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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strukturieren einer mikromechanischen Funktionsschicht. Die Erfindung betrifft ferner eine strukturierte mikromechanische Funktionsschicht. Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung einer strukturierten mikromechanischen Funktionsschicht.
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Stand der Technik
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Fotolithografie ist einer der meistbenutzten Standard-Technologie-Prozesse in der Halbleiterindustrie, der mit einem Ätzprozess kombiniert werden kann, um spezifische Schichten zu strukturieren. Der Strukturierungsprozess nutzt einen Fotolack (engl. foto resist), welcher während des Lithographieprozesses mittels UV-Belichtung durch eine Fotomaske strukturiert wird. Diese Struktur wird danach in die darunter liegende Schicht durch vertikales Ätzen des Schichtmaterials transferiert, weshalb der Fotolack dem Ätzprozess widerstehen muss. In Abhängigkeit des zu ätzenden Materials und der Selektivität des benutzten Ätzprozesses können die Dimensionen und Geometrie für kleine feine Strukturen limitiert sein, insbesondere dann, wenn ein Tiefenätzprozess erforderlich ist.
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Im Falle von Inertialsensoren ist die Funktionsschicht dabei relativ dick (ca. 10µm bis ca. 40 µm), wobei diese Dicke für eine Leistungsfähigkeit des Sensors sehr wichtig ist.
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US 2011/0169125 A1 offenbart ein Verfahren zum Ausbilden von Gräben in einem Halbleiterbauelement, bei dem wenigstens eine Maske auf das Halbleiterbauelement aufgebracht wird, wenigstens ein Gitter mit wenigstens einer oder mehreren Gitteröffnungen in der Maske über der auszubildenden Aussparung ausgebildet wird, wobei die Gitteröffnung oder Gitteröffnungen in Abhängigkeit von der Ätzrate und/oder der Dimensionierung der auszubildenden Aussparung ausgebildet sind und eine Aussparung unterhalb des Gitters ausgebildet wird.
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Mikromechanische Inertialsensoren, zum Beispiel zur Detektion von Beschleunigung oder Drehrate, sowie auch mikromechanische Mikrospiegel basieren im Allgemeinen auf Feder-Masse-Systemen. Dabei existieren bewegliche Strukturen, die an Federn aufgehängt sind und sich innerhalb gewisser Bereiche auslenken können. Im Normalbetrieb der genannten Sensoren sind diese Auslenkungen klein genug, dass es nicht zum mechanischen Anschlagen kommt. Bei mechanischer Überlast, die z.B. durch externe Linear- oder Drehbeschleunigungen sowie auch durch zu hohe elektrostatische Kräfte verursacht ist, kann es vorkommen, dass Teile der beweglichen Struktur mechanisch anschlagen.
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Das mechanische Anschlagen kann zwischen zwei beweglichen Strukturen sowie zwischen einer beweglichen und einer Feststruktur stattfinden. Wenn es zu solchen Berührungen kommt, besteht die Gefahr von Schädigungen bzw. Partikelbildung.
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Ein anderer ungünstiger Fall liegt vor, wenn bei Überlast gar keine bewegungseinschränkende Struktur vorhanden ist, wodurch große Auslenkungen entstehen können, die unter Umständen dazu führen, dass z.B. Federn brechen, da die mechanischen Spannungen größer werden als die Bruchspannungsgrenze des verwendeten Materials.
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Um diese beiden ungünstigen Situationen zu vermeiden, werden üblicherweise sogenannte mechanische Anschlagselemente eingesetzt, die ein definiertes Abbremsen der sich auslenkenden Strukturen ermöglichen. Diese Anschläge sollen idealerweise so ausgelegt sein, dass ein guter Kompromiss zwischen ausreichender Beweglichkeit und frühem Unterbinden von zu großen Auslenkungen erreicht wird.
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Mikroelektromechanische (MEMS) Sensoren, insbesondere solche mit einer beweglichen Masse erfordern Anschlagselemente in der beweglichen Masse, um die Bewegung zu begrenzen und um insbesondere zu verhindern, dass die Massenstruktur an der benachbarten Struktur anschlägt oder aufgrund von Kontakt von großen Oberflächen klebt, was bedeutende Adhäsionskräfte auf der Mikrometerskala verursacht. Diese Art von Klebemechanismus ist unter dem englischen Begriff „Stiction“ bekannt und beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit von MEMS-Sensoren. Die Effektivität der Anti-Stiction-Anschläge hängt von der Geometrie der Anschlagsstrukturen ab, wobei die Größe und Geometrie der Anschlagsstrukturen im Falle von Standard-Lithographie begrenzt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Strukturieren einer mikromechanischen Funktionsschicht bereitzustellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Strukturieren einer mikromechanischen Funktionsschicht, aufweisend die Schritte:
- - Anordnen einer Hartmaske auf der Funktionsschicht;
- - Anordnen eines Strukturierungselements auf der Hartmaske;
- - Gitterartiges Strukturieren des Strukturierungselements;
- - Gitterartiges Strukturieren der Hartmaske und Entfernen des Strukturierungselements;
- - Definiertes Ausbilden einer Ausnehmung in der mikromechanischen Funktionsschicht durch definiertes Unterätzen der gitterartig strukturierten Hartmaske; und
- - Entfernen der Hartmaske.
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Die Hartmaske wird dabei aufgrund ihrer gegenüber dem Fotolack höheren Selektivität im Ätzprozess geringer angegriffen. Auf diese Weise kann eine Unterätzung der Hartmaske realisiert werden, wodurch feine Strukturen in der mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet werden können.
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Bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens zeichnen sich dadurch aus, dass als Material für die Hartmaske eine Oxidschicht oder eine Metallschicht verwendet wird. Dadurch werden kostengünstige, bekannte Standardmaterialien verwendet, wodurch eine kostengünstige Strukturierung der mikromechanischen Funktionsschicht unterstützt ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das gitterartige Strukturieren der Hartmaske durch einen isotropen oder anisotropen Ätzprozess durchgeführt wird. Dadurch werden an sich bekannte und bewährte Ätzprozesse der Fotolithographie zum Strukturieren der mikromechanischen Funktionsschicht verwendet.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die gitterartige Struktur der Hartmaske in Abhängigkeit von einem Unterätzgrad der Hartmaske ausgebildet wird. Dadurch kann die gitterartige Struktur der Hartmaske in Abhängigkeit von der Ätzrate angepasst werden, wodurch die gewünschten Strukturen in der mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, zum Ausbilden einer definiert breiten Ausnehmung in der mikromechanischen Funktionsschicht eine gitterartige Struktur der Hartmaske mit definiert kleinen und eng beabstandeten Gitteröffnungen und wobei für ein Ausbilden einer definiert engen Ausnehmung in der mikromechanischen Funktionsschicht eine einzelne definiert weite Öffnung der Hartmaske verwendet wird. Dadurch wird die gitterartige Struktur in der Hartmaske genauso ausgebildet, dass in Kombination mit der Unterätzrate die gewünschten Strukturen in der mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass Öffnungen der gitterartig strukturierten Hartmaske derart ausgebildet sind, dass die sich bei dem Ätzprozess durch die Öffnungen ausbildenden Strukturen durch einen definierten Unterätzgrad der gitterartigen Struktur der Hartmaske zu einer einzigen Ausnehmung verbinden. Dadurch ist eine hohe Designfreiheit beim Strukturieren der mikromechanischen Funktionsschicht unterstützt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens sieht vor, dass Prozessparameter des Unterätzvorgangs der Hartmaske definiert dimensioniert werden. Mittels der Prozessparameter kann dadurch eine definierte Ausbildung der Strukturierung der mikromechanischen Funktionsschicht erfolgen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens sieht vor, dass wobei innerhalb der mikromechanischen Funktionsschicht wenigstens ein Anschlagselement ausgebildet wird. Auf diese Weise wird ein nützlicher Anwendungsfall des vorgeschlagenen Verfahrens zur Ausbildung eines Anschlagselements für mikromechanischer Initialsensoren bereitgestellt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens sieht vor, dass vorzugsweise eine ca. 10 µm bis ca. 50 µm, noch mehr bevorzugt eine ca. 30 µm dicke mikromechanische Funktionsschicht verwendet wird. Mit dieser Dimensionierung der mikromechanischen Funktionsschicht kann vorteilhaft eine Verwendung der mikromechanischen Funktionsschicht als eine bewegliche Masse eines mikromechanischen Inertialsensors bereitgestellt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens sieht vor, dass das Strukturierungselement ein Fotolack ist. Auf diese Weise können bewährte strukturierende Prozesse der Fotolithographie, bei denen der Fotolack mit UV-Licht belichtet und danach chemisch entwickelt wird, verwendet werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Die Figuren sind insbesondere zur Verdeutlichung der erfindungswesentlichen Prinzipien gedacht und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
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Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Strukturieren einer mikromechanischen Funktionsschicht in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend die strukturierte mikromechanische Funktionsschicht ergeben und umgekehrt.
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In den Figuren zeigt:
- 1 eine prinzipielle Draufsicht auf eine bekannte bewegliche Masse eines mikromechanischen Inertialsensors;
- 2 eine prinzipielle Draufsicht auf eine erfindungsgemäß hergestellte bewegliche Masse eines mikromechanischen Inertialsensor;
- 3-16 prinzipielle Darstellungen von Teilschritten im Ablauf eines vorgeschlagenen Verfahrens zum Strukturieren einer mikromechanischen Funktionsschicht; und
- 17 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Strukturieren einer mikromechanischen Funktionsschicht.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Ein Kerngedanke der Erfindung besteht insbesondere darin, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von feinen Strukturen in mikromechanischen Funktionsschichten bereitzustellen.
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Dabei kann eine aufgrund der Selektivität des Strukturierungselements in Form eines Fotolacks im Ätzprozess systembedingte Limitierung der Herstellung von feinen Strukturen durch eine Verwendung einer Hartmaske mit einer Gitterstruktur kompensiert werden.
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Anschlagselemente von mikromechanischen Inertialsensoren werden typischerweise entlang einer Richtung verwendet, die der Hauptauslenkungsrichtung der sich auslenkenden Struktur entspricht.
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Der vorgeschlagene strukturierende Prozess unter Verwendung von Standard-Lithographie erlaubt ein Ausbilden von definierten Anschlagselementen 110 für eine sich auslenkende bewegliche Masse 100 zum Anschlagen an einer festfeststehenden Struktur 200 in einem Kontaktbereich K, wie in 1 dargestellt. Dieser Kontaktbereich K kann nur so klein sein, wie ein Strukturierungselement 30, vorzugsweise in Form eines Fotolacks, einem Ätzprozess zuverlässig standhalten kann. Unter Verwendung eines wie nachfolgend beschriebenen Hartmaskenprozesses ist es möglich, Anschlagselemente 110 mit kleinen Strukturen auszubilden, wodurch der Kontaktbereich K auf einen Kontaktpunkt reduziert werden kann, wie in 2 angedeutet. Ferner ist es mit dem vorgeschlagenen Verfahren möglich, eine Gruppe von Anschlagselementen 110 mit Kontaktpunkten in unterschiedlichen Positionen der beweglichen Masse 100 herzustellen, um die Sensorrobustheit in Bezug auf unerwünschtes Kleben zu vergrößern.
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Die beispielhafte Implementierung eines vorgeschlagenen Hartmaskenprozesses umfasst die Anordnung einer dünnen Hartmaske 20 (z.B. in Form einer Oxidschicht, Metallschicht, usw.) auf der Oberfläche einer mikromechanischen Polysilizium-Funktionsschicht 10, wie in 3 in einer Querschnittsansicht und in 4 in einer Draufsicht dargestellt ist. Vorzugsweise beträgt eine Dicke der mikromechanischen Funktionsschicht 10 ca. 10 µm bis ca. 50 µm, noch mehr bevorzugt ca. 30 µm, um eine ausreichende Masse für die Funktionalität eines beweglichen Massenelements bereitzustellen.
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Danach wird ein Strukturierungselement 30 in Form eines Fotolacks auf der Hartmaske 20 angeordnet und geeignet strukturiert, wie in der Querschnittsansicht von 5 und in der Draufsicht von 6 dargestellt.
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Danach wird die Hartmaske 20 mittels des Strukturierungselements 30 und konventioneller Fotolithographie und Oxidätzprozessen strukturiert, wie in den 5 (Querschnittsansicht) und 6 (Draufsicht) dargestellt.
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Nachdem die Hartmaske 20 mittels des Strukturierungselements 30 strukturiert wurde, wie in der Querschnittsansicht von 7 und in der Draufsicht von 8 dargestellt, wird die mikromechanische Funktionsschicht 10 mittels eines anschließend durchgeführten anisotropen oder isotropen Ätzprozesses strukturiert, in welchem ein kontrolliertes Unterätzen der Hartmaske 20 stattfindet.
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Die im unteren Abschnitt von 8 erkennbaren quadratischen Öffnungen in der Hartmaske 20 sind systembedingt immer vorhanden und betreffen nicht die erfindungsgemäße Strukturierung der Hartmaske 20. Die erfindungsgemäße Strukturierung umfasst z.B. in der 8 erkennbaren halbovalen und rechteckigen Öffnungen der Hartmaske 20.
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Um in der Lage zu sein, innerhalb der mikromechanischen Funktionsschicht 10 Strukturen mit kleinen Dimensionen auszubilden, ist im Hartmaskenlayout eine Gitterstruktur erforderlich. Form, Geometrie, Größe und Periodizität der Gitterstruktur der Hartmaske 20 müssen dabei unter Berücksichtigung des Unterätzgrads während der Strukturierung der mikromechanischen Funktionsschicht 10 ausgelegt werden. Zusätzlich muss das Gitterdesign auch die Herstellung von unterschiedlichen Spaltengrößen berücksichtigen, um ein homogenes Tiefenätzen der mikromechanischen Funktionsschicht 10 zu berücksichtigen.
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Im Falle von weiten Ausnehmungen bzw. Spalten 11, wird eine Gitterstruktur mit kleiner Periodizität implementiert, wohingegen im Falle von engen Ausnehmungen bzw. Spalten 11 eine einzelne Öffnung in der Hartmaske 20 ausreichend sein kann, wie in den Querschnittsansichten der 9 (weite Ausnehmung 11) und 10 (enge Ausnehmung 11) angedeutet.
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Die 9 und 10 zeigen Querschnittsansichten entlang eines Schnitts A-A von 11.
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Nachdem die mikromechanische Funktionsschicht 10 auf diese Art und Weise durch ein definiertes Unterätzen der Hartmaske 20 strukturiert wurde, wird die Hartmaske 20 durch ein Selektivätzen von Oxidschichten vollständig entfernt.
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Dies kann zusammen mit dem Ätzen der Opferschichten erfolgen, welche ebenso wie die Hartmaske aus Siliziumdioxid bestehen.
Die Ansichten der 12, 13 und 14 entsprechen dabei den Darstellungen der 9 bis 11 ohne Hartmaske 20. Nachdem die Hartmaske 20 entfernt wurde, ist wenigstens ein Anschlagselement 110 mit der gewünschten Form sichtbar, wie in der Draufsicht der beweglichen Masse 100 von 14 dargestellt.
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Die Gitterstruktur der Hartmaske 20 an den potentiellen Positionen der Anschlagselemente 110 der beweglichen Masse 100 ist in einer derartigen Weise ausgelegt, dass mittels des vorgeschlagenen Verfahrens spitze Vorsprünge geformt werden. Der Abstand zwischen zwei Ätzöffnungen der Hartmaske 20 wird so eingestellt, dass die genannten spitzen Vorsprünge zusammen mit dem Unterätzen der Hartmaske 20 ausgebildet werden. Dabei können z.B. Parameter im Ätzprozess variiert werden, um die gewünschten Formen der Anschlagselemente 110 auszubilden. Die in den Figuren dargestellten Formen der Anschlagselemente 110 sind deshalb lediglich beispielhaft anzusehen. Eine Vielzahl anderer feiner Formen von Anschlagselementen 110 (z.B. Dreiecke, Stege, Spitzen, Rhomben, usw.) ist mit dem vorgeschlagenen Verfahren ebenfalls herstellbar, die allerdings nicht in Figuren dargestellt sind.
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Die Querschnittsansichten der 15 und 16 sollen eine Wirkung des Unterätzens der Hartmaske 20 andeuten. In 15 ist erkennbar, dass eine einzelne Öffnung in der Hartmaske 20 geeignet dimensioniert und benutzt wird, um eine schmale Ausnehmung 11 innerhalb der mikromechanischen Funktionsschicht 10 auszubilden. Im Ergebnis ist es also durch eine Variation der Geometrie der gitterartigen Struktur der Hartmaske 20 und/oder einer geeigneten Variation von Ätzparametern möglich, die gewünschten Ausnehmungen 11 in der mikromechanischen Funktionsschicht 10 und damit die gewünschten Anschlagselemente 110 auszubilden. Durch die Variation der Ätz- bzw. Prozessparameter ist es insbesondere auch möglich, laterale bzw. horizontale Ätzeffekte zu beeinflussen.
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In 16 ist erkennbar, dass das Gitter in der Hartmaske 20 verwendet wird, um einen Unterätzprozess (mit gerundeten Pfeilen angedeutet) für eine Ausbildung einer breiten Ausnehmung 11 in der mikromechanischen Funktionsschicht 10 zu verwenden.
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17 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform zum Herstellen eines mikromechanischen Systems 100.
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In einem Schritt 200 wird ein Anordnen einer Hartmaske 20 auf der Funktionsschicht 10 durchgeführt.
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In einem Schritt 210 wird ein Anordnen eines Strukturierungselements 30 auf der Hartmaske 20 durchgeführt.
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In einem Schritt 220 wird ein gitterartiges Strukturieren des Strukturierungselements 30 durchgeführt.
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In einem Schritt 230 wird ein gitterartiges Strukturieren der Hartmaske 20 und ein Entfernen des Strukturierungselements 30 durchgeführt.
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In einem Schritt 240 wird ein definiertes Ausbilden einer Ausnehmung 11 in der mikromechanischen Funktionsschicht 10 durch definiertes Unterätzen der gitterartig strukturierten Hartmaske 20 durchgeführt.
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In einem Schritt 250 wird ein Entfernen der Hartmaske 20 durchgeführt.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird erkennen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen des vorgeschlagenen Verfahrens zum Strukturieren einer mikromechanischen Funktionsschicht gemäß dem erläuterten Prinzip möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0169125 A1 [0004]
