DE102020100244A1

DE102020100244A1 - Verfahren zur Herstellung eines Membran-Bauelements und ein Membran-Bauelement

Info

Publication number: DE102020100244A1
Application number: DE102020100244.0A
Authority: DE
Inventors: Steffen Leopold
Original assignee: X Fab Global Services GmbH
Current assignee: X Fab Global Services GmbH
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2021-07-08
Also published as: US20210206629A1; US11708265B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Membran-Bauelements mit einer Membran aus einer dünnen Schicht (< 1 um, Dünnschichtmembran). Das Membran-Bauelement kann bei mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) eingesetzt werden. Die Erfindung soll ein Verfahren zur Herstellung eines Membran-Bauelements bereitstellen, wobei die Membran mit hochpräzisen Membranabmessungen und frei wählbarer Membrangeometrie herstellbar ist. Erreicht wird das mit einem Verfahren, umfassend ... Bereitstellen einer Halbleiterscheibe (100) mit einer ersten Schicht (116), einer zweiten Schicht (118) und einer dritten Schicht (126). Aufbringen (12) einer ersten Maskierungsschicht (112) auf die erste Schicht (116), wobei die erste Maskierungsschicht (112) eine erste selektiv bearbeitbare Fläche (114) zur Festlegung einer Geometrie der Membran (M1) definiert. Bilden (13) einer ersten Vertiefung (120) durch anisotropes Ätzen (13) der ersten Schicht (116) und Entfernen der ersten Maskierungsschicht (112). Einbringen (14) eines Materials (122) in die erste Vertiefung (120) und Aufbringen (15) einer Membranschicht (124) auf die erste Schicht (116) mit dem eingebrachten Material (122). Aufbringen einer zweiten Maskierungsschicht, die eine zweite selektiv bearbeitbare Fläche definiert, auf die dritte Schicht (126). Bilden einer zweiten Vertiefung durch anisotropes Ätzen der dritten Schicht (126) und der zweiten Schicht (118) bis zu der ersten Schicht (116). Entfernen der zweiten Maskierungsschicht; und ein isotropes Ätzen (18) der ersten Schicht (116), das durch die Membranschicht (124) und durch das eingebrachte Material (122) begrenzt ist, so dass die Membran (M1) freigelegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Membran-Bauelements mit einer Membran aus einer dünnen Schicht (< 1 µm) (bzw. Dünnschichtmembran). Das Membran-Bauelement kann bei mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) eingesetzt werden.
Allgemein bekannte Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen aus einer Halbleiterscheibe (bspw. Silicium-Wafer), wie beispielsweise von Membranen aus dünnen Schichten, sind unter anderen das nasschemische Ätzen von Silizium (bzw. Siliziumdioxid - SiO₂) mit Kalilauge (KOH) und das Reaktive lonentiefätzen (englisch Deep Reactive Ion Etching, DRIE).
Bei dem nasschemischen Ätzen von Silizium mithilfe einer Lauge wie KOH, ergibt sich für die Ätzreaktion aufgrund der unterschiedlichen Aktivierungsenergien der Si-Atome der verschiedenen Kristallebenen eine anisotrope Ätzreaktion. Mittels des KOH-Ätzens von Silizium-Wafern können bei (100)-orientierten Wafern Pyramiden mit quadratischer Grundfläche und {111}-Ebenen als Mantelflächen und bei (110)-orientierten Wafern rechtwinklige Gräben mit {111}-Ebenen als Flanken realisiert werden. Andere Formen können mithilfe dieses Verfahrens nicht umgesetzt werden. Prinzipiell kann mit einer KOH-Ätzung durch die {111}-Ebene als natürlichem Ätzstopp im Silizium präzise laterale Abmessungen erzielt werden. Allerdings erfordert insbesondere die Ätzung von (100)-orientierten Wafern verfahrensbedingt große Chipabmessungen aufgrund der ausschließlich pyramidial ätzbaren Struktur.
Reaktives lonentiefätzen, als Weiterentwicklung des reaktiven Ionenätzens (englisch Reactive Ion Etching), ist ein hoch anisotroper Trockenätzprozess für die Herstellung von Mikrostrukturen in Silizium, bei dem Strukturtiefen von einigen 100 Mikrometern senkrecht zur Wafer-Oberfläche erzielt werden können. Eine entsprechende Maskierung, wie beispielsweise eine durch Fotolithografie erzeugte Maskierung, ermöglicht hierbei die Formgebung der zu erzielenden Strukturen, wobei auch kreisförmige, rechteckige oder andersförmige Geometrien mit nahezu senkrechten Seitenwänden erzeugt werden können. Die Seitenwände weisen aufgrund von Prozessschwankungen während des DRIE in der Regel einen Seitenwandwinkel von ca. +/- 2,0° auf. Damit geht die anfänglich lithografische Genauigkeit der Maskierung und Genauigkeit der Abmessungen der zu erzielenden Struktur verloren.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtenmembranen bekannt.
FR 28 59 281 B1 offenbart einen MEMS-Drucksensor mit einer Struktur, die eine übermäßige Deformation der in dem Drucksensor enthaltenen Membran begrenzen soll, um eine Beschädigung der Membran zu vermeiden. Die Membran selbst wird über Standardverfahren, wie oben beschrieben (KOH-Ätzen oder reaktives lonentiefätzen), erzeugt.
EP 21 32 2547 B1 offenbart ebenfalls einen MEMS-Drucksensor und ein Verfahren zur Herstellung dieses Drucksensors, der aufgrund eines biegesteifen Zentrums auf der Rückseite der Dünnschichtmembran zur Druckmessung geringer Drücke Messfehler ausgleichen kann. Bei der Herstellung wird ausgehend von einem BESOI-Wafer (Bonded and Etchback Silicon on Insulator) das Trägersubstrat rückseitig geätzt, wobei die vergrabene Oxidschicht (buried oxide layer) als Ätzstopp fungiert. Die entstehende Ausnehmung zur Freilegung der Membran weist eine sich konisch verjüngende innere Mantelfläche auf. Zur Herstellung des biegesteifen Zentrums wird die Oxidschicht, die zuvor als Ätzstopp gedient hat, nur teilweise entfernt. In einem äußeren Rand des durch die Ausnehmung frei gelegten Bereichs der Oxidschicht wird eine den Bereich umgebende Nut vorgesehen.
WO 2016/130123 A1 beschreibt die Herstellung eines mikromechanischen Geräts mit einer Membran, das verbesserte Hohlraumstrukturen aufweist, um die Größe der Membran zu reduzieren. Bei der Herstellung wird zunächst auf einem Silicon on Insulator Wafer (SOI-Wafer) die epitaktische Schicht geätzt (reaktives lonentiefätzen), so dass Erhebungen entstehen, die den (Verstärkungs-)Strukturen der später herzustellenden Membran entsprechen. Die geätzte epitaktische Schicht wird mit einer ebenfalls geätzten Schicht eines weiteren Substrates verbunden. Die geätzte Seite des weiteren Substrats weist eine im Wesentlichen quadratisch geätzte Vertiefung auf (reaktives lonentiefätzen), die zusammen mit den Vertiefungen des SOI-Wafers den Hohlraum unter der Membran bildet. Abschließend wird die Substratschicht des SOI-Wafers entfernt und die Rückseite des weiteren Substrats geätzt, so dass der Hohlraum unter der Membran eine Verbindung zur Umgebung aufweist.
EP 35 57 212 A1 offenbart einen kapazitiven MEMS-Drucksensor mit erhöhter Temperaturresistenz sowie dessen Herstellung. Der Drucksensor ist insbesondere für die Erfassung von Luftdrücken während Luftmanövern von Luftfahrzeugen einsetzbar und umfasst eine Trägerplatte mit einem zentralen Loch, mit der eine Membran verbunden ist. Die (Silizium-)Membran wird beidseitig aus einem Siliziumwafer durch Ätzen von Vertiefungen in der Ober- und Unterseite des Wafers gebildet. Die Mantelflächen weisen eine sich in Richtung des Wafer-Mittelpunkts verjüngende konische Form auf. Mit der Membran wird ein isolierender Rahmen verbunden, auf dem eine Platte mit einer Elektrode befestigt wird. Zwischen dem isolierenden Rahmen, der Platte mit Elektrode und der Membran ist ein Hohlraum eingeschlossen. Die Membran und die Platte mit Elektrode bilden einen kapazitiven Sensor, der bei einer Auslenkung der Membran in Bezug auf die Elektrode die Ausgabe ändert.
US 74 87 681 B1 offenbart einen Drucksensor mit einer kreuzförmigen rückseitigen Öffnung, die eine variable Sensitivität bietet. Bei der Herstellung einer Membran des Drucksensors wird zunächst die Membran strukturiert und rückseitig mittels DRIE freigestellt. Anschließend wird eine weitere Schicht (ebenfalls rückseitig) mit der hergestellten Struktur verbunden (Waferbonden). In diese weitere Schicht (Rahmen) wird eine Durchgangsöffnung geätzt (DRIE), so dass eine zusammenhängende Kavität unter der Membran entsteht.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Membran-Bauelements bereitzustellen, durch das ein Membran-Bauelement mit einer Membran mit hochpräzisen Membranabmessungen und frei wählbarer Membrangeometrie herstellbar ist.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von einem Membran-Bauelement nach Anspruch 1, durch ein Membran-Bauelement nach Anspruch 14, ein Verfahren nach Anspruch 19 und ein Membran-Bauelement nach Anspruch 27.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Membran-Bauelements mit einer Membran umfasst das Bereitstellen einer Halbleiterscheibe mit einer ersten Schicht, einer zweiten Schicht und einer dritten Schicht und das Aufbringen einer ersten Maskierungsschicht auf die erste Schicht. Die erste Maskierungsschicht definiert eine erste selektiv bearbeitbare Fläche zur Festlegung einer Geometrie der Membran. Weiterhin umfasst das Verfahren das Bilden einer ersten Vertiefung durch anisotropes Ätzen der ersten Schicht, das Entfernen der ersten Maskierungsschicht, das Einbringen eines Materials in die erste Vertiefung, das Aufbringen einer zweiten Maskierungsschicht, die eine zweite selektiv bearbeitbare Fläche definiert, auf die dritte Schicht, das Bilden einer zweiten Vertiefung durch anisotropes Ätzen der dritten Schicht und der zweiten Schicht bis zu der ersten Schicht, das Entfernen der zweiten Maskierungsschicht und isotropes Ätzen der ersten Schicht. Das isotrope Ätzen ist durch die Membranschicht und durch das eingebrachte Material begrenzt, so dass die Membran freigelegt wird.
Das Membran-Bauelement kann ein unfertiges Halbleiterbauelement (als Vorläufer bzw. Halbzeug) oder ein in einem Halbleiterbauelement zu integrierendes Bauelement sein. Beispielsweise kann in weiteren Arbeitsschritten das Membran-Bauelement zu einem fertigen Halbleiterbauelement prozessiert werden oder weiter prozessiert und dann als eine Komponente in einem Bauelement wie bspw. einem MEMS-Drucksensor verwendet werden.
Ein (Schicht-)Material kann eine (Ober-)Fläche aufweisen (bspw. Oberfläche einer Siliziumschicht). Ein Bereich der Fläche kann eine selektiv bearbeitbare Fläche sein. Dieser Bereich als selektiv bearbeitbare Fläche kann innerhalb eines Prozessschrittes bearbeitet werden, während eine restliche Fläche der (Ober-)Fläche unbearbeitet bleibt. Beispielsweise kann eine Maskierungsschicht (als Ätzmaske) mit zumindest einer Ausnehmung auf eine Schicht einer Halbleiterscheibe aufgetragen werden. Ein Bereich, der von der Maskierungsschicht bedeckt wird, kann nicht bearbeitbar sein. Ein durch die Ausnehmung der Maskierungsschicht unbedeckter bzw. freiliegender Bereich der Schicht kann die selektiv bearbeitbare Fläche sein. Mittels eines chemischen Abtrags, wie bspw. anisotropem Ätzen, kann die selektiv bearbeitbare Fläche bearbeitet werden. Ein Abtrag der selektiv bearbeitbaren Fläche kann so erfolgen, dass eine Vertiefung in dem Material entsteht, die eine Grundform aufweist, die der selektiv bearbeitbaren Fläche entspricht.
Die Membranschicht kann flächig aufgetragen werden. Die Membranschicht kann die Membran umfassen.
Die Membran innerhalb der Membranschicht kann beidseitig freigelegt sein, insbesondere ist die Membran schwingfähig bzw. kann sich in einer Richtung senkrecht zu einer Ebene, die durch eine Oberfläche der Membran aufgespannt wird, deformieren.
Die Membranschicht, mit Ausnahme der Membran, kann auf einer Oberfläche oder einem Rahmen befestigt sein und kann nicht schwingfähig sein.
Die Membran kann permeable sein, insbesondere kann die Membran luftdurchlässig und/oder wasserdurchlässig sein.
Die erste selektiv bearbeitbare Fläche kann durch zumindest eine Ausnehmung in der ersten Maskierungsschicht gebildet werden, insbesondere kann die selektiv bearbeitbare Fläche eine von der Maskierungsschicht unbedeckte Oberfläche eines unter der Maskierungsschicht liegenden Materials sein.
Die erste Maskierungsschicht kann als Ätzmaske dienen. Die selektiv bearbeitbare Fläche kann eine Geometrie (bzw. Grundfläche), die in eine Tiefe des unter der Maskierungsschicht liegenden Materials geätzt werden soll, definieren.
Die erste selektiv bearbeitbare Fläche kann bspw. die Geometrie eines Kreisrings aufweisen. Ein durch den Kreisring eingeschlossener Bereich kann die Membrangeometrie der herzustellenden Membran definieren.
Die erste selektiv bearbeitbare Fläche kann ein rechteckiger Ring, ein vieleckiger Ring oder ein unrunder Ring sein.
Die erste selektiv bearbeitbare Fläche kann einen Bereich umschließen, der die Membrangeometrie der herzustellenden Membran definiert.
Die erste und/oder zweite Maskierungsschicht können einen Fotolack, Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid umfassen.
Die erste und/oder die zweite Maskierungsschicht können einen Positivlack umfassen.
Die Definition der Ausnehmung in der ersten Maskierungsschicht zur Definition der ersten selektiv bearbeitbaren Fläche kann mittels lithografischer Verfahren erfolgen. Gleiches kann für die zweite selektiv bearbeitbare Fläche gelten.
Die erste und/oder die zweite Maskierungsschicht können Hartmasken umfassen. Die Hartmasken können mittels lithografischer Verfahren strukturiert sein.
Anisotropes Ätzen kann anisotropes reaktives lonenätzen umfassen, insbesondere reaktives lonentiefätzen.
Das anisotrope Ätzen der ersten Vertiefung kann ein Deep Trench Isolation (DTI)-Verfahren umfassen (Graben-Ätzung).
Die erste Vertiefung kann eine Grundfläche aufweisen, die der ersten selektiv bearbeitbaren Fläche entspricht.
Die erste Vertiefung kann sich bis in die zweite Schicht erstrecken.
Die erste Vertiefung kann bis zur zweiten Schicht ausgebildet sein, insbesondere kann eine Oberfläche der zweiten Schicht durch die Vertiefung freigelegt sein.
Das Entfernen der ersten und/oder der zweiten Maskierungsschicht kann durch Strippen oder mittels Plasmaveraschung erfolgen. Strippen kann das Entfernen mit einem organischen Lösungsmittel, einer Natronlauge oder einem Remover (alkalische oder neutrale Flüssigkeiten) umfassen.
Das Einbringen des Materials in die erste Vertiefung kann innerhalb des DTI-Verfahrens mittels einer chemischen Gasphasenabscheidung erfolgen.
Die Membranschicht kann Aluminiumnitrid umfassen, insbesondere kann die Membranschicht aus Aluminiumnitrid bestehen.
Die Membranschicht kann eine Dünnschicht sein. Die Membranschicht kann bspw. mittels Sputtern (Reaktivsputtern) auf die erste Schicht aufgebracht sein.
Isotropes Ätzen kann nasschemische Ätzverfahren umfassen.
Das Verfahren kann weiterhin, nach dem Entfernen der zweiten Maskierungsschicht, das Aufbringen einer vierten Schicht auf die dritte Schicht, auf die erste Schicht und auf zumindest eine Seitenwand der durch das anisotrope Ätzen der dritten und der zweiten Schicht entstandenen zweiten Vertiefung umfassen sowie das anisotrope Ätzen eines Bereichs der vierten Schicht, wobei der Bereich der vierten Schicht die erste Schicht kontaktiert, bis zu der ersten Schicht.
Die vierte Schicht kann auf alle Seitenwände der durch das anisotrope Ätzen der dritten und der zweiten Schicht entstandenen zweiten Vertiefung aufgebracht sein.
Die vierte Schicht kann als Seitenwandpassivierung dienen bzw. die zumindest eine Seitenwand (Seitenwände) bei nachfolgenden Prozessschritten schützen.
Die vierte Schicht kann eine Oxidschicht umfassen, insbesondere kann die vierte Schicht eine Oxidschicht sein.
Bei dem anisotropen Ätzen des Bereichs der vierten Schicht kann die zumindest eine Seitenwand nicht erfasst sein, insbesondere soll von der zumindest einen Seitenwand kein Abtrag bzw. möglichst kein Abtrag erfolgen.
Das anisotrope Ätzen der vierten Schicht kann bis in die erste Schicht erfolgen, insbesondere wird eine Oberfläche der ersten Schicht freilegt.
Das Verfahren kann weiterhin, vor dem Auftragen der Membranschicht, Polieren der ersten Schicht mit dem eingebrachten Material umfassen. Das Polieren kann insbesondere chemisch mechanisches Polieren umfassen.
Die erste Schicht kann ein anderes Material umfassen als sie zweite Schicht, insbesondere aus einem anderen Material bestehen.
Die erste Schicht kann eine Siliziumschicht umfassen, insbesondere kann die erste Schicht eine Siliziumschicht sein.
Die zweite Schicht kann eine Oxidschicht umfassen, insbesondere kann die zweite Schicht eine Oxidschicht sein.
Die Halbleiterscheibe kann ein Silicon-on-Insulator (SOI) Wafer umfassen. Der SOI Wafer kann drei Schichten umfassen: eine Trägersubstrat-Schicht (Handle Layer), eine Oxidschicht (BOX Layer) und eine Geräteschicht (Device Layer).
Die Trägersubstrat-Schicht des SOI Wafers kann eine Dicke zwischen 200 µm und 2000 µm aufweisen.
Die Oxidschicht des SOI Wafers kann eine Dicke zwischen 0,05 µm und 10,00 µm aufweisen.
Die Device Layer des SOI Wafers kann eine Dicke zwischen 0,10 µm und 200,00 µm aufweisen.
Die erste Schicht kann eine erste Schichtdicke aufweisen, die kleiner ist als eine vierte Dicke, die sich aus der Summation einer zweiten Schichtdicke der zweiten Schicht und einer dritten Schichtdicke der dritten Schicht ergibt, insbesondere kann ein Verhältnis der ersten Schichtdicke zu der vierten Dicke zwischen 1:10 und 1:200 betragen, bevorzugt zwischen 1:50 und 1:150, noch bevorzugter 1:100.
Die erste Schichtdicke kann kleiner sein als die dritte Schichtdicke, insbesondere kann ein Verhältnis der ersten Schichtdicke zu der dritten Schichtdicke zwischen 1:8 und 1:200 betragen, bevorzugt zwischen 1:50 und 1:150.
Die erste Schicht kann insbesondere so dick sein, dass eine Abweichung, die verfahrensbedingt durch anisotropes Ätzen auftritt, kleiner ist als eine vorgegebene Toleranz der Membrangeometrie.
Die vierte Schicht kann eine Passivierungsschicht umfassen.
Die erste und/oder die zweite Maskierungsschicht können einen Fotolack umfassen, insbesondere sind die erste und/oder die zweite Maskierungsschicht mittels Fotolithografie hergestellt.
Das eingebrachte Material und die zweite Schicht können ein gleiches Material umfassen.
Die Membran kann eine kreisförmige, eine rechteckige, eine vieleckige oder eine unrunde Grundform aufweisen.
Die Membran kann zumindest eine Ausnehmung aufweisen, insbesondere kann die Membran perforiert sein.
Das isotrope Ätzen kann durch die zumindest eine Ausnehmung der Membran erfolgen.
Ein Membran-Bauelement umfasst eine Membranschicht, eine erste Schicht, eine zweite Schicht und eine dritte Schicht. Die Membranschicht umfasst eine Membran. Die erste Schicht weist eine erste Schichtdicke auf. Von der ersten Schicht ist ein Material zumindest teilweise umschlossen (eingeschlossen). Das umschlossene Material legt eine Geometrie der Membran fest. Die zweite Schichtdicke weist eine zweite Schichtdicke auf und die dritte Schicht weist eine dritte Schichtdicke auf. Die erste Schichtdicke ist kleiner als eine vierte Dicke, die sich aus der Summation der zweiten Schichtdicke der zweiten Schicht und der dritten Schichtdicke der dritten Schicht ergibt.
Durch die erste Schicht kann insbesondere das zumindest teilweise umschlossene Material in einer Ebene komplett von der ersten Schicht umschlossen sein.
Ein Verhältnis der ersten Schichtdicke zu der vierten Dicke kann zwischen 1:10 und 1:200 betragen, bevorzugt zwischen 1:50 und 1:150, noch bevorzugter 1:100.
Ein Verhältnis der ersten Schichtdicke zu der dritten Schichtdicke kann zwischen 1:8 und 1:200 betragen, bevorzugt zwischen 1:50 und 1:150.
Ein zwischen der Membranschicht (bzw. der Membran) und einer Seitenwand des eingebrachten Materials eingeschlossener Winkel α kann zwischen 88,0° und 92,0° betragen, insbesondere zwischen 89,0° und 91,0°.
Die Membran kann eine kreisförmige, eine rechteckige, eine vieleckige oder eine unrunde Grundform aufweisen.
Die Membranschicht kann zumindest eine Ausnehmung aufweisen, insbesondere perforiert sein.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Membran-Bauelements umfasst das Bereitstellen einer Halbleiterscheibe. Die Halbleiterscheibe umfasst eine erste Schicht, eine zweite Schicht und eine dritte Schicht. Weiterhin umfasst das Verfahren das Aufbringen einer ersten Maskierungsschicht auf die erste Schicht. Die erste Maskierungsschicht definiert eine selektiv bearbeitbare Fläche zur Festlegung einer Geometrie der Membran. Ferner umfasst das Verfahren anisotropes Ätzen der ersten Schicht und der zweiten Schicht bis zu der dritten Schicht, das Entfernen der ersten Maskierungsschicht, zumindest teilweises Modifizieren der dritten Schicht, so dass eine Schichtmodifikation sich in eine Tiefe der dritten Schicht erstreckt, Entfernen der ersten Schicht, Entfernen der zweiten Schicht, so dass die dritte Schicht mit Schichtmodifikation verbleibt, Aufbringen einer Membranschicht auf die dritte Schicht mit der Schichtmodifikation, Aufbringen einer zweiten Maskierungsschicht, die eine zweite selektiv bearbeitbare Fläche definiert, auf die dritte Schicht, anisotropes Ätzen der dritten Schicht bis zu der Schichtmodifikation und isotropes Ätzen der Schichtmodifikation. Das isotrope Ätzen der Schichtmodifikation ist durch die Membranschicht und durch die dritte Schicht begrenzt, so dass die Membran freigelegt wird.
Das Membran-Bauelement kann ein Vorläufer eines fertigen Bauelements sein.
Dem Verfahren zur Herstellung des Membran-Bauelements können weitere Prozessschritte folgen. Weitere Prozessschritte können an oder auf dem Membran-Bauelement erfolgen.
Das Membran-Bauelement kann insbesondere in MEM-Systeme integrierbar sein.
Die Membranschicht kann flächig aufgetragen sein. Die Membranschicht kann die Membran umfassen. Die Membran kann insbesondere von festem Material unbedeckt sein (beidseitig freigelegt). Insbesondere ist die Membran schwing- oder deformationsfähig und kann sich in eine Richtung senkrecht zu einer Ebene, die durch eine Oberfläche der Membran aufgespannt wird, deformieren.
Die Membranschicht, mit Ausnahme der Membran, kann auf einem anderen Material befestigt sein, wobei das Material als Trägermaterial bzw. Rahmen dienen kann.
Die erste selektiv bearbeitbare Fläche kann durch zumindest eine Ausnehmung in der ersten Maskierungsschicht gebildet werden.
Die erste selektiv bearbeitbare Fläche kann eine kreisförmige, eine rechteckige, eine vieleckige oder eine unrunde Form aufweisen.
Die erste und/oder die zweite Maskierungsschicht können einen Fotolack, Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid umfassen.
Die Definition der ersten Ausnehmung in der ersten Maskierungsschicht zur Definition der ersten selektiv bearbeitbaren Fläche und/oder die Definition einer (zweiten) Ausnehmung in der zweiten Maskierungsschicht zur Definition der zweiten selektiv bearbeitbaren Fläche können mittels lithografischer Verfahren erfolgen.
Das Verfahren kann einen LOCOS-Prozess umfassen (Local Oxidation of Silicon).
Das Modifizieren der dritten Schicht kann eine thermische Oxidation umfassen.
Das Entfernen der ersten Schicht kann nasschemischen Ätzen umfassen.
Das Entfernen der zweiten Schicht kann ebenfalls das Entfernen von einem zumindest teilweise durch die thermische Oxidation aufgewachsenen Materials umfassen, insbesondere kann zusätzlich aufgewachsenes Material aus der thermischen Oxidation komplett entfernt werden.
Die Halbleiterscheibe kann einen Silicium-Wafer umfassen.
Die Tiefe der Schichtmodifikation in die dritte Schicht (bzw. die Dicke der Schichtmodifikation) kann kleiner sein als eine Schichtdicke der dritten Schicht, insbesondere kann ein Verhältnis der Tiefe der Schichtmodifikation zu der Schichtdicke der dritten Schicht zwischen 1:5 und 1:150 betragen, bevorzugt 1:100.
Die Membran kann zumindest eine Ausnehmung aufweisen, insbesondere perforiert sein.
Das isotrope Ätzen kann durch die zumindest eine Ausnehmung der Membran erfolgen.
Die erste und/oder die zweite Maskierungsschicht können Fotolack umfassen, insbesondere können die erste und/oder die zweite Maskierungsschicht mittels Fotolithografie hergestellt sein.
Ein Membran-Bauelement umfasst eine Membranschicht mit einer Membran und eine Trägerschicht mit einer Kavität. Die Kavität weist einen ersten und einen zweiten Abschnitt auf. Der erste Abschnitt der Kavität weist eine erste Tiefe auf. Der erste Abschnitt der Kavität legt eine Geometrie der Membran fest. Der zweite Abschnitt der Kavität weist eine zweite Tiefe auf. Die erste Tiefe ist kleiner als die zweite Tiefe.
Ein Verhältnis der ersten Tiefe zu der zweiten Tiefe kann zwischen 1:5 und 1:150 betragen, bevorzugt kann das Verhältnis 1:100 betragen.
Ein zwischen der Membranschicht bzw. Membran und einer Seitenwand des ersten Abschnitts der Kavität eingeschlossener Winkel α kann zwischen 88,0° und 92,0° betragen, insbesondere zwischen 89,0° und 91,0°.
Die Membran kann eine kreisförmige, eine rechteckige, eine vieleckige oder eine unrunde Grundform aufweisen.
Die Membran kann zumindest eine Ausnehmung aufweisen, insbesondere kann die Membran perforiert sein.
Der erste Abschnitt kann eine erste laterale Abmessung und der zweite Abschnitt kann eine zweite laterale Abmessung aufweisen und die erste laterale Abmessung kann ungleich zu der zweiten lateralen Abmessung sein, insbesondere kann die zweite laterale Abmessung kleiner sein als die erste laterale Abmessung.
Die zweite laterale Abmessung kann 50 % kleiner sein als die erste laterale Abmessung, bevorzugt 30%, noch bevorzugter 20 %.
Die Ausführungsformen der Erfindung sind anhand von Beispielen dargestellt, jedoch nicht auf eine Weise, in der Beschränkungen aus den Figuren in die Patentansprüche übertragen oder hineingelesen werden. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren geben gleiche Elemente an.

1 zeigt schematische Darstellungen 11, 12, ..., 15 einer Vorstrukturierung eines SOI-Wafers 100 in verschiedenen Stadien der Vorstrukturierung des SOI-Wafers 100 und eine Aufbringung einer durchgängigen Membranschicht 124, jeweils gezeigt in geschnittener Ansicht, für die Herstellung eines Membran-Bauelements 190;
2 zeigt schematische Darstellungen 15, 17, 18 der Membran-Bauelement-Herstellung aus dem vorstrukturierten SOI-Wafer mit durchgängig aufgebrachter Membranschicht 124 in verschiedenen Stadien der Herstellung, jeweils gezeigt in geschnittener Ansicht;
3 zeigt schematische Darstellungen 15', 17', 18' der Membran-Bauelement-Herstellung eines vorstrukturierten SOI-Wafers mit unterbrochen aufgebrachter Membranschicht 124' in verschiedenen Stadien der Herstellung, jeweils gezeigt in geschnittener Ansicht;
4 zeigt schematische Darstellungen 41, 42, ..., 46 einer Vorstrukturierung eines Silizium-Wafers mittels lokaler Oxidation in verschiedenen Stadien der Vorstrukturierung des Silicium-Wafers und eine Aufbringung einer durchgängigen Membranschicht 224 für die Herstellung eines Membran-Bauelements 290, jeweils gezeigt in geschnittener Ansicht;
5 zeigt schematische Darstellungen 46, 47, 48 einer Membran-Bauelement-Herstellung des mittels lokaler Oxidation vorstrukturierten Silicium-Wafers mit durchgängig aufgebrachter Membranschicht 224 in verschiedenen Stadien der Membran-Bauelement-Herstellung, jeweils gezeigt in geschnittener Ansicht;
6 zeigt schematische Darstellungen 46', 47', 48' einer Membran-Herstellung eines mittels lokaler Oxidation vorstrukturierten Silicium-Wafers mit unterbrochen aufgebrachter Membranschicht 224' in verschiedenen Stadien der Herstellung, jeweils gezeigt in geschnittener Ansicht;
7 zeigt schematische Darstellungen von Membrangeometrien aus einer Draufsicht;
8 zeigt eine schematische Darstellung des Membran-Bauelements 190 in geschnittener Ansicht und einen Detailauszug des Membran-Bauelements;
9 zeigt eine schematische Darstellung des Membran-Bauelements 290 in geschnittener Ansicht und einen Detailauszug des Membran-Bauelements.

1 zeigt eine Vorstrukturierung eines SOI-Wafers 100 in verschiedenen Stadien der Vorstrukturierung des SOI-Wafers 100 und eine Aufbringung einer durchgängigen Membranschicht 124, jeweils gezeigt in geschnittener Ansicht, für die Herstellung eines Membran-Bauelements 190.
Schnitt 11 zeigt die Halbleiterscheibe 100 wie sie einem Verfahren zur Herstellung des Membran-Bauelements 190 bereitgestellt werden kann. Die Halbleiterscheibe umfasst drei Schichten: eine erste Schicht 116, eine zweite Schicht 118 und eine dritte Schicht 126.
Die erste Schicht 116 weist eine erste Schichtdicke d₁ auf, die zweite Schicht 118 eine Schichtdicke d₂ und die dritte Schicht 126 eine Schichtdicke d₃ auf. Eine vierte Dicke d₄ ergibt sich aus der Summation der Schichtdicken d₂ und d₃.
Bei der Halbleiterscheibe 100 kann es sich um einen SOI Wafer handeln. Entsprechend kann die erste Schicht 116 eine (dünne) Siliziumschicht sein, die zweite Schicht 118 eine (dünne) Oxidschicht (BOX) und die dritte Schicht 126 eine Trägersubstrat-Schicht aus Silizium.
Schnitt 12 zeigt die Halbleiterscheibe 100 mit einer zusätzlich aufgebrachten Maskierungsschicht 112. Die Maskierungsschicht 112 weist eine Ausnehmung auf.
Die Ausnehmung kann bevorzugt eine ringförmige Grundform aufweisen.
In dem gezeigten Beispiel wird eine ringförmige Ausnehmung dargestellt. Entsprechend sind dargestellte Vertiefungen als Ausschnitte der Ausnehmung miteinander verbunden.
Die erste Maskierungsschicht 112 kann mittels fotolithografischer Verfahren hergestellt sein und als Ätzmaske dienen.
Die Maskierungsschicht 112 kann einen Fotolack umfassen. Der Fotolack kann mittels Rotationsbeschichtung aufgebracht sein.
Die Ausnehmung in der Maskierungsschicht 112 kann bspw. mittels einer Entwicklung bzw. einer Belichtung entfernt werden (Positivlack).
Durch die Ausnehmung in der ersten Maskierungsschicht 112 ist eine erste selektiv bearbeitbare Fläche 114 auf der ersten Schicht 116 freigelegt. Eine Oberfläche der ersten Schicht 116 mit Ausnahme der Fläche 114 ist von der Maskierungsschicht 112 bedeckt.
Schnitt 13 zeigt die Halbleiterscheibe 100 nach einem anisotropen Ätzen (in eine z-Richtung) der ersten Schicht 116.
Das anisotrope Ätzen der ersten Schicht kann ein Graben-Ätzen durch reaktives lonentiefätzen umfassen.
Das anisotrope Ätzen kann abschnittsweise durch die gesamte Schichtdicke der ersten Schicht 116 (in z-Richtung) gehen und zumindest teilweise durch die zweite Schicht 118. Bevorzugt kann das anisotrope Ätzen gestoppt werden, wenn eine Oberfläche der zweiten Schicht 118 freigelegt ist, ohne dass Reste der ersten Schicht 116 auf der freigelegten Oberfläche der zweiten Schicht 118 verbleiben. Durch das anisotrope Ätzen kann so die dargestellte erste Vertiefung 120 entstehen.
Die Vertiefung 120 weist eine Grundform auf, die der ersten selektiv bearbeitbaren Fläche 114 (im Wesentlichen) entspricht.
Schnitt 14 zeigt die Halbleiterscheibe 100 ohne die Maskierungsschicht 112 und mit einem in die Vertiefung 120 eingebrachten Material 122.
Die erste Maskierungsschicht 112 kann beispielsweise, wenn die Maskierungsschicht einen Fotolack umfasst, mittels Remover (bspw. Aceton, 1-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Dimethylsulfoxid (DMSO) etc.), Strippen oder Veraschung (O₂-Veraschung) entfernt werden.
Das eingebrachte Material 122 und die zweite Schicht 118 können beide ein Oxidmaterial (Oxidschichtmaterial) umfassen.
Das eingebrachte Material 122 kann mittels Grabenisolation (Deep Trench Isolation) in die zweite Schicht 118 eingebracht werden (thermische Oxidation und Füllung des Grabens mit CVD-Oxid).
Nach dem Einbringen des Materials 122 kann ein Polier-Schritt (chemisch-mechanische Polieren) folgen.
Schnitt 15 zeigt die Halbleiterscheibe 100 mit der zusätzlich aufgebrachten Membranschicht 124.
Die Membranschicht 124 kann flächig aufgebracht sein.
Die Membranschicht kann Aluminiumnitrid (AIN) umfassen, insbesondere kann die Membranschicht aus Aluminiumnitrid bestehen.
Die Membranschicht kann mittels physikalischer Abscheideverfahren (PVD), Sputtern oder durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) aufgebracht sein.
2 zeigt die Fertigstellung des Membran-Bauelements aus dem vorstrukturierten SOI Wafer mit durchgängig aufgebrachter Membranschicht 124 in verschiedenen Stadien der Herstellung, jeweils gezeigt in geschnittener Ansicht.
Schnitt 15 aus 1 ist zum vereinfachten Verständnis des Herstellungsprozesses noch einmal abgebildet und bildet den Anknüpfungspunkt für die folgenden Verfahrensschritte.
Schnitt 16 zeigt die vorstruktierte Halbleiterscheibe 100 mit einer vierten Schicht 152, die abschnittsweise auf die erste Schicht 116, auf die dritte Schicht 126 und Seitenwände einer Vertiefung in der dritten Schicht 126 und der zweiten Schicht 118 aufgebracht ist.
Die Vertiefung in der dritten Schicht 126 und der zweiten Schicht 118 kann durch ein anisotropes Ätzen der dritten Schicht 126 und der zweiten Schicht 118 hergestellt sein. Das anisotrope Ätzen der dritten und zweiten Schicht kann selektiv erfolgen, insbesondere kann durch ein vorheriges Maskieren bzw. Aufbringen einer zweiten Maskierungsschicht mit einer Ausnehmung, die eine zweite selektiv bearbeitbare Fläche definiert, auf die dritte Schicht 126, die Geometrie der Vertiefung bestimmt werden.
Das anisotrope Ätzen kann auf der ersten Schicht 116 stoppen. Insbesondere kann das anisotrope Ätzen der dritten Schicht 126 gestoppt werden, wenn eine Oberfläche der ersten Schicht (komplett) freigelegt ist, ohne dass Reste der zweiten Schicht 118 auf der ersten Schicht 116 verbleiben. Anschließend kann die vierte Schicht 152 aufgebracht werden.
Die vierte Schicht 152 kann eine Oxidschicht umfassen, insbesondere kann die vierte Schicht 152 eine Oxidschicht sein.
Die vierte Schicht 152 kann eine Passivierungsschicht umfassen, insbesondere kann die vierte Schicht 152 eine Passivierungsschicht sein.
Eine Kavität 146 ist durch Seitenwände der vierten Schicht 152 gebildet (eingeschlossen).
Die Kavität 146 kann eine kreisförmige Grundfläche aufweisen.
Schnitt 17 zeigt die Halbleiterscheibe 100 nach einem weiteren anisotropen Ätzschritt (in z-Richtung) der vierten Schicht 152, so dass die Kavität 142 entsteht (als Vertiefung der Kavität 148). Ausschließlich der Bereich der vierten Schicht 152 ist geätzt (entfernt), der die erste Schicht 118 kontaktiert hat, wodurch eine Oberfläche der ersten Schicht 116 freigelegt ist.
Schnitt 18 zeigt die Halbleiterscheibe 100 (bzw. das Membran-Bauelement 190) mit teilweiser entfernter erster Schicht 116.
Ein Abschnitt der ersten Schicht 116, der von der Membranschicht 124 und von dem eingebrachten Material 122 umschlossen ist, kann mittels eines isotropen Ätzschrittes entfernt werden. Das isotrope Ätzen kann durch die Membranschicht 124 und durch das eingebrachte Material 122 gestoppt werden, so dass eine Vertiefung 142 entsteht, die sich bis unter die Membranschicht 124 und bis an eine Seitenwand 144 (Seitenwände) des eingebrachten Materials erstreckt und damit beidseitig die Membranschicht 124 freilegt.
Der beidseitig freigelegte Abschnitt der Membranschicht 124 bildet eine Membran M₁.
3 zeigt eine Herstellung eines Membran-Bauelements 190' aus einem vorstrukturierten SOI Wafer mit unterbrochen aufgebrachter Membranschicht 124' in verschiedenen Stadien der Herstellung, jeweils gezeigt in geschnittener Ansicht.
Schnitt 15' bis 18' entsprechen in ihrer Darstellung im Wesentlichen den Schnittdarstellungen 15 bis 18 aus 2, mit dem Unterschied, dass die Membranschicht 124' eine Ausnehmung 150 aufweist.
Die Membran M₁' kann eine Vielzahl an Ausnehmungen aufweisen, insbesondere perforiert sein.
Ein isotropes Ätzen der Halbleiterscheibe 100 zum Entfernen eines Teils der ersten Schicht 116, so wie in 18' dargestellt, kann durch die Ausnehmung 150 erfolgen (vorderseitig).
4 zeigt einer Vorstrukturierung der Halbleiterscheibe 200 mittels Schichtmodifikation (lokaler Oxidation) in verschiedenen Stadien der Vorstrukturierung der Halbleiterscheibe 200 und eine Aufbringung einer durchgängigen Membranschicht 224, jeweils gezeigt in geschnittener Ansicht, für die Herstellung eines Membran-Bauelements 290.
Schnitt 41 zeigt die Halbleiterscheibe 200. Die Halbleiterscheibe 200 umfasst eine erste Schicht 216, eine zweite Schicht 218 und eine dritte (Träger-)Schicht 226 (Silicium-Wafer). Die dritte Schicht 226 weist eine Schichtdicke d₈ auf.
Die erste Schicht 216 kann eine Siliziumschicht umfassen, insbesondere kann die erste Schicht 216 eine Siliziumnitridschicht sein.
Die zweite Schicht 218 kann eine Oxidschicht umfassen, insbesondere kann die zweite Schicht 218 eine Siliziumdioxidschicht sein.
Schnitt 42 zeigt die Halbleiterscheibe 200 mit einer ersten Maskierungsschicht 212. Die erste Maskierungsschicht weist eine Ausnehmung auf. Durch die Ausnehmung in der ersten Maskierungsschicht 212 ist auf der ersten Schicht 216 eine erste selektiv bearbeitbare Fläche 214 definiert.
Die erste Maskierungsschicht 212 kann mittels fotolithografischer Verfahren hergestellt sein und als Ätzmaske dienen. Die Maskierungsschicht 212 kann einen Fotolack umfassen.
Die erste selektiv bearbeitbare Fläche 214 kann insbesondere eine Geometrie einer noch herzustellenden Membran M₂ definieren.
Schnitt 43 zeigt die Halbleiterscheibe 200 mit entfernter Maskierungsschicht 212 und teilweiser entfernter erster und zweiter Schicht 216,218.
Das teilweise bzw. selektive Entfernen der ersten und der zweiten Schicht 216, 218 kann mittels reaktiven lonen(tief)ätzen erfolgen.
Das anisotrope Ätzen kann durch die gesamte erste Schicht 216 (in z-Richtung) und die zweite Schicht 218 gehen. Insbesondere kann das anisotrope Ätzen gestoppt werden, wenn eine Oberfläche der dritten Schicht 226 freigelegt ist, ohne dass Reste der zweiten Schicht 218 auf der freigelegten Oberfläche der dritten Schicht 226 verbleiben.
Durch das teilweise Entfernen der ersten und der zweiten Schicht 216,218 entsteht die Vertiefung 220.
Schnitt 44 zeigt die Halbleiterscheibe 200 mit einer Schichtmodifikation 222.
Die Schichtmodifikation 222 kann mittels lokaler thermischer Oxidation von Silizium hergestellt sein.
Die Oxidation kann zudem das Aufwachsen von SiO₂ auf Silizium umfassen.
Die Schichtmodifikation 222 erstreckt sich in eine Tiefe d₇ der dritten Schicht 226.
Die Tiefe d₇ kann kleiner seine als eine Schichtdicke d₈ der dritten Schicht 226. Die Tiefe d₇ der Schichtmodifikation 222 kann wesentlich kleiner sein als die Schichtdicke d₈ der dritten Schicht 226, bevorzugt beträgt ein Verhältnis der Tiefe d₇ zu der Schichtdicke d₈ zwischen 1:5 und 1:150, noch bevorzugter 1:100.
Schnitt 45 zeigt die Halbleiterscheibe 200 mit komplett entfernter erster und zweiter Schicht 216,218. Es verbleibt die dritte Schicht 226 mit eingebetteter Schichtmodifikation 222.
Die erste Schicht 216 kann mittels nasschemischen Ätzen entfernt werden.
Die erste und/oder die zweite Schicht 216,218 kann mittels Polieren, insbesondere mittels chemisch-mechanischem Polieren, entfernt werden.
Das Polieren kann bis zu der dritten Schicht erfolgen. Insbesondere kann das Polieren gestoppt werden, wenn auf der dritten Schicht 226 keine Reste der zweiten Schicht 218 verbleiben.
In Schnitt 46 ist die Halbleiterscheibe mit einer aufgebrachten Membranschicht 224 da rgestellt.
Die Membranschicht kann flächig aufgebracht sein.
Die Membranschicht kann mittels Sputtern aufgebracht sein.
Die Membranschicht kann eine Dünnschicht sein. Insbesondere kann die Membran kleiner als 1,0 µm sein.
Die Membranschicht kann Aluminiumnitrid (AIN) umfassen, insbesondere kann die Membranschicht aus AIN bestehen.
5 zeigt fortgeführt die Herstellung des Membran-Bauelements aus dem mittels lokaler Schichtmodifikation vorstrukturierten Silicium-Wafer mit durchgängig aufgebrachter Membranschicht 224 in verschiedenen Stadien der Membran-Bauelement-Herstellung, jeweils gezeigt in geschnittener Ansicht. Zum besseren Verständnis ist Schnitt 46 in 5 noch einmal abgebildet.
Schnitt 47 zeigt die Halbleiterscheibe 200 mit teilweiser entfernter dritter Schicht 226.
Das teilweise Entfernen der dritten Schicht kann ein vorheriges Maskieren der dritten Schicht 226 mit einer zweiten Maskierungsschicht umfassen, die eine zweite selektiv bearbeitbare Fläche auf der dritten Schicht 226 definiert.
Die zweite Maskierungsschicht kann mittels fotolithografischer Verfahren hergestellt sein. Die Maskierungsschicht kann einen Fotolack umfassen.
Die zweite selektiv bearbeitbare Fläche kann sich durch zumindest eine Ausnehmung in der zweiten Maskierungsschicht ergeben.
Die zweite selektiv bearbeitbare Fläche kann eine Geometrie einer herzustellenden Vertiefung festlegen.
Das teilweise Entfernen der dritten Schicht kann mittels anisotropen Ätzen (reaktivem lonentiefätzen) hergestellt sein, so dass sich eine Vertiefung 248 in der dritten Schicht 226 ergibt.
Das anisotrope Ätzen kann auf der Schichtmodifikation 222 stoppen. Insbesondere kann das anisotrope Ätzen gestoppt werden, wenn eine Oberfläche der Schichtmodifikation freigelegt ist ohne dass Reste der dritten Schicht 226 auf der Schichtmodifikation 222 verbleiben.
Eine Grundform der Vertiefung 248 kann (im Wesentlichen) der zweiten selektiv bearbeitbaren Fläche entsprechen, die durch die zweite Maskierungsschicht definiert ist.
Schnitt 47 zeigt die Halbleiterscheibe 200 (bzw. Membran-Bauelement 290) mit entfernter Schichtmodifikation 222, so dass ein Teil der Membranschicht 224 beidseitig freigelegt ist. Der beidseitig freigelegte Bereich der Membranschicht 224 bildet die Membran M₂.
Das Entfernen der Schichtmodifikation 222 kann mittels eines isotropen Ätzschrittes erfolgen.
Das isotrope Ätzen kann insbesondere an der Membranschicht 224 und der dritten Schicht 226 stoppen, so dass eine Vertiefung 242 entsteht, die sich bis unter die Membranschicht 224 erstreckt und eine Seitenwand 244 (Seitenwände) der dritten Schicht 226 freilegt.
6 zeigt eine Herstellung eines Membran-Bauelements 290' aus einem mittels lokaler Oxidation vorstrukturierten Silicium-Wafers mit unterbrochen aufgebrachter Membranschicht 224' in verschiedenen Stadien der Herstellung, jeweils gezeigt in geschnittener Ansicht.
Schnitt 46' bis 48' entsprechen in ihrer Darstellung im Wesentlichen den Schnittdarstellungen 46 bis 48, mit dem Unterschied, dass die Membranschicht 224' eine Ausnehmung 250 aufweist.
Die Membranschicht 224' kann eine Vielzahl an Ausnehmungen aufweisen, insbesondere perforiert sein.
Ein Entfernen der Schichtmodifikation 222 durch isotropes Ätzen kann durch die Ausnehmung 250 erfolgen (vorderseitig).
7 zeigt verschiedene Membrangeometrien von Membran-Bauelementen 390,490,590,690 in Draufsichten. Die dunkelgrau gefärbten Flächen entsprechen jeweils einer Membranschicht 324,424,524,624. Zur besseren Darstellung der Geometrien wurde darauf verzichtet die sich eigentlich unter den Membranschichten 324,424,524,624 befindlichen Strukturkanten gestrichelt darzustellen. Dafür ist eine Schnittansicht A-A eines der in 7 dargestellten Membran-Bauelemente (Membran-Bauelement 390) abgebildet.
Die Schnittansicht A-A zeigt das Membran-Bauelement 390 in geschnittener Ansicht. Das Membran-Bauelement umfasst eine Membranschicht 324 mit einer Membran, eine von einer ersten Schicht umschlossenes Material 344 mit einer freigelegten Seitenwand 344 und eine Kavität 342.
In der Draufsicht ist erkennbar, dass die Kavität 342 eine runde Grundform aufweist.
Die Kavität 342 kann eine andersförmige Grundform aufweisen, beispielsweise kann die Kavität eine rechteckige, vieleckige oder unrunde Grundform aufweisen.
Das eingebrachte Material 324 weist eine kreisringförmige Grundform auf.
Durch das eingebrachte Material 322 kann eine Geometrie einer Membran in der Membranschicht 324 definiert sein, da das eingebrachte Material 322 (und die Membranschicht 322 selbst) bei einem Schritt zur Freilegung der Membran (vgl. 2 und 3, Schnitt 18 bzw. 18') einen isotropen Ätzvorgang stoppen kann.
Die dargestellten Membran-Bauelemente 390,490,590,690 sind gleich zueinander mit Ausnahme der Geometrien der Membrane.
Hierbei bezeichnet 442,542 und 642 gleich zu 342 eine (kreisförmige) Kavität des jeweiligen Membran-Bauelements und 422,522 und 622 gleich zu 322 von einer ersten Schicht des jeweiligen Membran-Bauelements umschlossenes Material. Das umschlossene Material 422,522,622 gleich zu 322 weist eine freigelegte Seitenwand 444,544,644 auf.
Das Membran-Bauelement 490 weist eine Membran mit einer sechseckigen Grundform auf.
Das Membran-Bauelement 590 weist eine Membran mit einer viereckigen Grundform auf. Insbesondere können Ecken der Membran abgerundet bzw. verrundet sein.
Das Membran-Bauelement 690 weist eine Membran mit einer sägezahnförmigen bzw. sternförmigen Grundform auf.
Koordinaten einer durch eine Oberfläche des Membran-Bauelements 390,490,590,690 aufgespannten Ebene können durch ein x-y-Koordinatensystem eindeutig definiert werden.
8 zeigt das Membran-Bauelement 190 in geschnittener Ansicht mit einem Detailauszug des Membran-Bauelements 190.
Der Detailauszug zeigt einen Abschnitt des eingebrachten Materials 122, der ersten Schicht 116, der Membranschicht 124 und der Membran M₁.
Zwischen der Membranschicht 124 bzw. der Membran M₁ und einer (freigelegten) Seitenwand 144 des umschlossenen Materials 144 ist ein Winkel α₁ eingeschlossen.
Der Winkel α₁ kann im Wesentlichen 90,0° betragen. Der Winkel α₁ kann zwischen 88,0° und 92,0° betragen, insbesondere zwischen 89,0° und 91,0°.
Der Winkel α₁ kann sich aufgrund verfahrenstechnischer Abweichungen ergeben. Durch den Winkel α₁ kann in eine Tiefe (in z-Richtung von der Membranschicht ausgehend) der Halbleiterscheibe 100 eine Abweichung d₁₀ in einer Geometrie des eingebrachten Materials 122 zu der vorherig durch die erste Maskierungsschicht 112 festgelegten selektiv bearbeitbaren Fläche 114 entstehen.
Die Abweichung d₁₀ kann kleiner sein als 20,0 µm, bevorzugt kleiner als 10,0 µm, noch bevorzugter kleiner als 1,0 µm sein.
9 zeigt das Membran-Bauelement 290 in geschnittener Ansicht mit einem Detailauszug des Membran-Bauelements 290.
Die Kavität 242 umfasst einen ersten Abschnitt 260 und einen zweiten Abschnitt 264. Der erste Abschnitt 260 weist eine erste laterale Abmessung S_A1 auf. Der zweite Abschnitt 264 weist eine zweite laterale Abmessung S_A2 auf.
Die erste und/oder die zweite laterale Abmessung S_A1,S_A2 können jeweils einen Durchmesser eines Kreises beschreiben.
Die zweite laterale Abmessung S_A2 kann ungleich zu der ersten lateralen Abmessung S_A1 sein, insbesondere kann die zweite laterale Abmessung S_A2 50 % kleiner als die erste laterale Abmessung S_A1 sein, bevorzugt 30 %, noch bevorzugter 10 %.
Der Detailauszug zeigt abschnittsweise die dritte Schicht 226, die Membranschicht 224 und die Membran M₂.
Zwischen der Membranschicht 224 bzw. der Membran M₂ und der Seitenwand 244 der dritten Schicht 226 ist ein Winkel α₃ eingeschlossen.
Der Winkel α₃ kann im Wesentlichen 90,0° betragen. Der Winkel α₃ kann zwischen 88,0° und 92,0° betragen, insbesondere zwischen 89,0° und 91,0°.
Auch der Winkel α₃ kann sich aufgrund verfahrenstechnischer Abweichungen ergeben. Durch den Winkel α₃ ergibt sich in eine Tiefe (in z-Richtung von der Membranschicht 224 ausgehend) der Halbleiterscheibe 200 eine (Geometrie-)Abweichung d₁₁ (im Vergleich zu einer lateralen Abmessung, die durch die selektiv bearbeitbaren Fläche vorgegeben gewesen ist).
Die Abweichung d₁₁ kann kleiner sein als 20,0 µm, bevorzugt kleiner als 10,0 µm, noch bevorzugter kleiner als 1,0 µm sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

FR 2859281 B1 [0006]
EP 21322547 B1 [0007]
WO 2016/130123 A1 [0008]
EP 3557212 A1 [0009]
US 7487681 B1 [0010]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Membran-Bauelements (190) mit einer Membran (M₁), das Verfahren umfassend: Bereitstellen einer Halbleiterscheibe (100) mit einer ersten Schicht (116), einer zweiten Schicht (118) und einer dritten Schicht (126); Aufbringen (12) einer ersten Maskierungsschicht (112) auf die erste Schicht (116), wobei die erste Maskierungsschicht (112) eine erste selektiv bearbeitbare Fläche (114) zur Festlegung einer Geometrie der Membran (M₁) definiert; Bilden (13) einer ersten Vertiefung (120) durch anisotropes Ätzen (13) der ersten Schicht (116); Entfernen der ersten Maskierungsschicht (112); Einbringen (14) eines Materials (122) in die erste Vertiefung (120); Aufbringen (15) einer Membranschicht (124) auf die erste Schicht (116) mit dem eingebrachten Material (122); Aufbringen einer zweiten Maskierungsschicht, die eine zweite selektiv bearbeitbare Fläche definiert, auf die dritte Schicht (126); Bilden einer zweiten Vertiefung durch anisotropes Ätzen der dritten Schicht (126) und der zweiten Schicht (118) bis zu der ersten Schicht (116); Entfernen der zweiten Maskierungsschicht; und isotropes Ätzen (18) der ersten Schicht (116), wobei das isotrope Ätzen durch die Membranschicht (124) und durch das eingebrachte Material (122) begrenzt ist, so dass die Membran (M₁) freigelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren weiterhin umfasst: nach dem Entfernen der zweiten Maskierungsschicht, Aufbringen (16) einer vierten Schicht (152) auf die dritte Schicht (126), auf die erste Schicht (116) und auf zumindest eine Seitenwand der durch das anisotrope Ätzen der dritten (126) und der zweiten Schicht (118) entstandenen zweiten Vertiefung; und anisotropes Ätzen (17) eines Bereichs der vierten Schicht (152), wobei der Bereich der vierten Schicht (152) die erste Schicht (116) kontaktiert, bis zu der ersten Schicht (116).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren weiterhin umfasst: Polieren, insbesondere chemisch-mechanisches Polieren, der ersten Schicht (116) mit dem eingebrachten Material (122) vor dem Auftragen (15) der Membranschicht (124).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Schicht (116) ein anderes Material umfasst als die zweite Schicht (118).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Schicht (116) eine Siliziumschicht und die zweite Schicht (118) eine Oxidschicht umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Halbleiterscheibe (100) einen Silicon-on-Insulator Wafer umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Schicht (118) eine erste Schichtdicke (d₁) aufweist, die kleiner ist als eine vierte Dicke (d₄), die sich aus der Summation einer zweiten Schichtdicke (d₂) der zweiten Schicht (118) und einer dritten Schichtdicke (d₃) der dritten Schicht (126) ergibt, insbesondere beträgt ein Verhältnis der ersten Schichtdicke (d₁) zu der vierten Dicke (d₄) zwischen 1:10 und 1:200, bevorzugt zwischen 1:50 und 1:150, noch bevorzugter 1:100.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die vierte Schicht (152) eine Passivierungsschicht umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste und/oder die zweite Maskierungsschicht einen Fotolack umfassen, insbesondere sind die erste und/oder die zweite Maskierungsschicht mittels Fotolithografie hergestellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das eingebrachte Material (122) und die zweite Schicht (118) ein gleiches Material umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Membran (M₁) eine kreisförmige, eine rechteckige, eine vieleckige oder eine unrunde Grundform aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Membran (M₁) zumindest eine Ausnehmung (150) aufweist, insbesondere perforiert ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das isotrope Ätzen durch die zumindest eine Ausnehmung (150) der Membran (M₁) erfolgt.
Membran-Bauelement (190), das Bauelement umfassend: eine Membranschicht (124) mit einer Membran (M₁); eine erste Schicht (116) mit einer ersten Schichtdicke (d₁), wobei ein Material (122) durch die erste Schicht (116) zumindest teilweise umschlossen ist, wobei durch das Material (122) eine Geometrie der Membran (M₁) festlegt ist; eine zweite Schicht (118) mit einer zweiten Schichtdicke (d₂); eine dritte Schicht (126) mit einer dritten Schichtdicke (d₃); und wobei die erste Schichtdicke (d₁) kleiner ist als eine vierte Dicke (d₄), die sich aus der Summation der zweiten Schichtdicke (d₂) der zweiten Schicht (118) und der dritten Schichtdicke (d₃) der dritten Schicht (126) ergibt.
Bauelement (190) nach Anspruch 14, wobei ein Verhältnis der ersten Schichtdicke (d₁) zu der vierten Dicke (d₄) zwischen 1:10 und 1:200 beträgt, bevorzugt zwischen 1:50 und 1:150, noch bevorzugter 1:100.
Bauelement (190) nach Anspruch 14 oder 15, wobei ein zwischen der Membran (M₁) und einer Seitenwand (144) des umschlossenen Materials (122) eingeschlossener Winkel (α₁) zwischen 88,0° und 92,0° beträgt, insbesondere zwischen 89,0° und 91,0°.
Bauelement (190) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Membran (M₁) eine kreisförmige, eine rechteckige, eine vieleckige oder eine unrunde Grundform aufweist.
Bauelement (190) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Membran (M₁) zumindest eine Ausnehmung (150) aufweist, insbesondere perforiert ist.
Verfahren zur Herstellung eines Membran-Bauelements (190) mit einer Membran (M₂), das Verfahren umfassend: Bereitstellen einer Halbleiterscheibe (200) mit einer ersten Schicht (216), einer zweiten Schicht (218) und einer dritten Schicht (226); Aufbringen (42) einer ersten Maskierungsschicht (212) auf die erste Schicht (216), wobei die erste Maskierungsschicht (212) eine erste selektiv bearbeitbare Fläche (214) zur Festlegung einer Geometrie der Membran (M₂) definiert; anisotropes Ätzen der ersten Schicht (216) und der zweiten Schicht (218) bis zu der dritten Schicht (226); Entfernen (43) der ersten Maskierungsschicht (212); zumindest teilweises Modifizieren (44) der dritten Schicht (226), so dass eine Schichtmodifikation (222) sich in eine Tiefe (d₇) der dritten Schicht (226) erstreckt; Entfernen (45) der ersten Schicht (216); Entfernen (45) der zweiten Schicht (218); Aufbringen (46) einer Membranschicht (224) auf die dritte Schicht (226) mit der Schichtmodifikation (222); Aufbringen einer zweiten Maskierungsschicht, die eine zweite selektiv bearbeitbare Fläche definiert, auf die dritte Schicht (226); anisotropes Ätzen (47) der dritten Schicht (226) bis zu der Schichtmodifikation (222); isotropes Ätzen (48) der Schichtmodifikation (222), wobei das isotrope Ätzen durch die Membranschicht (224) und durch die dritte Schicht (226) begrenzt ist, so dass die Membran (M₂) freigelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Entfernen (45) der ersten und/oder der zweiten Schicht (216,218) chemisch-mechanisches Polieren umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Halbleiterscheibe (200) einen Silicium-Wafer umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei das Entfernen der ersten Schicht (216) nasschemisches Ätzen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei die Tiefe (d₇) der Schichtmodifikation (222) kleiner ist als eine Schichtdicke (d₈) der dritten Schicht (226), insbesondere beträgt ein Verhältnis der Tiefe (d₇) der Schichtmodifikation (222) zu der Schichtdicke (d₈) der dritten Schicht zwischen 1:5 und 1:150, bevorzugt 1:100.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei die Membran (M₂) zumindest eine Ausnehmung (250) aufweist, insbesondere perforiert ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das isotrope Ätzen durch die zumindest eine Ausnehmung (250) der Membran (M₂) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, wobei die erste und/oder die zweite Maskierungsschicht Fotolack umfassen, insbesondere sind die erste und/oder die zweite Maskierungsschicht mittels Fotolithografie hergestellt.
Membran-Bauelement (290), das Bauelement umfassend: eine Membranschicht (224) mit einer Membran (M₂); eine Trägerschicht (226) mit einer Kavität (242), wobei die Kavität (242) einen ersten Abschnitt (260) und einen zweiten Abschnitt (264) aufweist; wobei der erste Abschnitt (260) der Kavität (242) eine erste Tiefe (d₇) aufweist, wobei der erste Abschnitt (260) eine Geometrie der Membran (M₂) festlegt; der zweite Abschnitt (264) der Kavität (242) eine zweite Tiefe (d₈) aufweist; und die erste Tiefe (d₇) kleiner ist als die zweite Tiefe (d₉).
Bauelement (290) nach Anspruch 27, wobei ein Verhältnis der ersten Tiefe (d₇) zu der zweiten Tiefe (d₈) zwischen 1:5 und 1:150 beträgt, bevorzugt 1:100.
Bauelement (290) nach Anspruch 27 oder 28, wobei ein zwischen der Membran (M₂) und einer Seitenwand (244) des ersten Abschnitts (260) der Kavität (242) eingeschlossener Winkel (α₃) zwischen 88,0° und 92,0° beträgt, insbesondere zwischen 89,0° und 91,0°.
Bauelement (290) nach einem der Ansprüche 27 bis 29, wobei die Membran (M₂) eine kreisförmige, eine rechteckige, eine vieleckige oder eine unrunde Grundform aufweist.
Bauelement (290) nach einem der Ansprüche 27 bis 30, wobei die Membran (M₂) zumindest eine Ausnehmung (250) aufweist, insbesondere perforiert ist.
Bauelement (290) nach einem der Ansprüche 27 bis 31, wobei der erste Abschnitt (260) eine erste laterale Abmessung (S_A1) und der zweite Abschnitt (264) eine zweite laterale Abmessung (S_A2) aufweist und die erste laterale Abmessung (S_A1) ungleich zu der zweiten lateralen Abmessung (S_A2) ist.