtmaterial sensitiven Gasphasenätzverfahrens, beispielsweise auf Basis eines Halogenfluorids 51 zum Entfernen von Silizium, teilweise das Schutzschichtmaterial in den Zugängen 100, 101, 102 und in den Zugängen 7a entfernt worden, sodass nun die piezoelektrische Schicht 4 lateral nicht mehr vom Schutzschichtmaterial geschützt wird. Bei entsprechend langer Einwirkdauer wird auch ein kleiner Teil in lateraler Richtung von der unteren und oberen Schutzschicht 3, 5 entfernt, sodass ein Teil der Funktionsschicht 4 des hergestellten Resonators 200 die beiden Schutzschichten 3, 5 in lateraler Richtung überragt. Mit anderen Worten weist die piezoelektrische Schicht 4 des Resonators 200 eine größere Breite auf als die freigestellte untere und obere Schutzschicht 3, 5 desselben. Die beiden Schutzschichten 3, 5 dienen hier zur Kontaktierung der Funktionsschicht 4 und sind elektrisch leitend.
  • 2 zeigt einen Teil einer mikromechanischen Schichtstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
  • 2 zeigt im Wesentlichen eine mikromechanische Schichtstruktur 10 gemäß 1d. Im Unterschied zur mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 1d sind bei der mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 2 nun eine Elektrodenschicht 4', beispielsweise hergestellt aus Metall oder einem Metallsilizid, angeordnet. Zwischen den beiden Schichten 4, 4' ist nun die Schutzschicht 5 angeordnet. Weiterhin ist die Elektrodenschicht 4' mit zu den Zugängen 101 der ersten Funktionsschicht 4 korrespondierenden Zugängen 103 versehen. Gleiches gilt entsprechend für die obere Schutzschicht 5. Diese weist zu den beiden Schichten 4, 4' korrespondierende Zugänge 102 auf. Sämtliche Zugänge 100, 101, 102 und 103 weisen hier die selbe Breite auf und sind mit Opferschichtmaterial der Opferschicht 2 bzw. der Opferschicht 6 gefüllt. Auf diese Weise kann eine Reaktion zwischen Elektroden- und Funktionsschicht 4, 4' durch die Schutzschicht 5 verhindert werden. Weiterhin werden durch entsprechende Prozesse bei hohen Temperaturen Ausgasungen durch Schutzschicht 5 entsprechend in großem Umfang verhindert.
  • 3a-c zeigen jeweils eine mikromechanische Schichtstruktur gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung im Querschnitt.
  • 3a zeigt im Wesentlichen eine mikromechanische Schichtstruktur 10 gemäß 1f. Im Unterschied zur mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 1f sind bei der mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 3a anstelle nur einer Funktionsschicht 4 nun die Funktionsschicht 4 und eine Elektrodenschicht 4' direkt übereinander angeordnet, wobei die zweite Schutzschicht 5 auf der Elektrodenschicht 4' aufgebracht ist. Die Elektrodenschicht 4' ist aus Metall hergestellt. Darüber hinaus fehlt in 3a die laterale Schutzschicht in den Zugängen 101, 103. Die Schutzschicht 5 dient aber ebenfalls als vertikale Schutzschicht und verhindert, dass beim Entfernen von Opferschichtmaterial mittels eines für Opferschichtmaterial sensitiven Gasphasenätzverfahrens 50 die piezoelektrische Schicht 4 in vertikaler Richtung während des Gasphasenätzverfahrens angegriffen wird.
  • 3b zeigt im Wesentlichen eine mikromechanische Schichtstruktur 10 gemäß 3a. Im Unterschied zur mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 3a ist bei der mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 3b die Breite der Zugänge 102 in der Elektrodenschicht 4' größer als die Zugänge 101 in der Funktionsschicht 4: In den Zugängen 102 der Elektrodenschicht 4' ist wie auch auf der Elektrodenschicht 4' Schutzschichtmaterial angeordnet.
  • 3c zeigt im Wesentlichen eine mikromechanische Schichtstruktur 10 gemäß 3b. Im Unterschied zur mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 3b ist bei der mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 3c nun die Breite der Zugänge 102 in der Elektrodenschicht 4' gleich groß wie die Zugänge 101 in der Funktionsschicht 4. Die Zugänge 101, 102 in den beiden Schichten 4, 4' weisen eine größere Breite auf als der Zugang 100 der unteren Schutzschicht 3, so dass die beiden Schichten 4, 4' im Bereich des herzustellenden Resonators 200 beim Entfernen von Opferschichtmaterial gegenüber diesem in allen Richtungen geschützt sind.
  • 3d und 3e zeigen mikromechanische Schichtstrukturen nach Schritten eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
  • 3d zeigt im Wesentlichen eine mikromechanische Schichtstruktur 10 gemäß 3c. Im Unterschied zur mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 3c ist bei der mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 3d nun eine Schutzschicht 5' zwischen Funktions- und Elektrodenschicht 4, 4' angeordnet. Insgesamt sind damit die beiden Schichten 4, 4' im Bereich des herzustellenden Resonators 200 beim Entfernen von Opferschichtmaterial jeweils vollständig von Schutzschichtmaterial umgeben.
  • 3e zeigt im Wesentlichen die mikromechanische Schichtstruktur 10 gemäß 3d nach Anwendung eines Gasphasenätzverfahrens zur Entfernung von Schutzschichtmaterial. Im Wesentlichen sind nun Funktions- und Elektrodenschicht 4, 4' in lateraler Hinsicht und die Elektrodenschicht 4' auch auf ihrer Oberseite von Schutzschichtmaterial freigestellt.
  • 4a bis 4b zeigen mikromechanische Schichtstrukturen im Querschnitt nach Schritten eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 4a zeigt im Wesentlichen eine mikromechanische Schichtstruktur 10 gemäß 3b. Im Unterschied zur mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 3b ist bei der mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 4a nun zum einen zwischen Funktions- und Elektrodenschicht 4, 4' die Schutzschicht 5 angeordnet, sodass die Elektrodenschicht 4' keine oberhalb angeordnete Schutzschicht aufweist. Zum anderen ist die Breite der Zugänge 103 in der oberen Elektrodenschicht 4' größer ausgeführt als die entsprechenden Zugänge 101 in der Funktionsschicht 4. Darüber hinaus wurde beim Entfernen von Schutzschichtmaterial in den Zugängen 103 der Elektrodenschicht 4' im unteren Bereich der Zugänge 103 dieses in lateraler Richtung nicht entfernt. Im Querschnitt ist in 4a somit der freigestellte Bereich der Elektrodenschicht 4' U-förmig im Bereich des Resonators 200 von Schutzschichtmaterial umgeben. An den vom Resonator 200 abgewandten Seite ist die Elektrodenschicht 4' im Wesentlichen L-förmig von Schutzschichtmaterial umgeben in Form der Schutzschicht 5 und einer jeweiligen vertikalen Erstreckung in den Zugängen 103.
  • 4b zeigt im Wesentlichen eine mikromechanische Schichtstruktur 10 gemäß 3e. Im Unterschied zur mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 3e ist bei der mikromechanischen Schichtstruktur 10 gemäß 4b nun zwischen der Elektrodenschicht 4' und Opferschicht 6 eine weitere Schutzschicht 5' angeordnet. Beim Entfernen von Schutzschichtmaterial wird diese nur im Bereich der Zugänge 102, 104 in lateraler Richtung entfernt. Mit anderen Worten ist in 4b die in weitere Schutzschicht 5' korrespondierend zur Schutzschicht 5 ausgebildet bzw. angeordnet.
  • 5 zeigt eine mikromechanische Schichtstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • In 5 ist nun eine vollständig hergestellte mikromechanische Schichtstruktur 10 mit einem Resonator 200 gezeigt. Der Resonator 200 wird dabei elektrisch kontaktiert über eine entlang des elektrischen Pfades 90 zunächst von rechts nach links horizontal verlaufende Metallelektrode 8, die sich dann weiter in vertikaler Richtung fortsetzt (Bezugszeichen 8a) und mit der oberen Schutzschicht 5 verbunden ist. Im Bereich der Metallleiterbahnen 30 ist der elektrische Widerstand gering. Der elektrische Pfad 90 verläuft innerhalb der Schutzschicht 5 dann mit hohem elektrischen Widerstand 31 bis zum Resonator 200. Wie beispielsweise in der 4a gezeigt kann die Kontaktierung der Funktionsschicht 4 mittels einer Elektrodenschicht 4' aus Metall in horizontaler Richtung verbessert werden. Ist die Schutzschicht 5 dann ebenfalls leitend ausgebildet, trägt diese nur noch - trotz ihres im Vergleich zur Metallelektrode höheren Widerstandes - kaum zum Gesamtwiderstand der Kontaktierung des Resonators 200 bei.
  • Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
    • - Schützen von Funktionsschichten vor aggressivem Einfluss von Nachbehandlungen, wie beispielsweise Gasphasenätzen, Heißprozessen, etc.
    • - Verhindern einer Reaktion oder Diffusion zwischen verschiedenen Schichten, insbesondere zwischen piezoelektrischen Schichten und metallischen oder aus Metallsilizid hergestellten Elektrodenschichten.
    • - Schützen der Prozessanlagen für spätere Prozessschritte vor Verunreinigungen durch Materialen von piezo-resistiven Schichten, Metallen oder Metallsiliziden.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Claims (16)

  1. Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Schichtstruktur (10), umfassend die Schritte - Bereitstellen einer ersten Schutzschicht (3), wobei die erste Schutzschicht (3) mit zumindest einem Zugang (100) strukturiert ist, welche mit Opferschichtmaterial gefüllt ist, - Aufbringen einer Funktionsschicht-Schichtstruktur (4, 4'), umfassend zumindest eine Funktionsschicht (4), auf die erste Schutzschicht (3), - Herstellen eines ersten Zugangs (101) in der Funktionsschicht-Schichtstruktur (4, 4') zum zumindest einen Zugang (100) der ersten Schutzschicht (3), so dass eine Breite des ersten Zugangs (101) in der Funktionsschicht-Schichtstruktur (4, 4') in zumindest einer der Schichten (4, 4') der Funktionsschicht-Schichtstruktur größer oder gleich der Breite des zumindest einen Zugangs (100) der ersten Schutzschicht (3) ist, - Aufbringen einer zweiten Schutzschicht (5) auf die Funktionsschicht-Schichtstruktur (4, 4') derart, dass der erste Zugang (101) mit Material der zweiten Schutzschicht (5) gefüllt ist, - Strukturieren der zweiten Schutzschicht (5) und des gefüllten ersten Zugangs (101) mit einem zweiten Zugang (102) zur ersten Schutzschicht (3), wobei der zweite Zugang (102) die gleiche oder eine kleinere Breite als der erste Zugang (101) aufweist, sodass im Fall einer kleineren Breite des zweiten Zugangs (102) die Wände des zweiten Zugangs (102) durch Material der zweiten Schutzschicht (5) gebildet werden, - Entfernen von Opferschichtmaterial zumindest in dem Zugang (100) der ersten Schutzschicht (3) und - Entfernen von Schutzschichtmaterial zumindest in dem zweiten Zugang (102).
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei in den Zugängen (100, 101, 102) in zumindest einer der Schutzschichten (3, 5) Schutzschichtmaterial in lateraler Richtung entfernt wird.
  3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-2, wobei die Entfernung des Opferschichtmaterials und/oder des Schutzschichtmaterials mittels Gasphasenätzen erfolgt.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Entfernen des Opferschichtmaterials auf Basis von Fluorwasserstoff und/oder das Entfernen des Schutzschichtmaterials auf Basis eines Halogenfluorids erfolgt.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-4, wobei das Aufbringen der Funktionsschicht-Schichtstruktur (4, 4') die Schritte umfasst: - Aufbringen einer Funktionsschicht (4) auf die erste Schutzschicht (3) - Aufbringen einer Elektrodenschicht (4') auf die aufgebrachte Funktionsschicht (4), die zumindest teilweise ein Metall und/oder eine Metallverbindung umfasst, insbesondere eine Metallnitrid- und/oder eine Metallsilizid-Verbindung.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der erste Zugang (103) in der Elektrodenschicht (4') mit einer Breite hergestellt wird, die größer oder gleich der Breite des ersten Zugangs (101) der darunterliegenden Funktionsschicht (4) ist.
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6, wobei eine Zwischen-Schutzschicht (5, 5') auf der Funktionsschicht (4) vor Aufbringen der Elektrodenschicht (4') aufgebracht wird.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei das Schutzschichtmaterial in dem ersten Zugang (103) in der Elektrodenschicht (4') im oberen Bereich des Zugangs lateral vollständig, im unteren Bereich in lateraler Richtung nur teilweise entfernt wird.
  9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5-8, wobei werden Zugänge (101, 103) in unterschiedlichen Schichten (4, 4') oberhalb der ersten Schutzschicht (3) mit unterschiedlichen Breiten hergestellt werden, insbesondere wobei die Breite des ersten Zugangs (101, 102, 103) schichtweise von oben nach unten abnimmt.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-9, wobei Opferschichtmaterial zum Verschließen des ersten Zugangs (101) vor dem Aufbringen der zweiten Schutzschicht (5) und/oder zum Verschließen des zweiten Zugangs (102) nach dem Strukturieren der zweiten Schutzschicht (5), abgeschieden wird.
  11. Mikromechanische Schichtstruktur (10), hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-10, umfassend eine erste Schutzschicht (3), insbesondere umfassend Silizium, eine auf der ersten Schutzschicht (3) angeordnete Funktionsschicht-Schichtstruktur (4, 4'), umfassend zumindest eine Funktionsschicht, insbesondere eine piezo-elektrische Schicht, eine auf der Funktionsschicht-Schichtstruktur (4, 4') angeordnete zweite Schutzschicht (5), insbesondere umfassend Silizium, wobei zumindest ein Zugang (100, 101, 102, 103, 104) angeordnet ist, der sich in vertikaler Richtung durch Funktionsschicht-Schichtstruktur (4, 4') und Schutzschichten (3, 5) erstreckt zur Freistellung eines Teils (200) der mikromechanischen Schichtstruktur (10).
  12. Mikromechanische Schichtstruktur gemäß Anspruch 11, wobei der Zugang in einer Schutzschicht (3, 5, 5') unter und/oder oberhalb der Funktionsschicht (4, 4') eine größere Breite aufweist als in der Funktionsschicht (4, 4').
  13. Mikromechanische Schichtstruktur gemäß Anspruch 11, wobei eine Elektrodenschicht (4') oberhalb der Funktionsschicht (4) in der Funktionsschicht-Schichtstruktur (4, 4') angeordnet ist, die zumindest teilweise ein Metall und/oder eine Metallverbindung umfasst,
  14. Mikromechanische Schichtstruktur gemäß Anspruch 13, wobei die Breite des Zugangs (103) in der Elektrodenschicht (4') größer als oder gleich der Breite des Zugangs (101) in dem Material der Funktionsschicht (4) ist.
  15. Mikromechanische Schichtstruktur gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei zwischen Funktionsschicht (4) und Elektrodenschicht (4') eine Zwischen-Schutzschicht (5, 5') angeordnet ist und der Zugang (104) in dem Bereich der Zwischen-Schutzschicht (5, 5') eine größere Breite aufweist als zumindest einer der beiden Funktionsschichten (4, 4').
  16. Mikromechanische Schichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 11-15, wobei zumindest eine der Schutzschichten (3, 5, 5') in einem Zugang (101, 103) in zumindest einer der Schichten (4, 4') der Funktionsschicht-Schichtstruktur (4, 4') teilweise angeordnet ist, insbesondere wobei diese lediglich im unteren Bereich des Zugangs (101, 103,) in der jeweiligen Schicht der Funktionsschicht-Schichtstruktur (4, 4') angeordnet ist.
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