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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bilden einer Schichtstruktur.
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Stand der Technik
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In der
DE 10 2007 051 537 B4 ist ein optischer Mehrschichtspiegel beschrieben, welcher beispielsweise als Fabry-Perot-Interferometer verwendbar sein soll. Der optische Mehrschichtspiegel umfasst einen über einem Substrat gebildeten unteren Spiegel und einen oberen Spiegel, wobei der obere Spiegel durch einen Spalt von dem unteren Spiegel getrennt ist. Sowohl der untere Spiegel als auch der obere Spiegel weist jeweils eine Schicht aus einem hochbrechenden Material auf, welche mindestens einen parallel zu einer Teiloberfläche des Substrats ausgerichteten hervorstehenden Teilbereich aufweist, welcher jeweils über je einen dem jeweiligen hervorstehenden Teilbereich umrandenden Übergangsbereich mit mindestens einem parallel zu der Teiloberfläche des Substrats ausgerichteten zurückversetzten Teilbereich verbunden ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Bilden einer Schichtstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft Schichtstrukturen, bzw. damit ausgestattete mikromechanische Bauteile, welche vielseitig, wie beispielsweise als Membran- oder als Spiegelschichtsystem, einsetzbar sind. Zusätzlich kann eine derartige Schichtstruktur eine Gesamtschichtdicke in einem Bereich von 10 Nanometern bis zu mehreren Mikrometern aufweisen und gleichzeitig aufgrund ihrer erfindungsgemäßen Ausbildung eine vorteilhafte Eigenspannung haben. Insbesondere ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Ausbildung von „lokalen Stützstellen“ in einer sonst monomorph gestalteten Schichtstruktur derart, dass die Eigenspannung dieser Schichtstruktur durch die auch als „Stress-Fokus-Punkte“ oder „Stress-Fokus-Strukturen“ bezeichenbaren „lokalen Stützstellen“ gezielt eingestellt werden kann. Die mittels der vorliegenden Erfindung erzeugbaren Schichtstrukturen eignen sich deshalb vorteilhaft für eine Vielzahl von Verwendungszwecken.
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Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine erfindungsgemäße Schichtstruktur eine erste Schicht und eine zweite Schicht aus dem gleichen Material aufweisen kann und dennoch mittels des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs ein resultierender Gesamtstress der erfindungsgemäßen Schichtstruktur wie gewünscht eingestellt werden kann. Während herkömmlicherweise eine Kombination von mindestens zwei unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Eigenspannungen für die erste Schicht und die zweite Schicht verwendet werden muss, um durch eine vorteilhafte Kombination der Materialien den gewünschten resultierenden Gesamtstress einzustellen, ist die Verwendung von mindestens zwei unterschiedlichen Materialien für die erste Schicht und die zweite Schicht der erfindungsgemäßen Schichtstruktur nicht notwendig. Ebenso ist es nicht notwendig, mittels einer thermischen Nachbehandlung den Gesamtstress der Schichtstruktur wie gewünscht einzustellen. Damit entfallen bei einer Verwendung der vorliegenden Erfindung herkömmliche Probleme der Schichtsystemherstellung gemäß dem Stand der Technik.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils weichen die thermische und/oder intrinsische Eigenspannung des Füllmaterials des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs derart von der thermischen und/oder intrinsischen Eigenspannung des zweiten Materials ab, dass das Füllmaterial des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs eine Zugspannung auf die zweite Schicht aus dem zweiten Material bewirkt. Die vorliegende Erfindung eignet sich deshalb besonders vorteilhaft zum Einstellen einer ausreichenden Zugspannung in der zumindest die erste Schicht, die zweite Schicht und den mindestens einen ringförmigen Füllungsbereich umfassenden Schichtstruktur. Außerdem ist bei dem hier beschriebenen Einstellen der wünschenswerten Zugspannung gewährleistet, dass die Zugspannung keine/kaum eine Verformung der Schichtstruktur, welche die effektive Eigenspannung teilweise kompensiert, auslöst.
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Beispielsweise kann die zweite Schicht aus Silizium als dem zweiten Material gebildet sein. Ebenso kann der mindestens eine ringförmige Füllungsbereich aus einem silizium- und sauerstoffumfassenden Material als dem Füllmaterial gebildet sein. Eine derartige Kombination des zweiten Materials zumindest der zweiten Schicht und des Füllmaterials des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs ermöglicht ein problemloses Einstellen einer wünschenswerten Zugspannung.
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Insbesondere kann der mindestens eine ringförmige Füllungsbereich aus Siliziumdioxid oder Tetraethylorthosilicat als dem Füllmaterial gebildet sein. Somit können in der Halbleitertechnologie häufig vorteilhaft ausgeführte Verfahren zum Bilden des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs aus dem Füllmaterial verwendet werden.
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In einer vorteilhaft verwendbaren Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist eine aus der ersten Schicht, der zweiten Schicht und dem mindestens einen ringförmigen Füllungsbereich gebildete Schichtstruktur zumindest Teil eines Bragg-Reflektors und /oder eines Fabry-Perot-Interferometers. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Verwendbarkeit der hier beschriebenen Schichtstruktur nicht auf diesen Verwendungszweck limitiert ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens zum Bilden einer Schichtstruktur wird zum Bilden des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs das Füllmaterial kraft- und formschlüssig auf der ersten Schicht abgeschieden. Dies ermöglicht, dass der mindestens eine ringförmige Füllungsbereich als „lokal einstellbare Stützstelle“ aufgrund seiner unterschiedlichen thermischen und/oder intrinsischen Eigenspannung gegenüber dem Material/den Materialien der ersten Schicht und der zweiten Schicht zur Einstellung eines gewünschten resultierenden Gesamtstresses der Schichtstruktur genutzt werden kann.
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Vorzugsweise wird zum Bilden des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs das Füllmaterial mittels eines Hochtemperatur-Oxidationsprozess oder einer Tetraethylorthosilicat-Abscheidung auf der ersten Schicht abgeschieden. Somit können kostengünstig und verlässlich ausführbare Verfahren zum Abscheiden des Füllmaterials des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs ausgeführt werden.
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Bevorzugter Weise wird zum Bilden des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs das Füllmaterial derart auf der ersten Schicht abgeschieden, dass die von dem Substrat weg gerichtete Oberfläche der ersten Schicht zumindest teilweise von einer Füllmaterialschicht aus dem Füllmaterial abgedeckt wird. Anschließend wird der mindestens eine ringförmige Füllungsbereich mittels eines isotropen, maskenlosen Trockenätzschritts aus der Füllmaterialschicht herausstrukturiert. Insbesondere kann der mindestens eine ringförmige Füllungsbereich mittels eines induktiv gekoppelten Plasmas in dem isotropen, maskenlosen Trockenätzschritt aus der Füllmaterialschicht herausstrukturiert werden. Die hier beschriebene Vorgehensweise zum Bilden des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs aus dem Füllmaterial gewährleistet dessen vorteilhafte Eignung zur Einstellung eines gewünschten resultierenden Gesamtstresses der fertigen Schichtstruktur.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1a bis 1d schematische Querschnitte zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Bilden einer Schichtstruktur; und
- 2 eine schematische Teildarstellung einer Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1a bis 1d zeigen schematische Querschnitte zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Bilden einer Schichtstruktur.
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Bei einem Ausführen des Verfahrens wird eine erste Schicht 10 der (späteren) Schichtstruktur auf und/oder über einer Teiloberfläche 12a eines Substrats 12 gebildet. Das Substrat 12 kann ein Halbleitersubstrat, wie beispielsweise ein Siliziumsubstrat, sein. Anstelle oder als Ergänzung zu Silizium kann das Substrat 12 jedoch auch mindestens ein weiteres Halbleitermaterial, mindestens ein Metall und/oder mindestens ein elektrisch isolierendes Material umfassen.
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Bei der hier beschriebenen Ausführungsform wird die erste Schicht 10 nicht direkt auf der Teiloberfläche 12a des Substrats 12 abgeschieden, sondern es wird zuerst ein sogenannter „Unterbau“ der (späteren) Schichtstruktur auf der Teiloberfläche 12a des Substrats 12 gebildet. Der „Unterbau“ umfasst beispielsweise eine erste Oxidschicht 14a, mindestens eine Leiterbahn 16 und eine zweite Oxidschicht 14b. Die erste Oxidschicht 14a, welche die Teiloberfläche 12a des Substrats 12 zumindest teilweise abdeckt, kann z.B. als thermische Siliziumoxidschicht gebildet werden. Die mindestens eine Leiterbahn 16 kann aus einer auf der ersten Oxidschicht 14a abgeschiedenen Polysiliziumschicht herausstrukturiert werden. Danach kann die zweite Oxidschicht 14b auf der mindestens einen Leiterbahn 16 und mindestens einer freiliegenden Fläche der ersten Oxidschicht 14a abgeschieden werden. In der hier beschriebenen Ausführungsform wird beispielhaft noch mindestens eine durchgehende Öffnung 18 derart durch die zweite Oxidschicht 14b strukturiert, dass mindestens eine Teilfläche der mindestens einen Leiterbahn 16 freigelegt wird. Die mindestens eine durchgehende Öffnung 18 kann jeweils für mindestens einen elektrischen Kontakt zwischen der mindestens einen Leiterbahn 16 und der Schichtstruktur genutzt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Komponenten 14a, 14b und 16 und Strukturen 18 des hier beschriebenen „Unterbaus“ nur beispielhaft zu interpretieren sind.
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Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist die Schichtstruktur Teil Bragg-Reflektors eines Fabry-Perot-Interferometers. Aus diesem Grund wird vor dem Bilden der Schichtstruktur erst eine hochbrechende Schicht 20 des (späteren) Bragg-Reflektors des Fabry-Perot-Interferometers gebildet. Dazu wird die hochbrechende Schicht 20 auf einer Außenoberfläche der zweiten Oxidschicht 14b (und evtl. auf Boden- und Wandflächen der mindestens einen durchgehenden Aussparung 18) abgeschieden. Die hochbrechende Schicht 20 kann beispielsweise eine dotierte Polysiliziumschicht sein. Die hochbrechende Schicht 20 kann insbesondere mittels einer Chemischen Gasphasenabscheidung bei Niederdruck (d.h. mittels eines LPCVD-Prozesses, Low Pressure Chemical Vapour Deposition) hergestellt werden. Wie die Bildung des „Unterbaus“ ist jedoch auch die Ausbildung der hochbrechenden Schicht 20 ein optionaler Verfahrensschritt. Sofern die hochbrechende Schicht 20 gebildet wird, kann die anschließend abgeschiedene Schichtstruktur als weitere hochbrechende Schicht zusammen mit der hochbrechenden Schicht 20 Bragg-Reflektionen bewirken.
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Zum Festlegen einer Spaltbreite mindestens eines später zwischen der hochbrechenden Schicht 20 und der Schichtstruktur vorliegenden Spalts wird eine Opferschicht 22 auf einer von dem Substrat 12 weg gerichteten Außenoberfläche der hochbrechenden Schicht 20 abgeschieden. Die mittels der Opferschicht 22 festgelegte Spaltbreite kann z.B. in einem Bereich zwischen 200 nm (Nanometer) bis 500 nm (Nanometer) liegen. Vorzugsweise ist die Opferschicht 22 eine Oxidschicht, welche sich mittels eines späteren Ätzschritts leicht entfernen lässt. Zum Abscheiden der Opferschicht 22 kann ebenfalls eine Chemische Gasphasenabscheidung bei Niederdruck, wie insbesondere ein Hochtemperatur-Oxidationsprozess (HTO-Prozess, High Temperature Oxidation Process) oder eine Tetraethylorthosilicat-Abscheidung (d.h. eine TEOS-Abscheidung) ausgeführt werden.
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In die abgeschiedene Opferschicht 22 wird mindestens eine durchgehende Aussparung 24, welche die von dem Substrat 12 weg gerichtete Außenseite der hochbrechenden Schicht 20 lokal freilegt, strukturiert. Wie nachfolgend genauer erläutert wird, legt die mindestens eine durch die Opferschicht 22 strukturierte durchgehende Aussparung 24 eine Position einer späteren „lokalen Stützstelle“ der Schichtstruktur fest. Die mindestens eine durch die Opferschicht 22 strukturierte durchgehende Aussparung 24 wird vorzugsweise mit einem senkrechten Profil erzeugt. Sofern die mindestens eine durchgehende Aussparung 18 durch die zweite Oxidschicht 14b strukturiert ist, wird es bevorzugt, wenn die Opferschicht 22 auch in innerhalb der mindestens einen durchgehenden Aussparung 18 und evtl. innerhalb benachbarter Bereiche, so entfernt wird, dass die Außenseite der hochbrechenden Schicht 20 lokal freigelegt wird. Als Strukturierungsprozess zur Strukturierung der Opferschicht 22 kann beispielsweise ein Lithographieverfahren ausgeführt werden. Ein in 1a nicht gezeigter Photolack, welcher während des Lithographieprozesses als Ätzmaske dient, kann anschließend entfernt werden. Optionaler Weise kann nach dem Strukturieren der Opferschicht 22 auch ein Reinigungsschritt ausgeführt werden.
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Die erste Schicht 10 der (späteren) Schichtstruktur kann dann auf dem verbleibenden Rest der Opferschicht 22 und der lokal freigelegten Außenseite der hochbrechenden Schicht 20 abgeschieden werden. Auf diese Weise wird die erste Schicht mit mindestens einem parallel zu der Teiloberfläche 12a des Substrats ausgerichteten hervorstehenden Teilbereich 10a gebildet, wobei der mindestens eine hervorstehende Teilbereich 10a jeweils über je einen den jeweiligen hervorstehenden Teilbereich 10a umrandenden Übergangsbereich 10b der ersten Schicht 10 mit mindestens einem parallel zu der Teiloberfläche 12a des Substrats 12 ausgerichteten zurückversetzten Teilbereich 10c der ersten Schicht 10 verbunden ist. Sofern die mindestens eine durch die Opferschicht 22 strukturierte durchgehende Aussparung 24 ein (im Wesentlichen) senkrechtes Profil aufweist, erstreckt sich der mindestens eine Übergangsbereich 10b der ersten Schicht 10 (nahezu) senkrecht zu der Teiloberfläche 12a des Substrats 12 von seinem hervorstehenden Teilbereich 10a zu dem zugeordneten zurückversetzten Teilbereich 10c.
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Unter der ersten Schicht 10 ist eine hermetisch dichte (luftundurchlässige) Schicht zu verstehen. Eine senkrecht zu der Teiloberfläche 12a des Substrats 12 ausgerichtete erste Schichtdicke d1 der ersten Schicht 10 ist vorteilhafterweise (nahezu) gleich einer Hälfte einer senkrecht zu der Teiloberfläche 12a des Substrats 12 ausgerichteten minimalen Gesamtschichtdicke dtotal der (späteren) Schichtstruktur. Die erste Schichtdicke d1 der ersten Schicht 10 liegt beispielsweise in einem Bereich von 10 nm (Nanometer) bis zu 100 nm (Nanometer). Auf vorteilhafte Materialien zum Bilden der ersten Schicht 10 wird unten noch eingegangen, wenn es um das Zusammenwirken der ersten Schicht 10 mit weiteren Komponenten der (späteren) Schichtstruktur geht.
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Nach dem Bilden der ersten Schicht 10 wird je ein den mindestens einen Übergangsbereich 10b der ersten Schicht 10 umgebender ringförmiger Füllungsbereich 26a gebildet. Der mindestens eine ringförmige Füllungsbereich 26a wird vorzugsweise aus nur einem (einzigen) Füllmaterial gebildet. In dem Beispiel der 1a bis 1d wird zum Bilden des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a dessen Füllmaterial derart auf der ersten Schicht 10 abgeschieden, dass eine von dem Substrat 12 weg gerichtete Oberfläche der ersten Schicht 10 zumindest teilweise/vorzugsweise vollständig von einer Füllmaterialschicht 26 aus dem Füllmaterial des mindestens einen (späteren) ringförmigen Füllungsbereichs 26a abgedeckt wird. Häufig kann es vorteilhaft sein, als Füllmaterial des mindestens einen (späteren) ringförmigen Füllungsbereichs 26a das gleiche Material wie für die Opferschicht 22 zu verwenden. Prinzipiell besteht aber Prozessfreiheit und es können auch unterschiedliche Materialien für den mindestens einen ringförmigen Füllungsbereich 26a und die Opferschicht 22 verwendet werden. Vorteilhafte Beispiele für das Füllmaterial des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a sind unten noch beschrieben.
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Vorzugsweise erfolgt das Abscheiden der Füllmaterialschicht 26 kraft- und formschlüssig auf der ersten Schicht 10. Zum Abscheiden der Füllmaterialschicht 26 kann beispielsweise eine Chemische Gasphasenabscheidung bei Niederdruck ausgeführt werden. Insbesondere kann die Füllmaterialschicht 26 mittels eines Hochtemperatur-Oxidationsprozesses oder einer Tetraethylorthosilicat-Abscheidung auf der ersten Schicht 10 abgeschieden werden. 1a zeigt das Schichtsystem nach dem Abscheiden der Füllmaterialschicht 26.
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1b zeigt das Schichtsystem nach einem Herausstrukturieren des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a aus der Füllmaterialschicht 26. Bei dem Herausstrukturieren des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a wird vorzugsweise lediglich das an dem mindestens einen Übergangsbereich 10b der ersten Schicht 10 anliegende Füllmaterial der Füllmaterialschicht 26 nicht entfernt. Auf diese Weise erhält man annähernd eine „Ringstruktur“ oder eine „Torusform“ des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a.
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Das Herausstrukturieren des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a erfolgt vorzugsweise mittels eines isotropen, maskenlosen Trockenätzschritts. Der isotrope maskenlose Trockenätzschritt kann beispielsweise in einer ICP-Ätzanlage ausgeführt werden, sodass der mindestens eine ringförmige Füllungsbereich 26a mittels eines induktiv gekoppelten Plasmas herausstrukturiert wird. Unter der ICP-Ätzanlage kann eine zum reaktiven lonenätzen (Reactive-Ion Etching) mittels eines induktiv gekoppelten Plasmas (Inductively Coupled Plasma) ausgelegte Anlage verstanden werden. Beim Ausführen einer derartigen Ätzung können die Ätzparameter, wie beispielsweise das verwendete Ätzgas und eine PlasmaLeistung, derart festgelegt werden, dass eine gute Selektivität zwischen der hauptsächlich geätzten Füllmaterialschicht 26 und der nicht/kaum geätzten ersten Schicht 10 vorliegt. Das verwendete Ätzgas kann wie ein „IonenBombardement“ auf die Füllmaterialschicht 26 einwirken, wobei die gute Selektivität gleichzeitig gewährleistet, dass das Risiko eines Überätzens der ersten Schicht 10 vernachlässigbar ist. Der Fortschritt der in der ICP-Ätzanlage ausgeführten Ätzung kann z.B. mittels optischer Endpunkterkennung detektiert werden, sodass die Ätzung zum geeigneten Zeitpunkt beendet werden kann.
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Alternativ kann das Herausstrukturieren des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a auch mittels einer Ätzung unter Verwendung von Argon-Ionen erfolgen. Da Argon-Ionen eine relativ geringe Selektivität bezüglich der hauptsächlich zu ätzenden Füllmaterialschicht 26 gegenüber der nicht/kaum zu ätzenden ersten Schicht 10 aufweisen, kann auch eine maskenlose Strukturierung der Füllmaterialschicht 26 mittel der Ätzung unter Verwendung von Argon-Ionen unter Inkaufnahme eines geringen Abtrags der ersten Schicht 10 erfolgen. In diesem Fall kann die erste Schicht 10 zuvor entsprechend dicker als ihre gewünschte erste Schichtdicke d1 abgeschieden werden, so dass die gewünschte erste Schichtdicke d1 der ersten Schicht 10 erst nach der maskenlosen Strukturierung der Füllmaterialschicht 26 vorliegt.
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Wie in 1c dargestellt ist, wird anschließend die von dem Substrat 12 weg gerichtete Oberfläche der ersten Schicht 10 zumindest teilweise wieder mit einer zweiten Schicht 28 der Schichtstruktur abgedeckt. Unter der zweiten Schicht 28 ist vorzugsweise eine aus nur einem (einzigen) Material gebildete Schicht zu verstehen. Gezeigt ist in 1c eine Schichtstruktur aus der ersten Schicht 10, der zweiten Schicht 28 und dem mindestens einen ringförmigen Füllungsbereich 26a, welche insbesondere an der jeweiligen Position der mindestens einen durchgehenden Aussparung 24 an der hochbrechenden Schicht 22 verankert ist. Die jeweilige Position der mindestens einen durchgehenden Aussparung 24 legt somit eine spätere lokale Stützstelle 30 der Schichtstruktur an der hochbrechenden Schicht 22 fest.
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Die zweite Schicht 28 kann beispielsweise mittels einer Chemischen Gasphasenabscheidung bei Niederdruck abgeschieden werden. Zum Abscheiden der zweiten Schicht 28 kann der gleiche Abscheideprozess wie zum Bilden der ersten Schicht 10 ausgeführt werden. Eine senkrecht zu der Teiloberfläche 12a des Substrats 12 ausgerichtete zweite Schichtdicke d2 der zweiten Schicht 28 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10 nm (Nanometer) bis zu 100 nm (Nanometer). Die zweite Schichtdicke d2 der zweiten Schicht 28 kann insbesondere (nahezu) gleich der Hälfte der senkrecht zu der Teiloberfläche 12a des Substrats 12 ausgerichteten minimalen Gesamtschichtdicke dtotal der Schichtstruktur sein. Die minimale Gesamtschichtdicke dtotal der Schichtstruktur ist somit vorzugsweise eine Summe der ersten Schichtdicke d1 der ersten Schicht 10 und der zweiten Schichtdicke d2 der zweiten Schicht 28.
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Unter der zweiten Schicht 28 ist eine hermetisch dichte (luftundurchlässige) Schicht zu verstehen. Da der mindestens eine ringförmige Füllungsbereich 26a vor dem zumindest teilweisen Abdecken der von dem Substrat 12 weg gerichteten Oberfläche der ersten Schicht 10 mit der zweiten Schicht 28 gebildet wird, wird der mindestens eine ringförmige Füllungsbereich 26a nach dem zumindest teilweisen Abdecken der ersten Schicht 10 mit der zweiten Schicht 28 von der ersten Schicht 10 und der zweiten Schicht 28 hermetisch umschlossen. Da der mindestens eine ringförmige Füllungsbereich 26a kraft- und formschlüssig auf der ersten Schicht 10 ausgebildet ist und von der ersten Schicht 10 und der zweiten Schicht 28 hermetisch umschlossen ist, werden in dem mindestens einen ringförmigen Füllungsbereich 26a auftretende mechanische Spannungen hauptsächlich in die zweite Schicht 28 eingeleitet. Der mindestens eine ringförmige Füllungsbereich 26a kann somit dazu genutzt werden, eine Druckspannung oder eine Zugspannung in die zweite Schicht 28 einzuleiten.
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Zum Einleiten einer Druckspannung oder einer Zugspannung in die zweite Schicht 28 mittels des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereich 26a ist somit (im Wesentlichen) nur notwendig, dass das Material der zweiten Schicht 28 von dem Füllmaterial des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a abweicht. Das Bewirken der gewünschten Druck- oder Zugspannung erfordert insbesondere nur, dass der mindestens eine ringförmige Füllungsbereich 26a aus einem Füllmaterial gebildet wird, dessen thermische und/oder intrinsische Eigenspannung von einer thermischen und/oder intrinsischen Eigenspannung des Materials der zweiten Schicht 28 entsprechend abweicht.
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Häufig wird eine Halbleitermaterialschicht als zweite Schicht 28 bevorzugt, da sich eine derartige Halbleitermaterialschicht für eine Vielzahl von Verwendungszwecken eignet. Die zweite Schicht 28 kann z.B. eine Siliziumschicht, wie insbesondere eine Polysiliziumschicht, sein. Für die zweite Schicht 28 kann somit ein kostengünstiges, leicht abscheidbares, einfach strukturierbares und vielseitig geeignetes Material genutzt werden. Zum Bewirken der gewünschten Druck- oder Zugspannung auf die zweite Schicht 28 ist es (im Wesentlichen) ausreichend, wenn die thermische und/oder intrinsische Eigenspannung des Füllmaterials des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereich 26a derart von der thermischen und/oder intrinsischen Eigenspannung von Silizium/Polysilizium abweicht, dass der mindestens eine ringförmige Füllungsbereich 26a die gewünschte Druck- oder Zugspannung in die zweite Schicht 28 einleitet. Insbesondere bei einer zweiten Schicht 28 aus Silizium/Polysilizium kann zum Beispiel eine vorteilhafte Zugspannung mittels des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a in die zweite Schicht 28 eingeleitet werden, sofern der mindestens eine ringförmige Füllungsbereich 26a aus (thermischen) Siliziumdioxid, LPCVD-Oxid (Low Pressure Chemical Vapour Deposition), bzw. einem bei Niederdruck mittels einer Chemischen Gasphasenabscheidung gebildeten Oxid, oder Tetraethylorthosilicat als dem Füllmaterial geformt ist. Die hier beschriebene Materialkombination von Silizium/Polysilizium für die zweite Schicht 28 und (thermischen) Siliziumdioxid oder Tetraethylorthosilicat als dem Füllmaterial für den mindestens einen ringförmigen Füllungsbereich 26a zum Einleiten einer vorteilhaften Zugspannung in die zweite Schicht 28 ist jedoch nur beispielhaft zu interpretieren. Wesentlich zum Bewirken des gewünschten Effekts durch die Materialkombination der zweiten Schicht 28 und des Füllmaterials ist hauptsächlich in Abweichen der thermischen und/oder intrinsischen Eigenspannung des Füllmaterials von den entsprechenden Materialeigenschaften der zweiten Schicht 28.
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Die erste Schicht 10 kann wahlweise aus dem gleichen Material wie die zweite Schicht 28 oder aus einem in der zweiten Schicht 28 nicht enthaltenen Material gebildet werden. Es wird hier ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die gewünschte Druck- oder Zugspannung in der zweiten Schicht 28 auch dann (lediglich) mittels des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a bewirkbar ist, wenn die erste Schicht 10 das gleiche Material wie die zweite Schicht 28 aufweist. Die Ausbildung des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a zwischen den Schichten 10 und 28 steigert somit eine Wahlfreiheit bei der Matrialwahl für die erste Schicht 10. Vorzugsweise ist die erste Schicht 10 eine Halbleitermaterialschicht. Die erste Schicht 10 kann beispielsweise eine Siliziumschicht, wie insbesondere eine Polysiliziumschicht, sein, so dass die Vorteile von Silizium/Polysilizium auch für die erste Schicht 10 genutzt werden können. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das Material der ersten Schicht 10 relativ frei gewählt werden kann. Die erste Schicht 10 und die zweite Schicht 28 können somit problemlos „Einzellagen“ einer „Doppelschicht“ aus dem gleichen Material sein, wobei trotzdem mittels des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a eine gewünschte Druck- und/oder Zugspannung zumindest in der zweiten Schicht 28 bewirkbar ist. Die hier beschriebene Technologie eignet sich somit auch für eine Schichtstruktur mit einer relativ geringen minimalen Gesamtschichtdicke dtotal vorteilhaft, wenn die erste Schicht 10 und die zweite Schicht 28 häufig nur aus dem gleichen Material gebildet werden können und trotzdem eine Druck- oder Zugspannung zumindest in der zweiten Schicht 28 gewünscht ist.
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Anschließend wird die Opferschicht 22 selektiv entfernt. Das Entfernen einer als Opferschicht 22 eingesetzten Oxidschicht kann beispielsweise mittels eines isotropen HF-Dampfprozess (d.h. eines Dampfprozesses unter Verwendung von Fluorwasserstoff) erfolgen. Sofern gewünscht, können auch Bereiche der ersten Oxidschicht 14a und der zweiten Oxidschicht 14b zusammen mit der Opferschicht 22 mitentfernt werden, wodurch ein freitragender Bereich 32 eines Gesamtschichtsystems aus der hochbrechenden Schicht 20 und der Schichtstruktur (aus der ersten Schicht 10, der zweiten Schicht 28 und dem mindestens einen ringförmigen Füllungsbereich 26a) freigestellt werden kann. Evtl. kann auch das von dem freitragenden Bereich 32 überspannte Substratmaterial des Substrats 12 zumindest teilweise entfernt werden. Das Gesamtschichtsystem bleibt jedoch auch in diesem Fall an der Position der mindestens einen durchgehenden Öffnung 18, an welcher mindestens ein elektrischer Kontakt zwischen der mindestens einen Leiterbahn 16 und dem Gesamtschichtsystem vorliegt, an dem Substrat 12 mechanisch fest verankert.
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Aufgrund der kraft- und formschlüssigen Abscheidung des Füllmaterials des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a auf der ersten Schicht 10 hat das Entfernen der Opferschicht 22 (im Wesentlichen) keinen Einfluss auf eine Form der ersten Schicht 10. Eine unerwünschte Verformung der ersten Schicht 10 muss damit nach dem Entfernen der Opferschicht 22 nicht/kaum befürchtet werden.
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Da die zwei Schichten 10 und 28 den mindestens einen ringförmigen Füllungsbereich 26a hermetisch umschließen, kann das Füllmaterial des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a insbesondere an der mindestens einen lokalen Stützstelle 30 mechanische Spannungen auf die kontaktierten Bereiche der zweiten Schicht 28 ausüben. An der mindestens einen lokalen Stützstelle 30 kann das Füllmaterial des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a somit intrinsische und/oder thermische Eigenspannungen insbesondere in die zweite Schicht 28 der Schichtstruktur einkoppeln. Durch eine geeignete Wahl der intrinsischen und/oder thermischen Eigenspannungen des Füllmaterials des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a im Vergleich zu dem Material zumindest der zweiten Schicht 28 kann insbesondere eine Zugspannung zumindest in die zweite Schicht 28 eingekoppelt werden, wie mittels der Pfeile 34 in 1d bildhaft dargestellt ist. Die mindestens eine lokale Stützstelle 30 kann somit jeweils als Stress-Fokus-Punkt oder als Stress- Fokus-Struktur in die Schichtstruktur eingebaut werden. Dieser Effekt wird verstärkt, sofern die mindestens eine lokale Stützstelle 30 innerhalb des freitragenden Bereichs 32 des Gesamtschichtsystems ausgebildet wird.
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2 zeigt eine schematische Teildarstellung einer Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Das in 2 teilweise dargestellte mikromechanische Bauteil entspricht der in 1d schematisch wiedergegebenen Ausführungsform. Das mikromechanische Bauteil weist ein (nicht skizziertes) Substrat 12 auf, wobei eine Ausrichtung von dessen Teiloberfläche 12a in den 2 mittels der gestrichelten Linie 12a angedeutet ist. An der Teiloberfläche 12a des Substrats 12 ist eine erste Schicht 10 aus zumindest einem ersten Material angeordnet. Die erste Schicht 10 kann beispielsweise, wie in 1d gezeigt, an der Teiloberfläche 12a des Substrats 12 abgestützt oder verankert sein. Die erste Schicht 10 weist mindestens einen parallel zu der Teiloberfläche 12a des Substrats 12 ausgerichteten hervorstehenden Teilbereich 10a auf, welcher jeweils über je einen den jeweiligen hervorstehenden Teilbereich 10a umrandenden Übergangsbereich 10b der ersten Schicht 10 mit mindestens einem parallel zu der Teiloberfläche 12a des Substrats 12 ausgerichteten zurückversetzten Teilbereich 10c der ersten Schicht 10 verbunden ist. Eine zweite Schicht 28 aus einem zweiten Material gleich oder ungleich dem ersten Material deckt eine von dem Substrat 12 weg gerichtete Oberfläche der ersten Schicht 10 zumindest teilweise ab. Unter der zweiten Schicht 28 ist vorzugsweise eine nur aus dem zweiten Material gebildete Schicht zu verstehen.
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Außerdem weist das mikromechanische Bauteil je einen den mindestens einen Übergangsbereich 10b der ersten Schicht 10 umgebenden ringförmigen Füllungsbereich 26a aus einem Füllmaterial auf, welcher von der ersten Schicht 10 und der zweiten Schicht 28 hermetisch umschlossen ist. Vorzugsweise ist der mindestens eine ringförmige Füllungsbereich 26a vollständig aus nur dem Füllmaterial geformt. Eine thermische und/oder intrinsische Eigenspannung des Füllmaterials des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a weicht von einer thermischen und/oder intrinsischen Eigenspannung des zweiten Materials ab, so dass auch bei dem mikromechanischen Bauteil der 2 eine Druck- oder Zugspannung mittels des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a insbesondere in die zweite Schicht 28 eingeleitet ist. Somit kann auch bei dem mikromechanischen Bauteil der 2 die mindestens eine lokale Stützstelle 30 als Stress-Fokus-Punkt 36 oder als Stress-Fokus-Struktur bezeichnet werden.
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Wie in 2 mittels der Pfeile 34 schematisch wiedergegeben ist, weicht bei der hier beschriebenen Ausführungsform die thermische und/oder intrinsische Eigenspannung des Füllmaterials des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a derart von der thermischen und/oder intrinsischen Eigenspannung des zweiten Materials der zweiten Schicht 28 ab, dass das Füllmaterial des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a eine Zugspannung auf die zweite Schicht 28 bewirkt. In 2 ist beispielhaft auch ein Stress-Fokus-Punkt 36 angedeutet, welcher durch die Eigenspannung der benachbarten ringförmigen Füllungsbereiche 26a bewirkt wird und durch welchen insbesondere die zweite Schicht 28 „analog zu einem Trommelfell“ gespannt ist. Mittels der Eigenspannung der benachbarten ringförmigen Füllungsbereiche 26a kann die in die zweite Schicht 28 einzukoppelnde Schichtspannung in einem gewissen Umfang frei eingestellt werden. Gleichzeitig ist aufgrund der form- und kraftschlüssigen Anbindung des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a an die erste Schicht eine Verformung der ersten Schicht 10 (und entsprechend auch der hochbrechenden Schicht 20) unterbunden.
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Beispielshaft sind die zweite Schicht 28 aus Silizium als dem zweiten Material und der mindestens eine ringförmige Füllungsbereich 26a aus einem silizium- und sauerstoffumfassenden Material als dem Füllmaterial. Insbesondere kann der mindestens eine ringförmige Füllungsbereich 26a aus Siliziumdioxid oder Tetraethylorthosilicat als dem Füllmaterial gebildet sein. Wie oben schon erwähnt, kann die erste Schicht 10 problemlos aus dem gleichen Material wie die zweite Schicht 28 gebildet sein. Eine aus der ersten Schicht 10, der zweiten Schicht 28 und dem mindestens einen ringförmigen Füllungsbereich 26a gebildete Schichtstruktur kann somit eine „monomorphe“ Schichtstruktur sein, wobei trotzdem die Eigenspannung dieser Schichtstruktur mittels des mindestens einen ringförmigen Füllungsbereichs 26a gezielt einstellbar ist. Als die mindestens eine lokale Stützstelle 30 kann auch ein Netz von lokalen Stützstellen 30 die Schichtstruktur und die hochbrechende Schicht 20 mechanisch und elektrisch miteinander verbinden. Je nach Ausführungsform können z.B. zwischen 10 bis 1000 lokale Stützstellen 30 ausgebildet sein.
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Die hochbrechende Schicht 20 und die aus der ersten Schicht 10, der zweiten Schicht 28 und dem mindestens einen ringförmigen Füllungsbereich 26a gebildete Schichtstruktur wirken als Bragg-Reflektor eines Fabry-Perot-Interferometers zusammen. Die hochbrechende Schicht 20 und die damit zusammenwirkende Schichtstruktur sind, wie in 1d gezeigt, an der Teiloberfläche 12a des Substrats 12 aufgehängt. Teile der hochbrechenden Schicht 20 und der Schichtstruktur bilden somit einen freitragender Bereich 32 eines Gesamtschichtsystems aus der hochbrechenden Schicht 20 und der Schichtstruktur. Die Ausdehnungen des freitragenden Bereichs 32 parallel zu der Teiloberfläche 12a des Substrats 12 kann problemlos bis zu einigen Millimetern betragen. Beabstandet von dem Gesamtschichtsystems aus der hochbrechenden Schicht 20 und der Schichtstruktur kann noch ein weiterer Bragg-Reflektor des Fabry-Perot-Interferometers angeordnet sein.
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Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 2 wird auf die zuvor beschriebenen 1a bis 1d verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007051537 B4 [0002]
