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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Struktur und ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur.
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Mikromechanische Strukturen, insbesondere mikroelektromechanische Elemente (MEMS), werden als Aktoren und Sensoren in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Für verschiedene Anwendungen, wie beispielsweise Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Drucksensoren, MEMS-Mikrospiegel oder optischen MEMS-Schalter, sind dabei bewegliche MEMS-Strukturen von Interesse, die mechanisch verbundene aber elektrisch zueinander isolierte Bereiche aufweisen.
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Es sind unterschiedliche Verfahren zur Herstellung von derartigen beweglichen MEMS-Strukturen bekannt. Derartige Ansätze weisen häufig eine vertikale Trennstruktur auf, was zu Problemen bei den Herstellungsprozessen führen kann.
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Die in den vertikalen Trenngraben gefüllte Isolationsschicht muss relativ zum Trenngraben bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren sehr exakt entfernt werden. Verbleiben Überstände der Isolationsschicht am Rand des Trenngrabens, kann unter den Überständen die Siliziumfunktionsschicht nicht entfernt werden und es entsteht ein unerwünschter Kurzschluss zwischen den beiden getrennten Bereichen.
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Bei der Ätzung der Siliziumfunktionsschicht muss darüber hinaus bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren an der Kante des Grabens an der Isolationsschichtfüllung entlang das Silizium vollständig und zuverlässig über die gesamte Höhe der Funktionsschicht entfernt werden, da sonst ebenfalls nicht gewünschte Kurzschlüsse entstehen.
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In der Praxis kann dies zu einer erhöhten Fehleranfälligkeit und ggf. gesteigerten Kosten führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente, stabile und/oder kostengünstige mikromechanische Struktur bereitzustellen, wobei die mikromechanische Struktur eine bewegliche Masse mit einem ersten Bereich und einem von dem ersten Bereich elektrisch isolierten zweiten Bereich aufweist. Ferner ist es eine Aufgabe, ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer solchen mikromechanischen Struktur bereitzustellen.
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Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur, insbesondere mikroelektromechanische Struktur, gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein stabiles bewegliches Element kosteneffizient und mit verringerter Fehleranfälligkeit bezüglich seines Herstellungsprozesses bereitgestellt werden kann. Die bewegliche Masse kann in vorteilhafter Weise einen ersten und einen zweiten Bereich aufweisen, die mechanisch stabil miteinander verbunden sind, jedoch elektrisch voneinander getrennt sind, d.h. insbesondere mit unterschiedlichen Potentialen beaufschlagt werden können. Diese elektrische Trennung kann mithilfe des ersten Grabens und/oder des zweiten Grabens erreicht werden. In vorteilhafter Weise ist es möglich, dass der erste Graben in der ersten Funktionsschicht in sich geschlossen ist und den in der ersten Funktionsschicht ausgebildeten Teil des ersten Bereichs vollumfänglich und insbesondere lückenlos umläuft. Entsprechend ist es denkbar, dass der zweite Graben in der zweiten Funktionsschicht in sich geschlossen ist und den in der zweiten Funktionsschicht ausgebildeten Teil des ersten Bereichs vollumfänglich und insbesondere lückenlos umläuft. Dadurch kann vorteilhaft vermieden werden, dass an vertikalen Kanten der Trennungsgräben an der Isolationsschichtsfüllung (beispielswiese einer SiRiN-Füllung) entlang des Funktionsschichtsmaterials (insbesondere Silizium) vollständig und mit hoher Präzision über die gesamte Höhe der Funktionsschichten entfernt werden muss. Eine solche Entfernung würde die Fehleranfälligkeit erhöhen, da eine unvollständige Entfernung zu Kurzschlüssen zwischen dem ersten und zweiten Bereich führen kann. Durch die geschlossene Ausbildung des ersten und/oder zweiten Grabens können solche Kurzschlussprobleme vermieden werden.
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Bevorzugt sind sowohl der erste Graben als auch der zweite Graben jeweils in sich geschlossen, umlaufen also vollumfänglich den ersten Bereich der beweglichen Masse innerhalb ihrer jeweiligen Funktionsschicht, sodass keine derartige, fehleranfällige Ätzung an vertikalen Grabenkanten einer Isolationsschichtsfüllung nötig ist.
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Ferner ist die erfindungsgemäße Struktur kostengünstig herstellbar und kann eine hohe Bruchfestigkeit aufweisen. Die Prozessschritte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur können vergleichsweise unkompliziert implementiert werden, was eine kosteneffiziente Prozessentwicklung und gleichzeitig einen robusten Herstellungsprozess ermöglicht. Es ist besonders vorteilhaft, dass die erfindungsgemäße Herstellung der beweglichen Masse einfach in bekannte Herstellungsverfahren integrierbar ist und eine vorteilhafte Kompatibilität mit Prozessen zur Ausbildung von MEMS-Sensoren und/oder -Aktoren aufweist.
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Es ist erfindungsgemäß besonders vorteilhaft möglich, dass keine Ätzschritte vorhanden sein müssen, bei denen Funktionsschichtmaterial an vertikalen Kanten entlang einer SiRiN-Füllung entfernt werden muss, insbesondere da der erste und/oder zweite Graben jeweils in sich geschlossen sind. Besonders vorteilhaft ist es erfindungsgemäß möglich, dass sich bei einer Skalierung der vertikalen Grabenbreiten, insbesondere des ersten und/oder zweiten Grabens, oder bei einer Veränderung der Schichtdicke der Isolationsschicht, die Anforderungen an die Lithographie nicht ändern.
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Erfindungsgemäß ist es denkbar, dass die mikromechanische Struktur einen Beschleunigungssensor, Drehratensensor, Drucksensoren, Mikrospiegel, optischen Schalter und/oder einen anderen MEMS-Sensor oder -Aktor aufweist.
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Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, die erste und zweite Funktionsschicht als gemeinsame Funktionsschicht zu verstehen, mit der das bewegliche Element gebildet wird. Im Innenbereich (bzw. ersten Bereich) und im Außenbereich (bzw. zweiten Bereich) sind die beiden Funktionsschichten vorzugsweise überwiegend direkt miteinander verbunden und werden dort vorzugsweise durch einen gemeinsamen Ätzprozess strukturiert.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Dadurch, dass sich der erste Graben in eine senkrechte Richtung, senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats, vollumfänglich über die gesamte Dicke der ersten Funktionsschicht erstreckt, wobei sich der zweite Graben in die senkrechte Richtung, senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats, vollumfänglich über die gesamte Dicke der zweiten Funktionsschicht erstreckt, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, eine vollständige elektrische Potentialtrennung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich der beweglichen Masse durch den ersten und zweiten Graben zu erreichen.
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Dadurch, dass der erste Bereich ein Innenbereich ist und der zweite Bereich ein den Innenbereich parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats umgebender Außenbereich ist, wobei der Außenbereich den Innenbereich insbesondere vollumfänglich oder teilweise umgibt, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, dass der zweite Bereich ein den ersten Bereich umgebender äußerer Bereich ist. In vorteilhafter Weise umschließt zumindest der erste Graben (und vorzugsweise der zweite Graben) somit eine Fläche, in deren Innenbereich ein erster Bereich vorliegt, der von einem äußeren zweiten Bereich elektrisch isoliert ist. Der Außenbereich und der Innenbereich sind bevorzugt mithilfe des ersten und zweiten Grabens, die den ersten Bereich jeweils vollumfänglich umschließen, elektrisch voneinander getrennt.
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Dadurch, dass in einem Verbindungsbereich zur mechanischen Verbindung des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs zumindest teilweise eine Isolationsschicht zwischen der ersten Funktionsschicht und der zweiten Funktionsschicht angeordnet ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise möglich, eine stabile mechanische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Bereich auszubilden, die dennoch eine elektrische Potentialtrennung des ersten und zweiten Bereichs ermöglicht. Der Verbindungsbereich ist vorzugsweise ein Bereich am äußeren Rand des ersten Bereichs, in dem sich die erste Funktionsschicht und die zweite Funktionsschicht vertikal voneinander beabstandet überlappen. In diesem Überlappbereich (bzw. Verbindungsbereich) ist die Isolationsschicht vorzugsweise derart angeordnet, dass eine feste, stabile Verbindung des ersten und zweiten Bereichs gegeben ist. Über die Fläche, in der die Isolationsschicht zwischen der ersten und zweiten Funktionsschicht in diesem Verbindungsbreich ausgebildet ist, (sowie ggf. über die stoffabhängige Dielektrizitätszahl der Isolationsschicht) kann die Kapazität zwischen dem ersten und zweiten Bereich eingestellt und gewählt werden. Die mechanische Verbindung zwischen dem inneren ersten Bereich und dem äußeren zweiten Bereich erfolgt somit mindestens durch eine Isolationsschicht, die, insbesondere lokal, zwischen der unteren ersten Funktionsschicht und der oberen zweiten Funktionsschicht ausgebildet ist. Es ist denkbar, dass der Verbindungsbereich vollumfänglich um den ersten Bereich ausgebildet ist und dass die Isolationsschicht vollumfänglich in diesem Verbindungsbreich zwischen dem ersten und zweiten Bereich angeordnet ist. Alternativ ist es denkbar, dass die Isolationsschicht nur punktuell bzw. stückweise vorhanden ist.
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Dadurch, dass zur mechanischen Verbindung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich der erste Graben teilweise oder vollständig mit der Isolationsschicht oder einer weiteren Isolationsschicht verfüllt ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise möglich, eine besonders hohe Stabilität zu erreichen.
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Dadurch, dass die bewegliche Masse, insbesondere die erste und die zweite Funktionsschicht, im ersten Bereich über eine Federstruktur mit dem Substrat verbunden ist, wobei über die Federstruktur insbesondere ein elektrisches Potential an den ersten Bereich der beweglichen Masse anlegbar ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, die bewegliche Masse über den ersten Bereich federnd aufzuhängen. Über die Federstruktur kann ferner ein definiertes elektrisches Potential an den ersten Bereich angelegt werden. Die Federstruktur wird bevorzugt mithilfe der beiden Funktionsschichten gebildet und ist besonders bevorzugt am Substrat fixiert. Es ist denkbar, dass der zweite Bereich über eine weitere Federstruktur an dem Substrat und/oder einer weiteren Masse aufgehängt ist. Es ist denkbar, dass über die weitere Feder das elektrische Potential auf dem zweiten Bereich einstellbar ist.
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Dadurch, dass
- -- die erste und die zweite Funktionsschicht elektrisch leitfähige Schichten sind, und/oder
- -- die Isolationsschicht eine siliziumreiche Nitrid (silicon-rich nitride, SiRiN)-Schicht ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, eine besonders vorteilhafte Isolationsschicht zur mechanischen Verbindung des ersten und zweiten Bereichs zu verwenden.
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Dadurch, dass die zweite Funktionsschicht in die senkrechte Richtung, senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats, oberhalb der ersten Funktionsschicht angeordnet ist, insbesondere derart, dass die erste Funktionsschicht zwischen dem Substrat und der zweiten Funktionsschicht angeordnet ist,
wobei die erste Funktionsschicht in die senkrechte Richtung bevorzugt eine größere Dicke aufweist als die zweite Funktionsschicht, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass die zweite Funktionsschicht oberhalb der ersten Funktionsschicht ausgebildet ist und somit weiter vom Substrat entfernt ist. In einer mechanisch besonders robusten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere denkbar, dass die untere erste Funktionsschicht in die senkrechte Richtung, senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats, eine größere Schichtdicke aufweist als die obere zweite Funktionsschicht, wodurch eine vorteilhafte Stabilität erreicht werden kann. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, die erste und zweite Funktionsschicht gleich dick auszuführen oder die zweite Funktionsschicht dicker als die erste Funktionsschicht auszuführen.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, mit der eine besonders geringe elektrische Kapazität zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich ermöglicht wird, ist Folgendes denkbar:
- -- Der erste Graben, also der untere Trenngraben, wird nicht (oder nur teilweise) mit Füllmaterial, insbesondere dem Material der Isolationsschicht, verfüllt. Hierfür wird der erste Graben im Herstellungsprozess vorzugsweise mit einer Opferschicht gefüllt, sodass der erste Graben bei der Aufbringung der Isolationsschicht bereits mit der Opferschicht verfüllt ist und die Isolationsschicht somit nicht im ersten Graben angeordnet wird. Diese Opferschicht im ersten Graben kann dann später ganz oder teilweise entfernt werden.
- -- Die Verbindung der unteren ersten und der oberen zweiten Funktionsschicht, insbesondere durch die Isolationsschicht, erfolgt in den horizontalen Bereichen zwischen den beiden Funktionsschichten nur bereichsweise und/oder punktuell, insbesondere an Bereichen und/oder Punkten, die in Summe eine Fläche von weniger als 10% der Gesamtfläche des inneren ersten Bereichs aufweisen.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur, insbesondere mikroelektromechanischen Struktur, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, insbesondere des Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur, ist es denkbar, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- -- Auf einem Substrat wird mindestens eine erste Opferschicht, insbesondere eine Oxidschicht, abgeschieden. Optional ist es möglich, dass das Substrat auch weitere Opferschichten und/oder vergrabene Elektroden, und/oder Leiterbahnen, und/oder andere MEMS-Funktionsschichten und/oder MEMS-Elemente aufweist.
- -- Bevorzugt werden Kontaktbereiche in die erste Opferschicht geätzt,
- -- Eine erste Funktionsschicht wird abgeschieden und der erste Graben wird in der ersten Funktionsschicht erzeugt, insbesondere durch Trenchen. Es ist denkbar, dass gleichzeitig weitere Gräben erzeugt werden.
- -- Eine Isolationsschicht wird abgeschieden und vorzugsweise strukturiert. Insbesondere erfolgt die Abscheidung/Strukturierung derart, dass die Isolationsschicht zumindest teilweise in einem Verbindungsbereich zur mechanischen Verbindung des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs angeordnet wird. Die Isolationsschicht ist insbesondere eine dielektrische Schicht, die in einem Opferschichtätzverfahren eine geringere Ätzrate aufweist als die erste Opferschicht, so dass im Opferschichtätzverfahren, die erste Opferschicht selektiv zur Isolationsschicht entfernt werden kann. Bevorzugt wird eine siliziumreiche Nitrid-Schicht als Isolationsschicht verwendet. Eine Strukturierung der Isolationsschicht erfolgt bevorzugt derart, dass der erste Graben sicher durch die Isolationsschicht überdeckt bleibt. Besonders bevorzugt wird dazu ein Überlapp der Isolationsschicht über den Rand des ersten Grabens (parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats) ausgebildet, der mindestens der Hälfte der Grabenbreite des ersten Grabens entspricht.
- -- Eine zweite Funktionsschicht wird abgeschieden und der zweite Graben wird in der zweiten Funktionsschicht erzeugt. Bevorzugt ist die zweite Funktionsschicht eine Polysiliziumschicht. Bevorzugt wird ein Trenchverfahren zur Strukturierung des zweiten Grabens und ggf. zur Strukturierung weiterer Gräben/Strukturen verwendet. Im Bereich des zweiten Grabens erfolgt die Ätzung bis zur darunterliegenden Isolationsschicht. In Bereichen außerhalb des Trennungsbereichs zwischen dem ersten und zweiten Bereich (also außerhalb des zweiten Graben), in denen die erste und die zweite Funktionsschicht direkt aufeinanderliegen, werden beide Funktionsschichten mit dem Trenchverfahren gemeinsam strukturiert. Es ist bevorzugt möglich, dass die zweite Funktionsschicht dünner gewählt ist als die erste Funktionsschicht, um eine mechanisch möglichst robuste Verbindung zu erzeugen.
- -- Vorzugsweise wird die erste Opferschicht zur Freilegung der beweglichen Masse und/oder weiterer beweglicher Strukturen entfernt. Bevorzugt wird dabei ein Ätzverfahren, insbesondere mit gasförmigem HF (Fluorwasserstoffsäure), zur Entfernung verwendet.
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Insgesamt kann somit eine bewegliche Masse erzeugt werden, die mithilfe der ersten und zweiten Funktionsschichten gebildet ist und einen ersten und zweiten Bereich aufweist, wobei die erste Funktionsschicht den in sich geschlossenen, insbesondere den ersten Bereich innerhalb der ersten Funktionsschicht vollumfänglich umlaufenden, ersten Graben aufweist, und wobei die zweite Funktionsschicht den in sich geschlossenen, insbesondere den ersten Bereich innerhalb der zweiten Funktionsschicht vollumfänglich umlaufenden, zweiten Graben aufweist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, insbesondere des Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur, ist es denkbar, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- -- Ein als Silizium-auf-Isolator (silicon on insulator, SOI)-Substrat wird als Substrat bereitgestellt, wobei ein Oxid des SOI-Substrats als erste Opferschicht dient,
- -- Bevorzugt werden Kontaktbereiche in die erste Opferschicht geätzt,
- -- Eine Siliziumschicht des SOI-Substrats dient als erste Funktionsschicht und der erste Graben wird in der ersten Funktionsschicht erzeugt, insbesondere durch Trenchen. Es ist denkbar, dass gleichzeitig weitere Gräben erzeugt werden.
- -- Eine Isolationsschicht wird abgeschieden und vorzugsweise strukturiert. Insbesondere erfolgt die Abscheidung/Strukturierung derart, dass die Isolationsschicht zumindest teilweise in einem Verbindungsbereich zur mechanischen Verbindung des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs angeordnet wird. Die Isolationsschicht ist insbesondere eine dielektrische Schicht, die in einem Opferschichtätzverfahren eine geringere Ätzrate aufweist als die erste Opferschicht, so dass im Opferschichtätzverfahren, die erste Opferschicht selektiv zur Isolationsschicht entfernt werden kann. Bevorzugt wird eine siliziumreiche Nitrid-Schicht als Isolationsschicht verwendet. Eine Strukturierung der Isolationsschicht erfolgt bevorzugt derart, dass der erste Graben sicher durch die Isolationsschicht überdeckt bleibt. Bevorzugt wird dazu ein Überlapp der Isolationsschicht über den Rand des ersten Grabens (parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats) ausgebildet, der mindestens der Hälfte der Grabenbreite des ersten Grabens entspricht.
- -- Eine zweite Funktionsschicht wird abgeschieden und der zweite Graben wird in der zweiten Funktionsschicht erzeugt. Bevorzugt ist die zweite Funktionsschicht eine Polysiliziumschicht. Bevorzugt wird ein Trenchverfahren zur Strukturierung des zweiten Grabens und ggf. zur Strukturierung weiterer Gräben/Strukturen verwendet. Im Bereich des zweiten Grabens erfolgt die Ätzung bis zur darunterliegenden Isolationsschicht. In Bereichen außerhalb des Trennungsbereichs zwischen dem ersten und zweiten Bereich (also außerhalb des zweiten Graben), in denen die erste und die zweite Funktionsschicht direkt aufeinanderliegen, werden beide Funktionsschichten mit dem Trenchverfahren gemeinsam strukturiert. Es ist bevorzugt möglich, dass die zweite Funktionsschicht dünner gewählt ist als die erste Funktionsschicht, um eine mechanisch möglichst robuste Verbindung zu erzeugen.
- -- Vorzugsweise wird die erste Opferschicht zur Freilegung der beweglichen Masse und/oder weiterer beweglicher Strukturen entfernt. Bevorzugt wird dabei ein Ätzverfahren, insbesondere mit gasförmigem HF (Fluorwasserstoffsäure), zur Entfernung verwendet.
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Insgesamt kann somit eine bewegliche Masse erzeugt werden, die mithilfe der ersten und zweiten Funktionsschichten gebildet ist und einen ersten und zweiten Bereich aufweist, wobei die erste Funktionsschicht den in sich geschlossenen, insbesondere den ersten Bereich innerhalb der ersten Funktionsschicht vollumfänglich umlaufenden, ersten Graben aufweist, und wobei die zweite Funktionsschicht den in sich geschlossenen, insbesondere den ersten Bereich innerhalb der zweiten Funktionsschicht vollumfänglich umlaufenden, zweiten Graben aufweist.
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Für das erfindungsgemäße Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur können die Vorteile und Ausgestaltungen Anwendung finden, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur oder einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur beschrieben worden sind. Für die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur können die Vorteile und Ausgestaltungen Anwendung finden, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur oder einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der zugehörigen Beschreibung.
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Figurenliste
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- 1a, 1b, 1c und 1d zeigen schematische Darstellungen einer mikromechanischen Struktur zur Erläuterung von Nachteilen des Stands der Technik.
- 2a und 2b zeigen schematische Darstellungen einer mikromechanischen Struktur zur Erläuterung von Nachteilen des Stands der Technik.
- 3 zeigt eine schematische Darstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt eine schematische Darstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 5a, 5b, 5c, 5d, 5e und 5f zeigen schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 6a zeigt eine schematische Darstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht.
- 6b zeigt eine schematische Darstellung der mikromechanischen Struktur gemäß der 6a in einer Schnittansicht.
- 6c, 6d, 6e, und 6f zeigen schematische Darstellungen gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
- 7a zeigt eine schematische Darstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht.
- 7b und 7c zeigen schematische Darstellungen der mikromechanischen Struktur gemäß der 7a in Schnittansichten.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1a, 1b, 1c und 1d zeigen schematische Darstellungen einer mikromechanischen Struktur zur Erläuterung von Nachteilen des Stands der Technik. 1a zeigt eine bewegliche Masse 1 in einer Aufsicht auf die Substratebene 100. 1b zeigt einen Querschnitt entlang der in der 1a eingezeichneten Schnittebene A. 1c zeigt einen Querschnitt entlang der in der 1a eingezeichneten Schnittebene B. 1d zeigt eine perspektivische Darstellung.
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Die bewegliche Masse 1 umfasst zwei elektrisch getrennte Bereiche 2, 3. Insbesondere kann eine dicke (Polysilizium-)Funktionsschicht 4 durch einen Trenngraben 10 in zwei Bereiche 2, 3 getrennt werden, und die getrennten Bereiche 2, 3 können mit einer vertikalen siliziumreiche Nitrid (silicon-rich nitride, SiRiN)-Schicht 5 miteinander verbunden werden. Durch einen geeigneten Herstellungsprozess kann erreicht werden, dass die dicke Funktionsschicht 4 freigestellt wird, die beiden Bereiche 2, 3 mechanische verbunden bleiben aber elektrisch zueinander isoliert sind. Derartige Ansätze mit einer vertikalen Trennstruktur 5, 10 sind jedoch kritisch in der Herstellbarkeit:
- -- Die in den vertikalen Trenngraben 10 gefüllte SiRiN-Schicht 5 muss relativ zum Trenngraben 10 sehr exakt entfernt werden. Verbleiben Überstände der SiRiN-Schicht 5 am Rand des Trenngrabens 10, kann unter den Überständen die Siliziumfunktionsschicht 4 nicht entfernt werden und es entsteht ein unerwünschter Kurzschluss zwischen den beiden Bereichen 2, 3.
- -- Die Ätzung der Siliziumfunktionsschicht 4 muss darüber hinaus an der Kante 7 des Trenngrabens 10 an der SiRiN-Füllung 5 entlang das Silizium vollständig und zuverlässig über die gesamte Höhe der Funktionsschicht 4 entfernen, da sonst ebenfalls nicht gewünschte Kurzschlüsse entstehen.
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Dies führt in der Praxis zu Problemen bei der Herstellung.
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Des Weiteren gibt es Ansätze, die zwei Schichten 8, 9 aufweisen. Ein solcher Ansatz ist in den 2a und 2b schematisch dargestellt. In derartigen Ansätzen werden die beiden übereinanderliegenden Schichten 8, 9 größtenteils gemeinsam strukturiert. Auch hierbei wird jedoch, wie in einem rein vertikalen Ansatz gemäß den 1a bis 1d, zumindest in der unteren Schicht 8 ein vertikaler Trenngraben 10 erzeugt. Der Trenngraben 10 gemäß der 2a und 2b ist nicht in sich geschlossen, sondern weist vertikale Kanten 7 bzw. Ränder auf.
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Für diesen Trenngraben 10 gilt wie bei einem rein vertikalen Ansatz:
- -- Die in den vertikalen Trenngraben 10 gefüllte SiRiN-Schicht 5 muss relativ zum Trenngraben 10 sehr exakt entfernt werden. Verbleiben Überstände der SiRiN-Schicht 5 am Rand des Trenngrabens 10, kann unter den Überständen die Siliziumfunktionsschicht nicht entfernt werden und es entsteht ein unerwünschter Kurzschluss zwischen den Bereichen 2 und 3.
- -- Bei der Ätzung der Siliziumfunktionsschicht muss an der Kante des Trenngrabens 10 an der SiRiN-Füllung entlang das Silizium vollständig und zuverlässig über die gesamte Höhe der Funktionsschicht entfernt werden, da sonst ebenfalls nicht gewünschte Kurzschlüsse entstehen.
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Beides führt in der Praxis zu Kurzschlüssen bzw. Fehlern und verkompliziert die Herstellungsprozesse erheblich.
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Nachteilig ist ferner, dass zwar mit abnehmender Dicke der unteren Schicht 8 die Herstellbarkeit verbessert wird, aber gleichzeitig die Stabilität der Verbindung abnimmt.
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Mithilfe der vorliegenden Erfindung können derartige Herstellungsprobleme und Kurzschlüsse, die insbesondere durch Überstände einer SiRiN-Schicht am Rand eines Trenngrabens 10 und das Ätzen entlang von Kanten 7 des Trenngrabens 10 bedingt sein können, besonders vorteilhaft vermieden werden.
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In 3 ist eine schematische Darstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, durch die die anhand der 1a, 1b, 1c, 1d, 2a, 2b erläuterten Nachteile verhindert werden können. Die mikromechanische Struktur umfasst eine beweglichen Masse 1, die einen ersten Bereich 3 und einen von dem ersten Bereich 3 elektrisch isolierten zweiten Bereich 2 aufweist. Die bewegliche Masse 1 und insbesondere die Bereiche 2, 3 sind mithilfe einer ersten Funktionsschicht 8 und mithilfe einer zweiten Funktionsschicht 9 ausgebildet, wobei die zweite Funktionsschicht 9 in einer senkrechte Richtung 101, senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 16, oberhalb der ersten Funktionsschicht 8 angeordnet ist. Die erste Funktionsschicht 8 weist einen in sich geschlossenen, den ersten Bereich 3 innerhalb der ersten Funktionsschicht 8 vollumfänglich umlaufenden, ersten Graben 11 auf. Auch die zweite Funktionsschicht 9 weist einen in sich geschlossenen, den ersten Bereich 3 innerhalb der zweiten Funktionsschicht 9 vollumfänglich umlaufenden, zweiten Graben 15 auf. Durch diese beiden jeweils in sich geschlossenen Gräben 11, 15 wird die bewegliche Masse 1 in einen ersten Bereich 3 und einen zweiten Bereich 2 getrennt. Insbesondere dadurch, dass die Gräben 11, 15 in sich geschlossen sind, können die anhand der 1a bis 2b erläuterten Nachteile vorteilhaft unterbunden werden.
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Eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Bereich 3 und dem zweiten Bereich 2 erfolgt mindestens durch eine Isolationsschicht 14, die lokal in einem Verbindungsbereich zwischen der unteren ersten Funktionsschicht 8 und der oberen zweiten Funktionsschicht 9 ausgebildet ist. Bei der Isolationsschicht 14 handelt es sich insbesondere um eine SiRiN-Schicht. In einer mechanisch besonders robusten Ausführungsform der vorliegenden Erfindnung wird gemäß der 3 die Schichtdicke der unteren ersten Funktionsschicht 8 größer gewählt als die Schichtdicke der oberen zweiten Funktionsschicht 9. Ferner wird der untere erste Graben 11 ganz oder teilweise mit der Isolationsschicht 14 (und/oder einer weiteren Isolationsschicht) gefüllt. Im ersten Bereich 3 und im zweiten Bereich 2 sind die beiden Funktionsschichten 8, 9 überwiegend direkt miteinander verbunden und werden durch einen gemeinsamen Ätzprozess strukturiert.
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Der erste Bereich 3 ist über eine Federstruktur 13 mit dem Substrat 16 verbunden. Über die Federstruktur 13 kann ein definiertes elektrisches Potential an den ersten Bereich 3 der beweglichen Masse 1 angelegt werden.
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Es ist denkbar, dass das Substrat 16 Elektroden 22 und/oder Leiterbahnen aufweist.
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In 4 ist eine schematische Darstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Diese Ausführungsform weist eine besonders geringe elektrische Kapazität zwischen dem ersten Bereich 3 und dem zweiten Bereich 2 auf. Der erste Graben 11 ist nicht mit der Isolationsschicht 14 bzw. dem Material der Isolationsschicht 14 verfüllt. Hierzu wird der erste Graben 11 im Herstellungsprozess mit einer Opferschicht gefüllt, die dann später ganz oder teilweise entfernt wird. Die Verbindung der ersten Funktionsschicht 8 und der zweiten Funktionsschicht 9 im horizontalen Verbindungsbereich zwischen dem ersten und zweiten Bereich 2, 3 erfolgt nur punktuell, insbesondere an Punkten, die in Summe eine Fläche von weniger als 10% der Gesamtfläche des ersten Bereichs 3 aufweisen. Hierdurch kann die Gesamtfläche der Isolationsschicht 14 zwischen dem ersten und zweiten Bereich 2, 3 insgesamt besonders geringgehalten werden, was zu einer besonders geringen elektrischen Kapazität zwischen den beiden Bereichen 2, 3 führt.
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In den 5a, 5b, 5c, 5d, 5e und 5f ist ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt.
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Wie in 5a gezeigt, wird auf einem Substrat 16 mindestens eine erste Opferschicht 21, insbesondere eine Oxidschicht, abgeschieden. Innerhalb der ersten Opferschicht 21 sind optional vergrabene Elektroden 22 und/oder Leiterbahnen, weitere MEMS-Elemente und/oder weiter Funktionsschichten angeordnet. Es ist möglich, dass in die erste Opferschicht 21 Kontaktbereiche 23 geätzt werden. Alternativ kann auch ein SOI-Substrat genutzt werden, wobei das Oxid des SOI-Substrats als erste Opferschicht 21 dient
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Wie in 5b gezeigt, wird eine erste Funktionsschicht 8 abgeschieden. Der erste Graben 11 wird in der ersten Funktionsschicht 8 erzeugt, insbesondere durch Trenchen. Der erste Graben 11 ist in innerhalb der ersten Funktionsschicht 8 in sich geschlossen und durchdringt die erste Funktionsschicht 8 über deren gesamte Dicke. Es ist denkbar, dass gleichzeitig weitere Gräben erzeugt werden.
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Wie in 5c gezeigt, wird eine Isolationsschicht 14 abgeschieden und vorzugsweise strukturiert. Insbesondere erfolgt die Abscheidung/Strukturierung derart, dass die Isolationsschicht 14 zumindest teilweise in einem Verbindungsbereich zur mechanischen Verbindung des ersten Bereichs 3 und des zweiten Bereichs 2 angeordnet wird. Die Isolationsschicht 14 ist insbesondere eine dielektrische Schicht, die in einem Opferschichtätzverfahren eine geringere Ätzrate aufweist als die erste Opferschicht 21, so dass im Opferschichtätzverfahren die erste Opferschicht 21 selektiv zur Isolationsschicht 14 entfernt werden kann. Bevorzugt wird eine siliziumreiche Nitrid-Schicht als Isolationsschicht 14 verwendet. Eine Abscheidung und/oder Strukturierung der Isolationsschicht 14 erfolgt insbesondere derart, dass der erste Graben 11 sicher durch die Isolationsschicht 14 überdeckt wird. Bevorzugt wird dazu ein Überlapp 27 der Isolationsschicht 14 über den Rand des ersten Grabens 11 (parallel zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 16) ausgebildet, der mindestens der Hälfte der Grabenbreite des ersten Grabens 11 entspricht. Wie dargestellt, ist es möglich, dass der erste Graben 11 ebenfalls mit der Isolationsschicht 14 verfüllt wird. Alternativ ist es auch möglich, dass vor dem Abscheiden der Isolationsschicht 14 eine Opferschicht in dem ersten Graben 11 angeordnet wird, sodass der erste Graben 11 beim Abscheiden der Isoaltionsshicht 14 bereits verfüllt ist und die Isolationsshicht 14 nicht im ersten Graben 11 abgeschiedenen wird.
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Alternativ kann auch ein SOI-Substrat genutzt werden, wobei die auf dem Oxid vorhandene Siliziumschicht dann als erste Funktionsschicht 8 dient.
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Wie in 5d gezeigt, wird eine zweite Funktionsschicht 9 abgeschieden. Bevorzugt ist die zweite Funktionsschicht 9 eine Polysiliziumschicht.
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Wie in 5e gezeigt, wird der zweite Graben 15 in der zweiten Funktionsschicht 9 erzeugt. Der zweite Graben 15 ist in sich geschlossen und durchdringt die zweite Funktionsschicht 9 vollständig über deren gesamte Dicke. Bevorzugt wird ein Trenchverfahren zur Strukturierung des zweiten Grabens 15 und ggf. zur Strukturierung weiterer Gräben/Strukturen verwendet. Im Bereich des zweiten Grabens 15 erfolgt die Ätzung der zweiten Funktionsschicht 9 bis zur darunterliegenden Isolationsschicht 14. In Bereichen außerhalb des Trennungsbereichs zwischen dem ersten und zweiten Bereich 2, 3 (also außerhalb des zweiten Graben 15), in denen die erste und die zweite Funktionsschicht 8, 9 direkt aufeinanderliegen, werden beide Funktionsschichten 8, 9 mit dem Trenchverfahren gemeinsam strukturiert. Es ist beispielsweise möglich, dass die zweite Funktionsschicht 9 dünner gewählt ist als die erste Funktionsschicht 8, um eine mechanisch möglichst robuste Verbindung zu erzeugen.
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Wie in 5f gezeigt, wird die erste Opferschicht 21 zur Freilegung der beweglichen Masse 1 und/oder weiterer beweglicher Strukturen entfernt. Bevorzugt wird dabei ein Ätzverfahren, insbesondere mit gasförmigem HF (Fluorwasserstoffsäure), zur Entfernung der ersten Opferschicht 21 und Freilegung der beweglichen Strukturen verwendet. Die bewegliche Masse 1 bleibt über Federstrukturen 13 am Substrat 16 verankert.
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In 6a ist eine schematische Darstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht auf die Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 16 gezeigt. Die bewegliche Masse 1 umfasst einen ersten Bereich 3 und einen zweiten Bereich 2, die mithilfe von einem geschlossenen ersten Graben 11 und einem geschlossenen zweiten Graben 15 elektrisch voneinander getrennt sind. In 6b ist eine Schnittansicht, entlang der in der 6a eingezeichneten Schnittebene A dargestellt.
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Um einen geschlossenen erste Graben 11 und zweiten Graben 15 zu erzeugen, kann es vorteilhaft sein, in Teilbereichen um die Gräben 11, 15 sehr wenig Umgebung zu erzeugen.
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In 6c ist eine besonders schmale und robuste Ausbildung der Gräben 11, 15 und der mechanischen Verbindung zwischen dem ersten Bereich 3 und dem zweiten Bereich 2 mithilfe der Isolationsschicht 14 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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In 6d ist eine besonders schmale und robuste Ausbildung der Gräben 11, 15 und der mechanischen Verbindung zwischen dem ersten Bereich 3 und dem zweiten Bereich 2 mithilfe der Isolationsschicht 14 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, die auch besonders vorteilhaft mithilfe eines SOI-Substrats ausgebildet werden kann.
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In 6e ist eine besonders schmale und robuste Ausbildung der Gräben 11, 15 und der mechanischen Verbindung zwischen dem ersten Bereich 3 und dem zweiten Bereich 2 mithilfe der Isolationsschicht 14 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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In 6f ist eine besonders leichte Ausführungsform mithilfe von Gräben und einer mechanischen Verbindung zwischen dem ersten Bereich 3 und dem zweiten Bereich 2 mithilfe der Isolationsschicht 14 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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In 7a ist eine schematische Darstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht auf die Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 16 gezeigt. In 7b ist eine Schnittansicht der in 7a gezeigten Struktur entlang der Schnittebene A gezeigt. In 7c ist eine Schnittansicht der in 7a gezeigten Struktur entlang der Schnittebene B gezeigt.
Für Anordnungen, bei denen die Potentialtrennung mithilfe des ersten und zweiten Bereichs 2, 3 eine geringe elektrische Kapazität aufweisen soll, kann es günstig sein, zusätzlich zur Isolationsschicht 14 eine weitere Schicht 30 abzuscheiden und zu strukturieren. Mit dieser weiteren Schicht 30, bevorzugt einer Oxidschicht, wird der erste Graben 11 verfüllt und optional auch der Bereich der ersten Funktionsschicht 8 unterhalb des zweiten Grabens 15 zumindest teilweise bedeckt. Mit der Isolationsschicht 14. bevorzugt einer siliziumreichen Nitrid-Schicht, werden in kleinen Bereichen 32 zwischen dem ersten und dem zweiten Graben 11, 15 mechanische Verbindungen zwischen der ersten und der zweiten Funktionsschicht 8, 9 erzeugt. Die Isolationsschicht 14 ist somit insbesondere nicht vollumfänglich zur Verbindung des ersten und zweiten Bereichs 2, 3 ausgebildet. Die weitere Schicht 30 wird in einem Opferschichtätzverfahren, vorzugsweise in dem Opferschichtätzverfahren, bei dem auch die erste Opferschicht 21 zur Freilegung der beweglichen Strukturen entfernt wird, ganz oder teilweise entfernt. In den 7a, 7b und 7c ist die Struktur unmittelbar vor der Opferschichtätzung gezeigt. Zum Vergleich ist in der 4 ein Zustand nach der Opferschichtätzung zu sehen. Die Isolationsschicht 14 beleibt erhalten und erzeugt aufgrund ihrer reduzierten Fläche eine einstellbare (ggf. sehr geringe) elektrische Kapazität zwischen den beiden elektrisch getrennten Bereichen 2, 3, selbst wenn für die Isolationsschicht 14 Materialen mit hoher Dielektrizitätskonstante verwendet werden. Bei einem derartigen Aufbau kann es vorteilhaft sein, die beiden Funktionsschichten 8, 9 etwa gleich dick zu wählen, um eine mechanisch möglichst robuste Potentialtrennungsstruktur zu erhalten.
