DE102018222804B4

DE102018222804B4 - Mikromechanische Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102018222804B4
Application number: DE102018222804.3A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Graf; Holger Rumpf; Jens Frey; Jochen Reinmuth; Kurt-Ulrich Ritzau; Achim Breitling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2038-12-22
Also published as: TWI844601B; US20200198966A1; US11261082B2; CN111348614B; TW202026229A; DE102018222804A1; CN111348614A

Abstract

Mikromechanische Vorrichtung mit einem Siliziumsubstrat (100), mit einer darüber liegenden dielektrischen Schicht (200) und mit einer darüber liegenden mikromechanischen Funktionsschicht (300), welche sich parallel zu einer Haupterstreckungsebene (10) erstrecken, wobei wenigstens in der mikromechanischen Funktionsschicht (300) und der dielektrischen Schicht (200) eine Kaverne (320) ausgebildet ist,wobei in der dielektrischen Schicht (200) und/oder der mikromechanischen Funktionsschicht (300) ein Zugangskanal (250) ausgebildet ist, welcher sich von der Kaverne (320) ausgehend parallel zur Haupterstreckungsebene (10) erstreckt und sich dabei in einer Projektionsrichtung (20) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (10) gesehen bis in einen Zugangsbereich (400) außerhalb der Kaverne (320) erstreckt,dadurch gekennzeichnet, dassin der Funktionsschicht (300) ein weiterer Zugangskanal (350) ausgebildet ist, welcher sich senkrecht zur Haupterstreckungsebene (10) im Zugangsbereich (400) erstreckt und mit dem Zugangskanal (250) verbunden ist,wobei die Kaverne (320) mit einem Kappenwafer (600) bedeckt ist und der Zugangskanal (250) sich in einer Projektionsrichtung (20) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (10) gesehen bis in den Zugangsbereich (400) außerhalb des Kappenwafers (600) erstreckt..

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Siliziumsubstrat, mit einer darüber liegenden Oxidschicht und mit einer darüber liegenden mikromechanischen Funktionsschicht, welche sich parallel zu einer Haupterstreckungsebene erstrecken, wobei wenigstens in der mikromechanischen Funktionsschicht und der Oxidschicht eine Kaverne ausgebildet ist.
Sensoren auf Basis von Silizium-Mikromechanik werden im Automobilbau und Unterhaltungselektronik zur Messung von Beschleunigung, Drehrate, Druck, Magnetfeld und weiteren Größen eingesetzt. Silizium-Wafer-Technologie bringt den Vorteil mit sich, diese Sensoren in Massenfertigung herzustellen. Die großen Trends fortschreitender Entwicklung im Bereich der Unterhaltungselektronik sind die Miniaturisierung der Bauelemente, Integration mehrerer verschiedener Funktionen sowie Kostenreduktion.
Zunehmend werden verschiedene Sensorelemente in einem Bauteil integriert, wie beispielsweise Beschleunigungs- und Drehratensensor. Dies kann sowohl im Package erfolgen, als auch auf Waferebene. Werden auf einem Wafer Beschleunigungs- und Drehraten-Chips platziert, welche für unterschiedliche Dämpfung durch den Kaverneninnendruck ausgelegt sind, können die Innendrücke auf zwei verschiedene Arten eingestellt werden. Die Patentschrift US 8 546 928 B2 beschreibt das Einstellen eines Kaverneninnendrucks mittels Getter. Die Patentschrift DE 10 2014 202 801 A1 beschreibt das Herstellen von zwei Innendrücken in benachbarten Kavitäten auf einem Wafer durch ein zweistufiges Verfahren, Öffnen mittels Laserbohren oder Trenchen, und Wiederverschließen mit einem Laseraufschmelzverfahren. Das Verfahren ist auch dazu geeignet in einer Kaverne einen besonders geringen Innendruck einzuschließen, oder ein besonders temperaturempfindliches Medium einzuschließen. Die Druckschrift US 2005/0260783 A1 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung mit einer Dünnschichtkappe und einem waagerechten Zugangskanal in einer dielektrischen Schicht über einer mikromechanischen Funktionsschicht.
Die Druckschrift DE 10 2016 218 661 A1 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung mit einem Funktionswafer und einem Kappenwafer sowie einem waagerechten Zugang zu einer Kaverne, welcher durch einen Abstand zwischen einer mikromechanischen Funktionsschicht auf dem Funktionswafer und dem Kappenwafer gebildet ist.
Die Druckschrift DE 195 37 814 A1 zeigt einen oberflächen-mikromechanischen Sensor und ein zugehöriges Herstellungsverfahren.
Die Druckschrift US 2014/0037481 A1 zeigt eine mikromechanische Pumpe, hergestellt in einem Substrat.
Die Druckschrift US 2013/0074596 A1 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung mit einem Zugangskanal mit Schmelzverschluss.
Die Druckschrift DE 10 2014 214 525 A1 zeigt ein MEMS Bauteil mit einem Zugangskanal zu einer Polysiliziummembran.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Siliziumsubstrat, mit einer darüber liegenden Oxidschicht und mit einer darüber liegenden mikromechanischen Funktionsschicht, welche sich parallel zu einer Haupterstreckungsebene erstrecken, wobei wenigstens in der mikromechanischen Funktionsschicht und der Oxidschicht eine Kaverne ausgebildet ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass in der Oxidschicht oder auch der mikromechanischen Funktionsschicht ein Zugangskanal ausgebildet ist, welcher sich von der Kaverne ausgehend parallel zur Haupterstreckungsebene erstreckt und sich dabei in einer Projektionsrichtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene gesehen bis in einen Zugangsbereich außerhalb der Kaverne erstreckt.
Erfindungsgemäß ist in der Funktionsschicht ein weiterer Zugangskanal ausgebildet, welcher sich senkrecht zur Haupterstreckungsebene im Zugangsbereich erstreckt und mit dem Zugangskanal verbunden ist. Vorteilhaft kann hierdurch der Zugangskanal und somit die Kaverne erreicht werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der weitere Zugangskanal als DRIE Trench ausgebildet ist. Vorteilhaft lässt sich so ein Kanal mit hohem Aspektverhältnis und somit geringem Flächenverbrauch in der Haupterstreckungsebene schaffen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der weitere Zugangskanal in einem Bondpadbereich an einer äußeren Oberfläche der mikromechanischen Vorrichtung mündet. Vorteilhaft kann hierdurch die Atmosphäre in der Kaverne eingestellt werden. Der weitere Zugangskanal muss bei dieser Anordnung nicht durch die Kappe geführt werden.
Vorteilhaft ist, wenn die Funktionsschicht in einem Teilbereich neben dem Zugangsbereich entfernt wird indem dort eine Ausnehmung eingebracht wird. Vorteilhaft wird im Zugangsbereich ein Teil der Funktionsschicht mit einem Laserpuls aufgeschmolzen und damit der Zugangskanal verschlossen. Nach dem Erstarren kühlt sich das Material lokal ab und zieht sich dabei relativ zur kälteren Umgebung zusammen. Es entsteht ein Zugstress innerhalb des Materials. Dieser Stress kann sich an den Rändern der Funktionsschicht abbauen, daher ist es vorteilhaft, nahe um die Schmelzzone herum die Funktionsschicht in Teilbereiche, soweit es möglich ist, zu entfernen. Weiter ist es vorteilhaft die Kanten der Funktionsschicht möglichst nahe an der Schmelzzone vorzusehen. Besonders vorteilhaft sind schmale und hohe Geometrien der Funktionsschicht, um den Bereich der Schmelzzone, um einen guten Stressabbau zu ermöglichen.
Vorteilhaft ist es wenn eine Kante der Funktionsschicht mit weniger Anstand als den doppelten Durchmesser der Schmelzzone, zur Schmelzzone hin vorgesehen wird.
Besonders vorteilhaft ist es wenn die Schmelzzone auf eine Zunge der Funktionsschicht vorgesehen wird, deren Breite geringer ist als der 5-fache Durchmesser der Schmelzzone.
Vorteilhaft ist es, wenn die Länge der Zunge in einer Richtung senkrecht zur Kante des Zugangsbereichs mindesten der Hälfte der Breite der Zunge in Richtung parallel zur Kante entspricht.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Dicke der Funktionsschicht mindestens ein Fünftel der Breite dieser Struktur in Richtung parallel zur Kante des Zugangsbereichs beträgt.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn der Durchmesser der vertikalen Öffnung im Bereich der mikromechanischen Funktionsschicht geringer ist als die Hälfte der Breite der Funktionsschicht in einer Richtung senkrecht zur Kante des Zugangsbereichs und/oder der Durchmesser der vertikalen Öffnung geringer ist als die doppelte Schichtdicke der Funktionsschicht. Der Zugang darf nicht zu große werden, da sonst nach dem Aufschmelzen zu wenig Material vorhanden ist und die sich nach dem Erstarren ausbildende Höhe zu gering wird.
Weiterhin ist es wünschenswert, dass nur die Funktionsschicht aufschmilzt und kein oder nicht zu viel Material des Substrats, um auch im Substrat möglichst wenig Stress nach dem Erstarren aufzubauen. Daher ist es einerseits vorteilhaft für die Funktionsschicht und den Aufbau unterhalb der Funktionsschicht ein Materialsystem zu verwenden, das eine thermische Leitfähigkeit hat die geringer ist als die des Substrats. Gleichzeitig ist es vorteilhaft mit einem kurzen Laserpuls die Funktionsschicht zum Schmelzen zu bringen, um so das Substrat als Wärmesenke zu nutzen. Derart kann erreicht werden, dass die Funktionsschicht aufschmilzt, das Substrat aber aufgrund der vergleichbar besseren Wärmeleitfähigkeit, der günstigeren Geometrie und aufgrund der zeitlichen Dynamik, gar nicht oder lokal sehr begrenzt aufschmilzt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf die bisher erforderlichen zusätzlichen Prozessschritte verzichten werden. Der Platz in der mikromechanischen Vorrichtung, welcher bisher als Strahlenfang genutzt wird, kann entfallen. Damit wird ein kleineres und kostengünstigeres Bauteil möglich.
Der Öffnungsprozess mit Laserbohrverfahren oder Trenchprozess kann die Oberfläche der mikromechanischen Funktionselemente chemisch und elektrisch verändern. Im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt der Öffnungsprozess örtlich weit getrennt von den mikromechanischen Funktionselementen und auch außerhalb der Kaverne. Damit wird die Oberfläche der mikromechanischen Funktionselemente besser vor chemisch und elektrisch Veränderungen geschützt.
Im Stand der Technik wird die lokale Oberfläche für den Verschluss vor dem Verschluss mit einem Laser unter die ursprüngliche Oberfläche des Kappenwafers zurückgesetzt, um eine Schädigung des Verschlusspunktes während nachfolgender Handlings und Verpackungsschritte zu verhindern. Technisch kann die Zurücksetzung nur in sehr beschränkten Maße erfolgen. Im erfindungsgemäßen Verfahren liegt der Verschluss konstruktiv bedingt deutlich tiefer und ist so während nachfolgender Handlings und Verpackungsschritte besser geschützt.
Im Stand der Technik wird beim Laser-Verschluss im Material ein gewisses Maß an Zugstress eingebaut. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird in allen Materialkomponenten ein deutlich geringerer Stress eingebaut. Der Verschluss wird damit mechanisch robuster und unempfindlicher.
Im Stand der Technik muss der Laserpuls die zu verschließende Öffnung sehr genau treffen, damit nach dem Erstarren eine um den Zugangskanal symmetrischen Stressverteilung entsteht und eine Rissbildung vermieden wird. Nach dem erfindungsgemäßen Konzept wird durch die Strukturierung der Funktionsschicht und die gewählten thermischen Leitfähigkeiten ein Selbstjustageeffekt des Lasers zur Struktur in der Funktionsschicht erzielt, wodurch deutlich bessere und unempfindlichere Herstellbarkeit gegeben ist.
Figurenliste

1 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung im Stand der Technik.
Die 2 a bis f zeigen eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit horizontalem Zugangskanal in einzelnen Stadien der Herstellung.
3 zeigt eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit verschlossenem horizontalen Zugangskanal.
4 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung.

Ausführungsbeispiel
1 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung im Stand der Technik. Die Vorrichtung weist ein Siliziumsubstrat 100, mit einer darüber liegenden Oxidschicht 200 und mit einer darüber liegenden mikromechanischen Funktionsschicht 300 auf, welche sich parallel zu einer Haupterstreckungsebene 10 erstrecken. Die Oxidschicht 200 ist mehrlagig aufgebaut und enthält mindestens eine elektrische Verdrahtungsebene 220, welche die mikromechanische Vorrichtung kontaktiert. In der mikromechanischen Funktionsschicht 300 und der Oxidschicht 200 sind zwei Kavernen 320, 321 ausgebildet. Die Kavernen sind durch eine Kappe 600 abgeschlossen. In die Kaverne 320 ist durch die Kappe 600 hindurch ein senkrechter Zugangskanal 2 eingebracht. Gegenüber dem Zugangskanal 2 ist ein Strahlenfang 4 angeordnet. Daneben sind in der Kaverne 320 mikromechanische Funktionsstrukturen angeordnet. Der Zugangskanal 2 ist mit einem Laserschmelzverschluss 3 verschlossen. Senkrecht zur Haupterstreckungsebene 10 gesehen neben der Kappe 600 ist ein Bondpadbereich 500 angeordnet, welcher in der Funktionsschicht 300 ausgebildet ist. Der Bondpadbereich 500 weist Bondpads 520 auf, welche zur elektrischen Kontaktierung der mikromechanischen Vorrichtung dienen.
Die Patentschrift DE 10 2014 202 801 A1 beschreibt das Herstellen von zwei Innendrücken in benachbarten Kavitäten auf einem Wafer durch ein zweistufiges Verfahren.
Hierbei wird zunächst ein gasdurchlässiger Kanal 2 im Kappenwafer („Venthole“) durch Siliziumätzen mittels Bosch Prozess (DRIE, „Trenchen“) angelegt. Dieser Ätzschritt kann zusammen mit dem Freistellen der Bondpads 520 für eine äußere Kontaktierung des MEMS-Elements erfolgen. Allerdings ist die Prozesszeit des Ätzschritts aufgrund des höheren Aspektverhältnisses des Belüftungskanals im Vergleich zu einem Ätzschritt ohne diesen Kanal erhöht.
In einem Folgeschritt wird der gewünschten Gasdruck eingestellt und anschließend der Kanal von oben mittels eines kurzen Laserpulses mit einem Laserschmelzverschluss hermetisch verschlossen. Überschüssige Laserenergie wird dabei vom Strahlenfang 4 absorbiert.
Beim Schmelzen und Erstarren des Siliziums entsteht eine Spitze. Um eine Schädigung des Verschlusspunktes während nachfolgender Handlings und Verpackungsschritte zu verhindern, wird die lokale Oberfläche für den Verschluss vor dem Verschluss mit einem Laser unter die ursprüngliche Oberfläche des Kappenwafers zurückgesetzt, wie in der Patentschrift DE 10 2015 220 890 A1 beschrieben ist. Da die Intensität des Laserstrahls so gewählt ist, dass Silizium schmilzt und zur Belüftung ein Venthole vorgesehen ist, gelangt auch LaserStrahlung auf die Oberfläche des Sensorwafers. Deshalb sind unterhalb des Belüftungskanals keine elektrisch aktiven Schaltungen oder mechanische Strukturen angeordnet.
Die 2 a bis d zeigen eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit horizontalem Zugangskanal in einzelnen Stadien der Herstellung. 2a zeigt in einem ersten Stadium ein Siliziumsubstrat 100, mit einer darüber liegenden Oxidschicht 200 und mit einer darüber liegenden mikromechanischen Funktionsschicht 300, welche sich parallel zu einer Haupterstreckungsebene 10 erstrecken. Die Oxidschicht 200 ist mehrlagig aufgebaut und enthält mindestens eine elektrische Verdrahtungsebene 220, welche die mikromechanische Vorrichtung kontaktiert. In der mikromechanischen Funktionsschicht 300 und der Oxidschicht 200 sind zwei Kavernen 320, 321 angelegt. In den Kavernen 320, 321 sind mikromechanische Funktionsstrukturen angeordnet. In der Oxidschicht 200 ist ein horizontaler Oxidkanal mit Hohlraum 6 angelegt, welcher von einem Bondpadbereich 500 ausgehend bis zur Kaverne 320 reicht.
2b zeigt in einem zweiten Stadium die mikromechanische Vorrichtung mit einem Zugangskanal 250, welcher in der dielektrischen Schicht, nämlich der Oxidschicht 200 ausgebildet ist. Der Zugangskanal 250 erstreckt sich von der Kaverne 320 ausgehend parallel zur Haupterstreckungsebene 10. Er erstreckt sich dabei, in einer Projektionsrichtung (20) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (10) gesehen, bis zum Bondpadbereich 500. Der Zugangskanal 250 ist aus dem horizontaler Oxidkanal mit Hohlraum gebildet. Durch Gasphasenätzen wurden dazu die Oxide um den horizontalen Ätzzugang entfernt.
2c zeigt in einem zweiten Stadium die mikromechanische Vorrichtung mit Verkappung die Vorrichtung weist eine Kappe 600 auf, welche die Kaverne 320 und die weitere Kaverne 321 abschließt. Die Kappe 600 ist hier durch einen Kappenwafer gebildet, welcher nach dem mittels Waferbonden aufgebracht wurde.
2d zeigt eine Draufsicht auf die verkappte mikromechanische Vorrichtung. Dargestellt ist die Kappe 600 neben dem angrenzenden Bondpadbereich 500. Im Bondpadbereich 500 ist neben Bondpads 520 eine Ätzmaske 510 angeordnet.
Die Ätzmaske 510 definiert den Zugangsbereich 400 und den Querschnitt des weiteren Zugangskanals 350, der nachfolgend von hier aus vorgetrieben wird.
2e zeigt eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zur Vorrichtung im Stand der Technik weist die erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in der Oxidschicht 200 einen horizontalen Zugangskanal 250 auf, das heißt einen Zugangskanal, der sich von der Kaverne 320 ausgehend parallel zur Haupterstreckungsebene 10 erstreckt und sich dabei in einer Projektionsrichtung 20 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 10 gesehen bis in einen Zugangsbereich 400 außerhalb der Kaverne 320 erstreckt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist in der Funktionsschicht 300 ein weiterer Zugangskanal 350 ausgebildet, welcher sich senkrecht zur Haupterstreckungsebene 10 im Zugangsbereich 400 erstreckt und mit dem Zugangskanal 250 verbunden ist. Der weitere Zugangskanal 350 mündet im Zugangsbereich 400, der ein Teil des Bondpadbereichs 500 ist, an einer äußeren Oberfläche der mikromechanischen Vorrichtung. Der weitere Zugangskanal 350 wird beim Freilegen der Bondpads im selben Prozessschritt durch Trenchen geschaffen, und so wird auch der Zugang zum Zugangskanal 250 geschaffen.
2f zeigt eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zur Vorrichtung in 2e weist hier die Funktionsschicht 300 eine Ausnehmung 370 neben dem Zugangsbereich 400 auf. Der Zugangsbereich 400 weist deshalb dort eine Kante 410 auf. Der Zugangsbereich 400 ist also hier eine Struktur in der Funktionsschicht, durch die wie ein Schlauch der weitere Zugangskanal 350 verläuft.
2g zeigt eine Draufsicht auf die verkappte mikromechanische Vorrichtung mit Ausnehmung neben dem Zugangsbereich. Die mikromechanische Funktionsschicht 300 ist in einem Teilbereich um den Zugangsbereich 400 entfernt und weist dort eine Ausnehmung 370 auf. Der Zugangsbereich hat eine Breite 31 in einer ersten Richtung 30 parallel zur Kante 410 und eine Länge 41 in einer zweiten Richtung 40. Der weitere Zugangskanal 350 hat einen Durchmesser 51. Um die Öffnung des weiteren Zugangskanals ist eine Schmelzzone vorgesehen, deren Ausmaße hinreichen, den weiteren Zugangskanal mit Schmelze aus dem Material des Zugangsbereichs 400 zu verschließen.
3 zeigt eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit verschlossenem Zugangskanal. In diesem Ausführungsbeispiel ist der gesamte weitere Zugangskanal 350 sowie ein Teil des Zugangskanals 250 im Zugangsbereich 400 mit einem Schmelzverschluss 450 verfüllt und somit verschlossen.
4 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung. Das Verfahren hat die sequenziellen Schritte:

(A) - Abscheiden einer dielektrischen Schicht auf einem Substrat mit einer Haupterstreckungsebene;
(B) - Abscheiden und Strukturieren einer ersten leitfähigen Schicht;
(C) - Abscheiden und Strukturieren einer dielektrischen Opferschicht, wobei mit dieser Abscheidung ein Hohlraum erzeugt wird, der sich parallel zur Haupterstreckungsebene erstreckt.
(D) - Abscheiden und strukturieren einer Polysilizium-Funktionsschicht, wobei wenigstens eine Ausnehmung für eine Kaverne angelegt wird;
(E) - Ätzung eines Teils der Opferschicht, bevorzugt mit einem Gas-Phasen-Ätzverfahren mit HF, wobei aus dem Hohlraum ein Zugangskanal gebildet wird, der sich von der Kaverne ausgehend parallel zur Haupterstreckungsebene erstreckt und sich dabei in einer Projektionsrichtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene gesehen bis in einen Zugangsbereich außerhalb der Kaverne erstreckt.
(F) - Verschließen der Kaverne durch eine Kappe.

Optional oder später folgt in einem Schritt (G) ein Verschließen des
Zugangskanals im Zugangsbereich, bevorzugt durch ein lokales Aufschmelzen der Funktionsschicht mit einem Laserpuls.
Ein bevorzugter Herstellungsprozess läuft im Einzelnen wie folgt ab:

Zuerst wird eine dielektrische Schicht auf einem Substrat abgeschieden. Bevorzugt wird eine Oxidschicht abgeschieden. Optional kann die Schicht strukturiert werden, um beispielsweise ein Substratkontakt herzustellen. Anschließend wird eine erste, leitfähige Schicht abgeschieden und strukturiert. Bevorzugt wird eine dotierte Polysiliziumschicht verwendet. Optional können weitere dielektrische Schichten und weitere elektrische Verdrahtungsschichten oder Funktionsschichten abgeschieden und strukturiert werden. Eine dielektrische Opferschicht wird abgeschieden und strukturiert. Bevorzugt handelt es sich um eine Oxidschicht, wobei mit dieser Abscheidung Hohlräume erzeugt werden, die sich von der Kaverne 320 ausgehend parallel zur Haupterstreckungsebene 10 erstreckt und sich dabei in einer Projektionsrichtung 20 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 10 gesehen bis in einen Zugangsbereich 400 außerhalb der Kaverne 320 erstreckt. Eine leitfähige Funktionsschicht wird abgeschieden und strukturiert. Bevorzugt wird dazu eine Polysilizium-Funktionsschicht verwendet. Eine Opferschichtätzung erfolgt. Bevorzugt wird dazu ein Gasphasen-Ätzverfahren mit Flusssäure (HF) verwendet. Ein Verschluss der Kaverne erfolgt. Bevorzugt geschieht dies mit einem Bondverfahren und einem Kappenwafer. Ein Zugangsbereich wird freigelegt, indem durch die Verschlussschicht oder den Kappenwafer geätzt wird. Bevorzugt wird dabei gleichzeitig ein Bondpadbereich 500 freigelegt. In einer besonders vorteilhaften Variante wird mit dem Ätzprozess zur Herstellung des Zugangsbereichs auch der vertikale Zugang 350 zum horizontalen Kanal 250 hergestellt. Gleichzeitig kann damit auch eine Strukturierung der Funktionsschicht im Zugangsbereich erfolgen. Dadurch, dass diese Ätzung erst nach der Opferschichtätzung erfolgen kann, bleibt die Opferschicht als Schutzschicht im Zugangsbereich erhalten.

Die Strukturierung erfolgt entweder über eine Zusatzschicht, die auf der Funktionsschicht angeordnet und strukturiert wird. Dies ist beispielsweise eine AI-Schicht die sowieso als Kontaktschicht benötig wird. Oder die Strukturierung erfolgt über eine Zusatzschicht die auf der Unterseite des Kappenwafers aufgebracht und strukturiert wird, beispielsweise über eine Oxidschicht. Optional kann die erste Kaverne über verschiedene und kombinierte Temperaturschritt und/oder Reinigungsschritte und/oder Abscheideschritte, beispielsweise ALD(engl.: atomic layer deposition) vorkonditioniert werden.
In einem letzten Schritt erfolgt, bevorzugt bei definierter Temperatur und definiertem Druck und definierter Atmosphäre, der Verschluss des Zugangskanals in einem Bereich außerhalb der Kaverne, bevorzugt durch ein lokales Aufschmelzen der Funktionsschicht mit einem Laserpuls.
Erfindungsgemäß wird ein seitlicher Zugang zur Kaverne, ausgehend vom Bondpadbereich geschaffen. Hierzu wird ein horizontal verlaufender gasdurchlässiger Kanal angelegt, welcher sich unterhalb der Bondrahmens für die Verbindung von Kappen- und Sensorwafer befindet. Dazu wird während der Prozessierung ein Zugangskanal angelegt. Im einfachsten Fall wird auf das Substrat eine erste Oxidschicht abgeschieden. Drauf wird als elektrische Verdrahtungsschicht eine dotierte Polysiliziumschicht abgeschieden und strukturiert. In dem Bereich, in dem der Zugangskanal entstehen soll, wird ein im Vergleich zur Schichtdicke der Polysiliziumschicht sehr schmaler Graben mit einer möglichst senkrechten oder überhängenden Flanke in die Polysiliziumschicht hinein geätzt. Anschließend wird eine weitere Oxidschicht abgeschieden. Aufgrund des hohen Aspektverhältnisses (Breite zu Höhe) des Grabens kann der schmale Graben nicht vollständig mit Oxid gefüllt werden. Es verbleibt ein Hohlraum innerhalb des schmalen Grabens, der im Weiteren als Zugangskanal genutzt werden kann. Der Schritt, mit dem die MEMS-Funktionsschicht freigestellt wird, dem Gasphasen-Ätzen, kann genutzt werden, um den Zugangskanal zu erweitern und das ihn umgebende Oxid teilweise zu entfernen. Es können auch mehrstufige Verfahren, wie in der Schrift DE10 2011 080 978 A1 zeigt, verwendet werden, um einen Hohlraum zu erzeugen. Der Zugangskanal 250 muss nicht notwendigerweise schon vor dem Verkappen als Hohlraum angelegt sein. Es ist beispielsweise auch denkbar, dass der Zugangskanal in Sensorwafer nur in ein Opfermaterial dargestellt wird und dieses Opfermaterial erst nach dem Verkappen über einen selektiven Ätzprozess entfernt wird. Dieser innerhalb der Ebene des Sensorwafers verlaufende Kanal erstreckt sich horizontal vom äußeren Kontaktbereich bis zum Sensorkern innerhalb der Kavität, die vom Kappenwafer erzeugt wird (siehe : Position 5). Der Zugang im Kontaktbereich wird von oben durch einen Plasmaätzschritt freigelegt. Im Bereich des Kanals im Kontaktbereich ist eine Maskierung notwendig, um sicherzustellen, dass Silizium für den späteren Verschluss verbleibt. Diese Maskierung kann aus einer dünnen Schicht aus Aluminium oder Siliziumoxid bestehen.
Alternativ kann bereits eine Öffnung der Sensorebenen in früheren Prozessschritten vorgesehen werden.
Der Zugangskanal bzw. der weitere Zugangskanal wird anschließend mit dem in DE 10 2014 202 801 A1 beschriebenen Verfahren verschlossen. Dieses Verfahren lässt Silizium mittels Laser aufschmelzen und gewährleistet nach Verfestigen einen dauerhaften hermetisch dichten Verschluss.
Bezugszeichenliste

2: senkrechter Zugangskanal
3: Laserschmelzverschluss
4: Laserstrahlenfang
6: Oxidkanal mit Hohlraum
10: Haupterstreckungsebene
20: Projektionsrichtung
30: erste Richtung parallel zur Kante des Zugangsbereichs
31: Breite der Funktionsschicht in erster Richtung parallel zur Kante des Zugangsbereichs
40: zweite Richtung senkrecht zur Kante des Zugangsbereichs
41: Länge des Zugangsbereichs in zweiter Richtung senkrecht zur Kante
des: Zugangsbereichs
51: Durchmesser des weiteren Zugangskanals
100: Siliziumsubstrat
200: Oxidschicht
220: elektrische Verdrahtungsebene
250: Zugangskanal
300: Funktionsschicht
320: Kaverne
321: weitere Kaverne
350: weiterer Zugangskanal
370: Ausnehmung in der Funktionsschicht
400: Zugangsbereich
410: Kante
450: Schmelzverschluss
500: Bondpadbereich
510: Ätzmaske für weiteren Zugangskanal
520: Bondpad
600: Kappe

Claims

Mikromechanische Vorrichtung mit einem Siliziumsubstrat (100), mit einer darüber liegenden dielektrischen Schicht (200) und mit einer darüber liegenden mikromechanischen Funktionsschicht (300), welche sich parallel zu einer Haupterstreckungsebene (10) erstrecken, wobei wenigstens in der mikromechanischen Funktionsschicht (300) und der dielektrischen Schicht (200) eine Kaverne (320) ausgebildet ist, wobei in der dielektrischen Schicht (200) und/oder der mikromechanischen Funktionsschicht (300) ein Zugangskanal (250) ausgebildet ist, welcher sich von der Kaverne (320) ausgehend parallel zur Haupterstreckungsebene (10) erstreckt und sich dabei in einer Projektionsrichtung (20) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (10) gesehen bis in einen Zugangsbereich (400) außerhalb der Kaverne (320) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Funktionsschicht (300) ein weiterer Zugangskanal (350) ausgebildet ist, welcher sich senkrecht zur Haupterstreckungsebene (10) im Zugangsbereich (400) erstreckt und mit dem Zugangskanal (250) verbunden ist, wobei die Kaverne (320) mit einem Kappenwafer (600) bedeckt ist und der Zugangskanal (250) sich in einer Projektionsrichtung (20) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (10) gesehen bis in den Zugangsbereich (400) außerhalb des Kappenwafers (600) erstreckt..
Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Zugangskanal (350) als DRIE Trench ausgebildet ist.
Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Zugangskanal (350) in einem Bondpadbereich (500) an einer äußeren Oberfläche der mikromechanischen Vorrichtung mündet.
Mikromechanische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Funktionsschicht (300) in einem Teilbereich um den Zugangsbereich (400) außerhalb der Kaverne (320) eine Ausnehmung (370) aufweist.
Mikromechanische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Funktionsschicht (300) im Zugangsbereich (400) strukturiert ist und der Zugangsbereich (400) eine Kante (410) aufweist, wobei - die Kante (410) weniger als den doppelten Durchmesser einer Schmelzzone um eine Öffnung des weiteren Zugangskanals, von dieser Schmelzzone entfernt angeordnet ist, und/oder - der Zugangsbereich (400) eine maximale Länge (41) in einer zweiten Richtung (40) senkrecht zur Kante (410) aufweist, die mindesten die Hälfte einer minimalen Breite (31) des Zugangsbereichs (400) in einer ersten Richtung (30) parallel zur Kante (410) beträgt, und/oder - der Zugangsbereich (400) in Zungenform ausgebildet ist, wobei die schmalste Stelle der Zungen eine Breite hat die weniger als das Fünffache des Durchmessers der Schmelzzone um eine Öffnung des weiteren Zugangskanals beträgt, und/oder - der Zugangsbereich (400) in Zungenform ausgebildet ist, wobei die schmalste Stelle der Zungen eine Breite hat, die weniger als das Fünffache der Dicke der Funktionsschicht entspricht.
Mikromechanische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Zugangskanal (350) einen Durchmesser (51) hat der geringer ist als die doppelte Schichtdicke der Funktionsschicht (300).
Mikromechanische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Zugangskanal (350) einen Durchmesser (51) hat der geringer ist als die Hälfte der Länge (41) des Zugangsbereichs (400) in der zweiten Richtung (40) senkrecht zur Kante (410).
Mikromechanische Vorrichtung einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass - eine thermische Leitfähigkeit der Funktionsschicht (300) in der Projektionsrichtung (20) geringer ist als eine thermische Leitfähigkeit des Substrats (100) in der Projektionsrichtung (20) und/oder, - eine thermische Leitfähigkeit von weiteren Schichten zwischen Substrat (100) und Funktionsschicht (300) innerhalb des Zugangsbereich (400) in der Projektionsrichtung (20) geringer ist als eine thermische Leitfähigkeit des Substrats (100) in der Projektionsrichtung (20).
Mikromechanische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugangskanal (250) und/oder der weitere Zugangskanal (350) im Zugangsbereich (400) mit einem Schmelzverschluss (450) verschlossen ist.
Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugangskanal (250) im Bereich außerhalb der Kaverne (320) und außerhalb des weiterer Zugangskanal (350) in einer Projektionsrichtung (20) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (10) gesehen vollständig von der mikromechanischen Funktionsschicht (300) überdeckt ist.
Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit den Schritten: (A) - Abscheiden einer dielektrischen Schicht auf einem Substrat mit einer Haupterstreckungsebene; (B) - Abscheiden und Strukturieren einer ersten leitfähigen Schicht; (C) - Abscheiden und Strukturieren einer dielektrischen Opferschicht, wobei mit dieser Abscheidung ein Hohlraum erzeugt wird, der sich parallel zur Haupterstreckungsebene erstreckt; (D) - Abscheiden und Strukturieren einer Polysilizium-Funktionsschicht, wobei wenigstens eine Ausnehmung für eine Kaverne angelegt wird; (E) - Ätzung eines Teils der Opferschicht, bevorzugt mit einem Gas-Phasen-Ätzverfahren mit HF, wobei aus dem Hohlraum ein Zugangskanal gebildet wird, der sich von der Kaverne ausgehend parallel zur Haupterstreckungsebene erstreckt und sich dabei in einer Projektionsrichtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene gesehen bis in einen Zugangsbereich außerhalb der Kaverne erstreckt; (F) - Verschließen der Kaverne durch eine Kappe; (G) - Verschließen des Zugangskanals im Zugangsbereich, bevorzugt durch ein lokales Aufschmelzen der Funktionsschicht mit einem Laserpuls; wobei nach dem Schritt (D) in einem weiteren Schritt auf der Funktionsschicht eine weitere Schicht abgeschieden und strukturiert wird, wobei diese Schicht als Maske für einen späteren Ätzschritt in einem DRIE-Ätzverfahren dient und wobei in dem späteren Ätzschritt ein weiterer Zugangskanal geschaffen wird, welcher sich im Zugangsbereich in Projektionsrichtung durch die Funktionsschicht erstreckt und mit dem Zugangskanal verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (B) eine dotierte Polysiliziumschicht abgeschieden und strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (C) eine Oxidschicht abgeschieden und strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (F) die Kaverne mit einem Kappenwafer mittels eines Bondverfahrens verschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugangskanal durch ein lokales Aufschmelzen der Funktionsschicht mit einem Laserpuls mit einer Pulsdauer von weniger als 50 msec verschlossen wird.