DE102019214261B3 - Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches System und mikromechanisches System - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches System und ein mikromechanisches System. Das Verfahren umfasst die Schritte: Aufbringen einer ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) auf einem Substrat (S); Ausbilden einer Mehrzahl von zweidimensional angeordneten, voneinander beabstandeten, länglichen Ätzgräben (K2, K3) in einem ersten anisotropen Ätzschritt in einem ersten Bereich (B1) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1), wobei die Ätzgräben (K2, K3) an einem oder beiden Längsenden über einen jeweiligen die erste mikromechanische Funktionsschicht (F1) gebildeten Unterbrechungsbereich (U1, U2) von einem benachbarten Ätzgraben (K2, K3) beabstandet sind, bis zu einer ersten Ätztiefe, die geringer als eine Dicke der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) ist; und Weiterbilden der Ätzgräben (K2, K3) in einem anschließenden isotropen Ätzschritt bis zu einer zweiten Ätztiefe, die größer als die erste Ätztiefe und geringer als die Dicke der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) ist, wobei die Ätzgräben (K2, K3) im Innern der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) aufgeweitet werden und die Unterbrechungsbereiche (U1, U2) derart unterätzt werden, dass die benachbarten Ätzgräben (K2, K3) im Innern der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) unterhalb der Unterbrechungsbereiche (U1, U2) miteinander verbunden werden, und wobei die Unterbrechungsbereiche (U1, U2) an der Oberseite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) erhalten bleiben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches System und ein mikromechanisches System.
  • Stand der Technik
  • Obwohl auf beliebige mikromechanische Systeme anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Hintergrund im Hinblick auf mikromechanische Drucksensoren in Siliziumtechnologie erläutert.
  • Die DE 10 2011 080 978 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur, durch das eine MEMS-Funktionsschicht topografiefrei strukturiert werden kann. Dieses Verfahren wird typischerweise dazu benutzt, mehrere MEMS-Funktionsschichten übereinander anzuordnen. Dabei entstehen in den Bereichen, in denen die MEMS-Funktionsschicht entfernt wird, im Prozessverlauf Hohlräume. Diese Hohlräume können bewusst dazu genutzt werden, um beispielsweise als Ätzkanäle eine Opferschichtätzung, die häufig bei einem MEMS-Prozess benutzt wird, lokal zu beschleunigen und die Unterätzung dadurch gesteuert lokal zu verändern.
  • Ein Verfahren, bei dem diese Ätzkanäle beispielsweise eingesetzt werden können und für die Funktion des Bauteils auch notwendig sind, ist ein kapazitiver Drucksensor.
  • 8a), b) zeigen ein Beispiel eines mikromechanischen Systems in Form eines kapazitiven mikromechanischen Drucksensors zur Erläuterung der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Problematik.
  • In 8a) bezeichnet Bezugszeichen S ein Substrat, beispielsweise ein Siliziumsubstrat, auf dem eine erste Isolationsschicht I1 und eine darüber liegende zweite Isolationsschicht I2 aufgebracht sind. Beispielsweise ist die erste Isolationsschicht I1 aus Siliziumoxid und die zweite Isolationsschicht I2 aus Siliziumnitrid.
  • Eine dünne Leiterbahnschicht L, welche beispielsweise aus Polysilizium hergestellt ist, ist auf der zweiten Isolationsschicht I2 aufgebracht und derart strukturiert, dass sie eine erste Elektrode E1 ausbildet.
  • Oberhalb der Leiterbahnschicht L sind eine erste mikromechanische Funktionsschicht F1 aus Polysilizium und eine zweite mikromechanische Funktionsschicht F2 aus Polysilizium aufgebracht und strukturiert. Insbesondere ist aus der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht F2 ein Membranbereich M herausstrukturiert, welcher eine Kaverne K überspannt.
  • An der Unterseite der Membran befindet sich ein Funktionselement 1, welches aus der ersten mikromechanischen Funktionsschicht F1 herausstrukturiert ist. Dieses Funktionselement 1 dient einerseits als Versteifungselement für die Membran M und andererseits als zweite Elektrode E2 bzw. Gegenelektrode für die Elektrode E1 und wird in seiner Funktion beim Herstellungsprozess weiterhin genutzt, um eine Opferschichtätzung in Bereichen, in denen eine Opferschicht zu entfernen ist, zu beschleunigen. Insbesondere befindet sich diese (nicht dargestellte) Opferschicht im Bereich zwischen der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2.
  • Zur Beschleunigung des Opferschichtätzprozesses sind an der Unterseite des Funktionselements 1 Ätzkanäle vorgesehen, welche parallel zur Zeichenebene in eine Richtung parallel zueinander verlaufen.
  • 8a) zeigt in diesem Zusammenhang die Schnittebene der Versteifungsbereiche, und 8b) zeigt die Schnittebene der Ätzkanäle. Die Versteifungsbereiche können somit nur eine Versteifung in einer Richtung bewirken, nicht jedoch in der dazu senkrecht liegenden Richtung. Weiterhin ist es nicht möglich, die Ätzkanäle, welche durch das Funktionselement 1 verlaufen, miteinander zu verbinden, da sonst die Versteifungseigenschaft beeinträchtigt werden würde.
  • Aus der DE 100 03 066 A1 ist ein Halbleitersensor mit einer Balkenstruktur bekannt. Die Balkenstruktur wird dabei durch die Verwendung von Ätzgräben mittels eines anisotropen Ätzschritts ausgehend von einer Oberfläche eines Substrats mit nachfolgender Unterätzung durch einen isotropen Ätzschritt in der Substrattiefe herausstrukturiert.
  • Weitere Verfahren, bei dem mittels einer Vielzahl von Trench-Ätzgräben mit nachfolgender Unterätzung Strukturen aus einem Substrat herausstrukturiert werden, sind aus den Schriften US 2014/0 307 528 A1 und US 6 051 866 A bekannt.
  • Aus der Schrift DE 10 2013 222 667 A1 ist ein mikromechanisches Bauteil sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren bekannt, bei dem in einem Substrat unterätzte Strukturen erzeugt werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein mikromechanisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
  • Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt darin, durch ein zumindest zweistufiges Ätzverfahren eine Ätzgrabenstruktur zu schaffen, bei der sämtliche Ätzgräben fluidisch miteinander verbunden sind, wobei eine zweidimensionale mechanische Versteifung durch brückenförmige Unterbrechungsbereiche der Ätzgräben, die aus der mikromechanischen Funktionsschicht hergestellt sind, realisiert werden. Insbesondere lässt sich eine derartige Ätzgrabenstruktur durch die Kombination eines ersten anisotropen Ätzschrittes mit einem darauffolgenden isotropen Ätzschritt erreichen, wobei der isotrope Ätzschritt eine Unterätzung der Unterbrechungsbereiche bewirkt, sodass in den Unterätzungsbereichen die Ätzgräben im Innern der mikromechanischen Funktionsschicht miteinander verbunden werden, wobei die mechanisch stabilisierenden Unterbrechungsbereiche an der Oberseite der mikromechanischen Funktionsschicht erhalten bleiben.
  • Vor dem Aufbringen der ersten mikromechanischen Funktionsschicht wird erfindungsgemäß eine erste Opferschicht auf dem Substrat aufgebracht, wobei anschließend an den isotropen Ätzschritt in einem zweiten isotropen Ätzschritt die Ätzgräben bis zu einer dritten Ätztiefe geätzt werden, die sich über die gesamte Tiefe der ersten mikromechanischen Funktionsschicht erstreckt und die Ätzgräben die erste Opferschicht freilegen, wobei die Unterbrechungsbereiche an der Oberseite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht erhalten bleiben und wobei an der Unterseite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht weitere Unterbrechungsbereiche gebildet werden, welche zu den Unterbrechungsbereichen in Tiefenrichtung der ersten mikromechanischen Funktionsschicht ausgerichtet sind.
  • Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist insbesondere bei Verwendung des dritten anisotropen Ätzschrittes besonders gut geeignet für dünne Opferschichten unter der mikromechanischen Funktionsschicht, um zwischen der Funktionsschicht und der Unterlage eine besonders große Kapazität zu erzeugen.
  • Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann auch für dickere Funktionsschichten skaliert werden und unterliegt bezüglich der Dicke der Funktionsschicht keiner Einschränkung.
  • Ein derartiges mikromechanisches System mit der zweidimensionalen Ätzgrabenstruktur kann beispielsweise als Ätzkanalsystem zum Leiten eines Ätzfluids in einem Opferschichtätzschritt verwendet werden, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Vorstellbar sind auch Anwendungen in mikrofluidischen Systemen oder sonstigen mikromechanischen Systemen.
  • Die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des betreffenden Gegenstandes der Erfindung.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weisen die Ätzgräben eine erste Mehrzahl von ersten Ätzgräben und eine zweite Mehrzahl von zweiten Ätzgräben auf, wobei die Unterbrechungsbereiche eine erste Mehrzahl von ersten Unterbrechungsbereichen und eine zweite Mehrzahl von zweiten Unterbrechungsbereichen aufweisen. In dem ersten anisotropen Ätzschritt und dem anschließenden isotropen Ätzschritt werden die erste Mehrzahl von ersten Ätzgräben in einer ersten Längsrichtung verlaufend und die zweite Mehrzahl von zweiten Ätzgräben in einer zweiten Längsrichtung verlaufend ausgebildet. In der ersten Längsrichtung sind alternierend jeweils ein erster Ätzgraben und ein zweiter Ätzgraben angeordnet sind und in der zweiten Längsrichtung die zweiten Ätzgräben aneinandergereiht angeordnet, wobei in der ersten Längsrichtung zwischen den ersten und zweiten Ätzgräben jeweils die ersten Unterbrechungsbereiche vorgesehen sind und wobei in der zweiten Längsrichtung zwischen den zweiten Ätzgräben jeweils die zweiten Unterbrechungsbereiche vorgesehen sind.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die erste Längsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Längsrichtung angeordnet. So lässt sich eine Ätzgrabenstruktur mit einem Rechteckmuster bilden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden in einer Peripherie des ersten Bereichs weitere Ätzgräben durch den ersten und zweiten anisotropen Ätzschritt und den isotropen Ätzschritt gebildet.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die weiteren Ätzgräben eine dritte Mehrzahl von Ätzgräben auf, welche den ersten Bereich ringförmig geschlossen umgeben. So kann ein abgegrenzter freischwebender erster Bereich der ersten mikromechanischen Funktionsschicht gebildet werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird eine zweite Opferschicht ausgebildet, welche die Ätzgräben und die weiteren Ätzgräben an der Oberseite verschließt und im Innern bedeckt, wobei im aufgeweiteten Bereich der Ätzgräben jeweilige Hohlräume zurückbleiben. Derartige Hohlräume beschleunigen einen folgenden Opferschichtätzschritt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden in der Peripherie des ersten Bereichs erste Durchgänge in der zweiten Opferschicht ausgebildet, welche die darunterliegende erste mechanische Funktionsschicht bereichsweise freilegen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird in einem weiteren isotropen Ätzschritt die unter den ersten Durchgängen liegende erste mechanische Funktionsschicht bereichsweise entfernt, wobei die zweite Opferschicht als Ätzstopp fungiert. So lassen sich definierte Bereiche der ersten mikromechanischen Funktionsschicht entfernen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird eine dritte Opferschicht ausgebildet, welche die ersten Durchgänge verschließt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden in dem ersten Bereich ein oder mehrere zweite Durchgänge ausgebildet, welche die darunterliegende erste mechanische Funktionsschicht bereichsweise freilegen, wobei eine zweite mikromechanische Funktionsschicht ausgebildet und strukturiert wird, welche innerhalb der zweiten Durchgänge mit der ersten mikromechanischen Funktionsschicht verbunden wird. So lässt sich eine Aufhängung der ersten mikromechanischen Funktionsschicht an der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht bilden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die erste, zweite und dritte Opferschicht durch einen Opferschichtätzschritt unter Verwendung der Ätzgräben und/oder der weiteren Ätzgräben als Ätzkanäle entfernt. Die Ätzkanäle verursachen keine Einschränkungen der mechanischen Eigenschaften der ersten mikromechanischen Funktionsschicht. Insbesondere verursachen die kontinuierlich vernetzten Ätzgräben keine mechanische Trennung der mikromechanischen Funktionsschicht. Bei Verwendung der Ätzgräben als Ätzkanäle mit größerem Durchmesser können auch Ätzverfahren mit flüssigen Medien angewendet werden, die bisher nicht möglich waren. Viele Ätzverfahren, die auf einem flüssigen Medium beruhen, sind deutlich kostengünstiger und bieten oft auch eine höhere oder bessere Selektivität gegenüber Ätzstoppschichten.
  • Figurenliste
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert.
    • 1a) - c) bis 7a) - c) zeigen aufeinanderfolgende Prozessstadien einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches System; Figurenteil a) zeigt jeweils eine obere Draufsicht, Figurenteil b) einen Schnitt entlang der Linie A-A' in Figurenteil a) und Figurenteil c) einen Schnitt entlang der Linie B-B' in Figurenteil a).
    • 8a), b) zeigten ein Beispiel eines mikromechanischen Systems in Form eines kapazitiven mikromechanischen Drucksensors zur Erläuterung der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Problematik.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.
  • 1a) - c) bis 7a) - c) zeigen aufeinanderfolgende Prozessstadien einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches System; Figurenteil a) zeigt jeweils eine obere Draufsicht, Figurenteil b) einen Schnitt entlang der Linie A-A' in Figurenteil a) und Figurenteil c) einen Schnitt entlang der Linie B-B' in Figurenteil a).
  • In 1a)-c) bezeichnet Bezugszeichen S ein Substrat, beispielsweise ein Siliziumsubstrat. Optional (nicht dargestellt) können in Vorprozessen auf dem Substrat S verschiedene Funktions- und/oder Isolationsschichten aufgewachsen und strukturiert werden (vgl. 8a), b)).
  • Eine erste Opferschicht O wird auf dem Substrat S aufgewachsen und strukturiert, welche beispielsweise aus Siliziumoxid gebildet ist. Die erste Opferschicht O kann zudem strukturiert werden, um einen Substratkontakt oder eine Kontaktebene zu einer der optionalen Funktionsschichten herzustellen. Im vorliegenden Beispiel wird auf der ersten Opferschicht O eine erste mikromechanische Funktionsschicht F1 aus leitfähigem dotierten Polysilizium oder einem ähnlichen leitfähigen Material gebildet.
  • Im Anschluss daran erfolgt ein Ausbilden einer Mehrzahl von zweidimensional angeordneten, voneinander beabstandeten, länglichen Ätzgräben K2, K3 in einem ersten anisotropen Ätzschritt in einem ersten Bereich B1 der ersten mikromechanischen Funktionsschicht F1. Die Ätzgräben K2, K3 können im Wesentlichen senkrecht aufeinander ausgerichtet sein. Alternativ können die Ätzgräben auch parallel oder parallel versetzt angeordnet sein. Optional können die Ätzgräben K2 und K3 in allen Ausführungsbeispielen unterschiedliche Breiten und/oder Längen aufweisen.
  • Die Ätzgräben K2, K3 sind an einem oder beiden Längsenden über einen jeweiligen die erste mikromechanische Funktionsschicht F1 gebildeten Unterbrechungsbereich U1, U2 von einem benachbarten Ätzgraben K2, K3 beabstandet.
  • Der erste anisotrope Ätzschritt wird bis zu einer ersten Ätztiefe, die geringer als eine Dicke der ersten mikromechanischen Funktionsschicht F1 ist, durchgeführt und erfolgt beispielsweise unter Verwendung eines Plasmaverfahrens mit SF6 (Schwefelhexafluorid). In der Endphase des erste anisotropen Ätzschritts kann eine Passivierungsschicht auf den Seitenwänden der Ätzgräben K2, K3 abgeschieden werden.
  • In einem anschließenden isotropen Ätzschritt, beispielsweise ebenfalls unter Verwendung eines Plasmaverfahrens mit SF6 (Schwefelhexafluorid) erfolgt ein Weiterbilden der Ätzgräben K2, K3 bis zu einer zweiten Ätztiefe, die größer als die erste Ätztiefe und geringer als die Dicke der ersten mikromechanischen Funktionsschicht F1 ist. Der isotrope Ätzschritt wird derart gesteuert, dass die laterale Unterätzung in diesem Schritt mindestens der halben Breite der Unterbrechungsbereiche U1, U2 entspricht.
  • Dabei werden die Ätzgräben K2, K3 im Innern der ersten mikromechanischen Funktionsschicht F1 aufgeweitet und die Unterbrechungsbereiche U1, U2 derart unterätzt, dass die benachbarten Ätzgräben K2, K3 im Innern der ersten mikromechanischen Funktionsschicht F1 unterhalb der Unterbrechungsbereiche U1, U2 durch eine Verbreiterung miteinander verbunden werden, wobei die Unterbrechungsbereiche U1, U2 an der Oberseite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht F1 erhalten bleiben und eine mechanische Stabilisierung bzw. Versteifung der Struktur bilden.
  • Die Ätzgräben K2, K3 weisen beim vorliegenden Beispiel eine erste Mehrzahl von ersten Ätzgräben K2 und eine zweite Mehrzahl von zweiten Ätzgräben K3 auf, und die Unterbrechungsbereiche U1, U2 weisen eine erste Mehrzahl von ersten Unterbrechungsbereichen U1 und eine zweite Mehrzahl von zweiten Unterbrechungsbereichen U2 auf.
  • in dem ersten anisotropen Ätzschritt und dem anschließenden isotropen Ätzschritt wird die erste Mehrzahl von ersten Ätzgräben K2 in einer ersten Längsrichtung x verlaufend und die zweite Mehrzahl von zweiten Ätzgräben K3 in einer zweiten Längsrichtung y verlaufend ausgebildet.
  • In der ersten Längsrichtung x sind alternierend jeweils ein erster Ätzgraben K2 und ein zweiter Ätzgraben K3 angeordnet, wobei in der zweiten Längsrichtung y die zweiten Ätzgräben K3 aneinandergereiht angeordnet sind.
  • In der ersten Längsrichtung x sind zwischen den ersten und zweiten Ätzgräben K2, K3 jeweils die ersten Unterbrechungsbereiche U1 vorgesehen, wobei in der zweiten Längsrichtung y zwischen den zweiten Ätzgräben K3 jeweils die zweiten Unterbrechungsbereiche U2 vorgesehen sind.
  • Beim vorliegenden Beispiel ist die erste Längsrichtung x im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Längsrichtung y angeordnet ist.
  • Weiterhin werden beispielsweise in einer Peripherie des ersten Bereichs B1 weitere Ätzgräben K0, K1, K1' durch den ersten und zweiten anisotropen Ätzschritt und den isotropen Ätzschritt gebildet, wobei die weiteren Ätzgräben K0, K1, K1' eine dritte Mehrzahl von Ätzgräben K1, K1' aufweisen, welche den ersten Bereich B1 ringförmig geschlossen umgeben und nach den beiden Ätzschritten mit den ersten und zweiten Ätzgräben K2, K3 in Verbindung stehen.
  • Somit liegt gemäß 1a) - c) ein mikromechanisches System mit einer im Bereich B1 vernetzten, mechanisch stabilisierten Ätzgrabenstruktur vor, für die vielfältige Anwendungsmöglichkeiten bestehen.
  • Beim vorliegenden Beispiel erfolgt gemäß 2a) - c) anschließend an den isotropen Ätzschritt ein zweiter anisotroper Ätzschritt, wobei die Ätzgräben K0, K1, K1`, K2, K3 bis zu einer dritten Ätztiefe geätzt werden, die sich über die gesamte Tiefe der ersten mikromechanischen Funktionsschicht F1 erstreckt, beispielsweise ebenfalls unter Verwendung eines Plasmaverfahrens mit SF6 (Schwefelhexafluorid) ggfs. mit zusätzlicher Passivierungsschicht im oberen Bereich der Ätzgräben K0, K1, K1', K2, K3.
  • Anschließend legen Ätzgräben K0, K1, K1`, K2, K3 die erste Opferschicht O frei, wobei die Unterbrechungsbereiche U1, U2 an der Oberseite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht F1 erhalten bleiben und wobei an der Unterseite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht F1 weitere Unterbrechungsbereiche U3 gebildet werden, welche zu den Unterbrechungsbereichen U1, U2 in Tiefenrichtung der ersten mikromechanischen Funktionsschicht F1 symmetrisch ausgerichtet sind.
  • Weiter mit Bezug auf 3a) - c) wird eine zweite Opferschicht O' aus Siliziumoxid ausgebildet, welche die ersten und zweiten Ätzgräben K2, K3 und die weiteren Ätzgräben K0, K1, K1' an der Oberseite verschließt und im Innern bedeckt, wobei im aufgeweiteten Bereich der Ätzgräben K0, K1, K1', K2, K3 Hohlräume HZ zurückbleiben, welche in einem anschließenden Opferschichtätzverfahren als Ätzkanäle dienen können.
  • Weiter mit Bezug auf 4a) - c) werden in der Peripherie des ersten Bereichs B1 erste Durchgänge D in der zweiten Opferschicht O' ausgebildet werden, welche die darunterliegende erste mechanische Funktionsschicht F1 bereichsweise freilegen.
  • In einem weiteren isotropen Ätzschritt wird die unter den ersten Durchgängen D liegende erste mechanische Funktionsschicht F1 bereichsweise entfernt, wobei die zweite Opferschicht O' lateral als Ätzstopp und die erste Opferschicht O vertikal als Ätzstopp fungiert.
  • Gemäß 5a) - c) wird eine dritte Opferschicht O" aus Siliziumoxid ausgebildet wird, welche die ersten Durchgänge D verschließt.
  • In dem ersten Bereich B1 werden ein oder mehrere zweite Durchgänge D' ausgebildet, welche die darunterliegende erste mechanische Funktionsschicht F1 bereichsweise freilegen.
  • Anschließend wird eine zweite mikromechanische Funktionsschicht F2 aus Polysilizium ausgebildet und strukturiert wird, welche innerhalb der zweiten Durchgänge D2 mit der ersten mikromechanischen Funktionsschicht F1 verbunden wird.
  • Nach weiteren optionalen Schritten werden gemäß 7a) -c) die erste, zweite und dritte Opferschicht O, O', O" durch einen Opferschichtätzschritt unter Verwendung der ersten und zweiten Ätzgräben K2, K3 und der weiteren Ätzgräben K0, K1, K1' als Ätzkanäle entfernt werden.
  • Beim Opferschichtätzschritt breitet sich die Ätzfront in den Hohlräumen HR der ersten und zweiten Ätzgräben K2, K3 und der weiteren Ätzgräben K0, K1, K1' schneller aus als in massivem Opferschichtmaterial. Bevorzugt wird im Opferschichtätzschritt ein Ätzverfahren angewendet, das flüssiges HF (Fluorwasserstoff) oder eine HF-haltige Lösung verwendet.
  • Weitere optionale Schritte können folgen. Beispielsweise kann der durch den Opferschichtätzschritt entstandene Hohlraum hermetisch verschlossen werden.
  • Bei Verwendung des mikromechanischen Systems in einem Drucksensor wäre gemäß 7b) der Bereich der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht F2 die Membran und der Bereich B1 der ersten mikromechanischen Funktionsschicht F1 das Funktionselement 1' (vgl. 8a),b)), das als Elektrode und Versteifungselement dient. Besonders vorteilhaft wirkt die Versteifung hier zweidimensional, also in x- und y-Längsrichtung.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
  • Insbesondere ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beispielhaft erwähnten Schichtmaterialien begrenzt. Auch eignet sich die vorliegende Erfindung nicht nur für die beispielhaft erwähnten Drucksensoren, sondern prinzipiell für sämtliche mikromechanischen Sensoren bzw. Aktoren, insbesondere bei denen zwei elektrisch leitfähige Funktionsbereiche mechanisch verbunden, aber galvanisch getrennt über einem Substrat aufzuhängen sind.
  • Bei einer Variante kann der erste anisotrope Ätzschritt auch beispielsweise über eine Lackmaske in zwei Ätzungen in zwei unterschiedliche Bereiche unterteilt werden. In einem ersten Bereich erfolgt die anisotrope Ätzung nicht über die volle Tiefe der Funktionsschicht. In einem zweiten Bereich erfolgt die Ätzung über die volle Tiefe der Funktionsschicht. Im zweiten Bereich entsteht dann in den Folgeschritten keine seitliche Unterätzung. Dieses Verhalten kann genutzt werden, um den Bereich zu definieren, in dem die Ätzung langsamer erfolgt, oder in dem senkrechte Gräben gewünscht sind, um beispielsweise kapazitive Antriebs- oder Detektionsstrukturen oder sehr genauer definierte Federn zu erzeugen.
  • Das erfindungsgemäße Konzept bringt auch neue Designfreiheit für gekapselte Beschleunigungssensoren oder Drehratensensoren oder Resonatoren. Prinzipiell können damit neue Verschlussverfahren genutzt werden, die nur wenige Öffnungen erlauben, wie beispielsweise das Laser-Reseal-Verfahren. Bisher müssen in sehr vielen Prozessabläufen für die Opferschichtätzung sehr viele, dicht verteilte Ätzzugänge vorgesehen werden, die durch die hohe Anzahl der Zugänge schwierig zu verschließen sind.

Claims (14)

  1. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches System mit den Schritten: Aufbringen einer ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) auf einem Substrat (S); Ausbilden einer Mehrzahl von zweidimensional angeordneten, voneinander beabstandeten, länglichen Ätzgräben (K2, K3) in einem ersten anisotropen Ätzschritt in einem ersten Bereich (B1) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1), wobei die Ätzgräben (K2, K3) an einem oder beiden Enden in Längsrichtung über einen jeweiligen die erste mikromechanische Funktionsschicht (F1) gebildeten Unterbrechungsbereich (U1, U2) von einem benachbarten Ätzgraben (K2, K3) beabstandet sind, bis zu einer ersten Ätztiefe, die geringer als eine Dicke der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) ist; und Weiterbilden der Ätzgräben (K2, K3) in einem anschließenden isotropen Ätzschritt bis zu einer zweiten Ätztiefe, die größer als die erste Ätztiefe und geringer als die Dicke der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) ist, wobei die Ätzgräben (K2, K3) im Innern der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) aufgeweitet werden und die Unterbrechungsbereiche (U1, U2) derart unterätzt werden, dass die benachbarten Ätzgräben (K2, K3) im Innern der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) unterhalb der Unterbrechungsbereiche (U1, U2) miteinander verbunden werden, und wobei die Unterbrechungsbereiche (U1, U2) an der Oberseite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) erhalten bleiben, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) eine erste Opferschicht (O) auf dem Substrat (S) aufgebracht wird und wobei anschließend an den isotropen Ätzschritt in einem zweiten anisotropen Ätzschritt die Ätzgräben (K2, K3) bis zu einer dritten Ätztiefe geätzt werden, die sich über die gesamte Tiefe der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) erstreckt und die Ätzgräben (K2, K3) die erste Opferschicht (O) freilegen, wobei die Unterbrechungsbereiche (U1, U2) an der Oberseite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) erhalten bleiben und wobei an der Unterseite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) weitere Unterbrechungsbereiche (U3) gebildet werden, welche zu den Unterbrechungsbereichen (U1, U2) in Tiefenrichtung der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) ausgerichtet sind.
  2. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches System nach Anspruch 1, wobei die Ätzgräben (K2, K3) eine erste Mehrzahl von ersten Ätzgräben (K2) und eine zweite Mehrzahl von zweiten Ätzgräben (K3) aufweisen; die Unterbrechungsbereiche (U1, U2) eine erste Mehrzahl von ersten Unterbrechungsbereichen (U1) und eine zweite Mehrzahl von zweiten Unterbrechungsbereichen (U2) aufweisen; in dem ersten anisotropen Ätzschritt und dem anschließenden isotropen Ätzschritt die erste Mehrzahl von ersten Ätzgräben (K2) in einer ersten Längsrichtung (x) verlaufend und die zweite Mehrzahl von zweiten Ätzgräben (K3) in einer zweiten Längsrichtung (y) verlaufend ausgebildet werden; wobei in der ersten Längsrichtung (x) alternierend jeweils ein erster Ätzgraben (K2) und ein zweiter Ätzgraben (K3) angeordnet sind und in der zweiten Längsrichtung (y) die zweiten Ätzgräben (K3) aneinandergereiht angeordnet sind; wobei in der ersten Längsrichtung (x) zwischen den ersten und zweiten Ätzgräben (K2, K3) jeweils die ersten Unterbrechungsbereiche (U1) vorgesehen sind; wobei in der zweiten Längsrichtung (y) zwischen den zweiten Ätzgräben (K3) jeweils die zweiten Unterbrechungsbereiche (U2) vorgesehen sind.
  3. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches System nach Anspruch 2, wobei die erste Längsrichtung (x) im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Längsrichtung (y) angeordnet ist.
  4. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches System nach Anspruch 1, wobei in einer Peripherie des ersten Bereichs (B1) weitere Ätzgräben (K0, K1, K1') durch den ersten und zweiten anisotropen Ätzschritt und den isotropen Ätzschritt gebildet werden.
  5. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches System nach Anspruch 4, wobei die weiteren Ätzgräben (K0, K1, K1') eine dritte Mehrzahl von Ätzgräben (K1, K1') aufweisen, welche den ersten Bereich (B1) ringförmig geschlossen umgeben.
  6. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches System nach Anspruch 5, wobei eine zweite Opferschicht (O') ausgebildet wird, welche die Ätzgräben (K2, K3) und die weiteren Ätzgräben (K0, K1, K1') an der Oberseite verschließt und im Innern bedeckt, wobei im aufgeweiteten Bereich der Ätzgräben (K0, K1, K1', K2, K3) jeweilige Hohlräume (HZ) zurückbleiben.
  7. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches System nach Anspruch 6, wobei in der Peripherie des ersten Bereichs (B1) erste Durchgänge (D) in der zweiten Opferschicht (O') ausgebildet werden, welche die darunterliegende erste mechanische Funktionsschicht (F1) bereichsweise freilegen.
  8. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches System nach Anspruch 7, wobei in einem weiteren isotropen Ätzschritt die unter den ersten Durchgängen (D) liegende erste mechanische Funktionsschicht (F1) bereichsweise entfernt wird, wobei die zweite Opferschicht (O') als Ätzstopp fungiert.
  9. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches System nach Anspruch 8, wobei eine dritte Opferschicht (O") ausgebildet wird, welche die ersten Durchgänge (D) verschließt.
  10. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches System nach Anspruch 9, wobei in dem ersten Bereich (B1) ein oder mehrere zweite Durchgänge (D') ausgebildet werden, welche die darunterliegende erste mechanische Funktionsschicht (F1) bereichsweise freilegen und wobei eine zweite mikromechanische Funktionsschicht (F2) ausgebildet und strukturiert wird, welche innerhalb der zweiten Durchgänge (D2) mit der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) verbunden wird.
  11. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches System nach Anspruch 10, wobei die erste, zweite und dritte Opferschicht (O, O', O") durch einen Opferschichtätzschritt unter Verwendung der Ätzgräben (K2, K3) und/oder der weiteren Ätzgräben (K0, K1, K1') als Ätzkanäle entfernt werden.
  12. Mikromechanisches System mit einer auf einem Substrat (S) aufgebrachten ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1); einer Mehrzahl von zweidimensional angeordneten, voneinander beabstandeten, länglichen Ätzgräben (K2, K3) in einem ersten Bereich (B1) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1), wobei die Ätzgräben (K2, K3) an der Oberseite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) an einem oder beiden Enden in Längsrichtung über einen jeweiligen die erste mikromechanische Funktionsschicht (F1) gebildeten Unterbrechungsbereich (U1, U2) von einem benachbarten Ätzgraben (K2, K3) beabstandet sind; wobei die Ätzgräben (K2, K3) im Innern der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) aufgeweitet sind und die Unterbrechungsbereiche (U1, U2) derart unterätzt sind, dass die benachbarten Ätzgräben (K2, K3) im Innern der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) unterhalb der Unterbrechungsbereiche (U1, U2) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) eine erste Opferschicht (O) auf dem Substrat (S) aufgebracht ist und die Ätzgräben (K2, K3) bis zu einer dritten Ätztiefe gebildet sind, die sich über die gesamte Tiefe der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) erstreckt und die Ätzgräben (K2, K3) die erste Opferschicht (O) freilegen, wobei an der Unterseite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) weitere Unterbrechungsbereiche (U3) gebildet sind, welche zu den Unterbrechungsbereichen (U1, U2) in Tiefenrichtung der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (F1) ausgerichtet sind.
  13. Mikromechanisches System nach Anspruch 12, wobei die Ätzgräben (K2, K3) eine erste Mehrzahl von ersten Ätzgräben (K2) und eine zweite Mehrzahl von zweiten Ätzgräben (K3) aufweisen; die Unterbrechungsbereiche (U1, U2) eine erste Mehrzahl von ersten Unterbrechungsbereichen (U1) und eine zweite Mehrzahl von zweiten Unterbrechungsbereichen (U2) aufweisen; die erste Mehrzahl von ersten Ätzgräben (K2) in einer ersten Längsrichtung (x) verlaufend und die zweite Mehrzahl von zweiten Ätzgräben (K3) in einer zweiten Längsrichtung (y) verlaufend ausgebildet sind; wobei in der ersten Längsrichtung (x) alternierend jeweils ein erster Ätzgraben (K2) und ein zweiter Ätzgraben (K3) angeordnet sind und in der zweiten Längsrichtung (y) die zweiten Ätzgräben aneinandergereiht angeordnet sind; wobei in der ersten Längsrichtung (x) zwischen den ersten und zweiten Ätzgräben (K2, K3) jeweils die ersten Unterbrechungsbereiche (U1) vorgesehen sind; wobei in der zweiten Längsrichtung (y) zwischen den zweiten Ätzgräben (K3) jeweils die zweiten Unterbrechungsbereiche (U2) vorgesehen sind.
  14. Mikromechanisches System nach Anspruch 12 oder 13, wobei der erste Bereich (B1) mit einer darüber angeordneten zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (F2) zumindest bereichsweise verbunden ist und freischwebend über dem Substrat (S) angeordnet ist.
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