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Stand der Technik
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Bekannt sind Herstellungsverfahren der Oberflächen-Mikromechanik für diskrete MEMS-Sensoren oder Aktuatoren. Dazu wird eine Funktionsschicht, die über einem Substrat angeordnet ist, mit einem anisotropen Ätzverfahren, einem Trenchverfahren strukturiert. Bei den Trenchverfahren werden zyklisch Plasma-Ätzschritte wiederholt, wodurch tiefe Gräben erzeugt werden können. Die Grabenwände sind jedoch nicht glatt. Durch das zyklische Ätzverfahren hat die Wand des Trenchgraben eine gewisse Welligkeit. Sie weist Ätzrillen auf. Bei ungünstiger Ausprägung dieser Ätzrillen kann on der Oberkante des Grabens ein überstehender Vorsprung, eine sogenannte Klinge entstehen. Damit am oberen Rand keine solche überstehende Klinge entsteht, startet man den zyklischen Ätzprozess meist mit einem etwas verlängertem isotropen Ätzschritt. Damit wird die Oberkante etwas nach hinten verlagert und eine Klinge wird vermieden. In allen anderen Fällen, insbesondere wenn eine minimale Verunreinigung an der Oberfläche vorliegt, würde eine, die Trenchkante überragende Klinge ausgebildet.
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Die Klinge ist für beweglichen MEMS-Strukturen kritisch, da es zu einem Verhaken oder punktuellen verschweißen der beiden Klingen kommen kann, wenn die beweglichen MEMS-Struktur bei Überlast maximal ausgelenkt wird und die Grabenwände sich berühren. Außerdem könnte an den Kontaktstellen die Anti-Klebe-Schicht, mit der MEMS Oberflächen beschichtet sind, sehr schnell zerstört werden. All dies kann durch ein flächiges Anschlagen von zwei Grabenwänden, die keine Klingen aufweisen, weitgehend vermieden werden.
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Die aus der Funktionsschicht herausgeätzten Strukturen können durch den Trenchprozess selbst freigestellt werden. Dazu nutzt man ein Substrat das mit einer Funktionsschicht versehen ist und dass in einzelnen Bereichen eine Kavität unter der Funktionsschicht aufweist (C-SOI). Oder zwischen Substrat und Funktionsschicht wird eine Opferschicht vorgesehen, die nach dem Trenchprozess lokal mit einem Opferschichtätzverfahren entfernt wird.
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Die beweglichen MEMS-Strukturen werden meist mit einem Kappenwafer verschlossen, um die beweglichen Strukturen zu schützen. Der Kappenwafer muss über den beweglichen Strukturen eine Ausnehmung, eine Kaverne aufweisen, damit die beweglichen Strukturen nicht an der Kappe anschlagen.
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Bekannt sind auch hybrid integrierte MEMS-Sensoren. Um eine besonders hohe Packungsdichte und ein besonders kleines Bauelement zu erreichen kann der für die Auswertung oder Ansteuerung von MEMS notwendige ASIC auch die Schutzfunktion der Kappe übernehmen. Allerdings wäre es technisch schwierig und kostenaufwendig, wenn man im ASIC-Wafer eine Ausnehmung vorsehen würde, um die freie Bewegung der MEMS-Struktur zu ermöglichen. Es ist daher einfacher einen Abstandhalter in Form einer weiteren Schicht (11) zwischen dem MEMS-Wafer und dem ASIC-Wafer vorzusehen.
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Die ASIC-Wafer-Herstellungsprozesse sind sehr komplex und es ist technisch schwierig Zusatzschichten, die einerseits hohe Temperaturen im Waferbondverfahren zwischen Sensorwafer und Kappenwafer aushalten müssen und die andererseits trotz vergleichsweise hoher Dicken wenig intrinsischen Stress auf dem empfindlichen ASIC-Wafer erzeugen dürfen, zu finden und auf den ASIC-Wafer aufzubringen.
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Der MEMS-Wafer ist unempfindlicher bezüglich Zusatzprozessschritten bei hoher Temperatur, daher ist es naheliegend die benötigte Zusatzschicht auf dem MEMS-Wafer aufzubringen.
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Dabei kann die Strukturierung der Funktionsschicht nicht nach dem Aufbringen und Strukturieren der Zusatzschicht erfolgen, da eine Beschichtung mit Lack über die hohen Stufen der Zusatzschicht nicht in ausreichender Qualität möglich ist. Daher wird üblicherweise eine vergrabene und strukturierte Hilfsschicht, nämlich eine Hartmaske 12 angelegt, die in der weiteren Prozessfolge als Ätzmaske für den Trench dient. Auf die Hartmaske wird die Zusatzschicht (11) oder mehrere Zusatzschichten abgeschieden. Über eine Lackmaske (13) werden dann die Bereiche definiert in denen die Zusatzschicht stehen bleiben soll. Über einen Trenchprozess wird dann sowohl die Zusatzschicht als auch die Funktionsschicht strukturiert. Am Anfang des Trenchprozesses wird zunächst die Zusatzschicht geätzt, dann trifft der Ätzprozess auf die Hartmaske und die Funktionsschicht wird nun mit der Hartmaske als Maske geätzt.
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Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass der zyklische Trenchprozess zu einem undefinierten Zeitpunkt auf die Hartmaske trifft (4b) und dadurch Klingen 14 in der Funktionsschicht entstehen können. Dies kann vermieden werden, wenn der erste Schritt des Ätzprozesses, der isotrope Ätzschritt derart verlängert wird, dass mit dem Ätzschritt sowohl die Zusatzschicht geätzt wird also auch schon ein Teil der Funktionsschicht. Das geht aber nur dann, wenn man eine sehr dünne Zusatzschicht und eine sehr dünne Hartmaske wählt. Die mittlere Ätztiefe bei isotropen SF6-Ätzschritten streut mit zunehmende Ätztiefe immer stärker, daher muss mit zunehmender Zusatzschichtdicke auch die erste isotrope Ätzung in die Funktionsschicht verlängert werden und damit ergibt sich eine nicht gewünschte Verbreiterung der minimalen Strukturbreite der Funktionsschicht. Wird die Hartmaske im Ätzprozess zu stark unterätzt kann sie sich ablösen und die Funktionsschicht wird nicht mehr korrekt getrencht.
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Andere Ansätze, wie beispielsweise ein Trenchprozess, der in einem oberen Bereich mit längere isotropen Ätzzyklen arbeitet und damit eine höhere Unterätzung unter einer Maske erzeugt, kann zwar die Wahrscheinlichkeit für das Entstehen einer Klinge in der Funktionsschicht reduzieren, das Entstehen aber nicht wirksam verhindern.
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Aufgabe der Erfindung
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Es wird ein Herstellungsverfahren und eine Anordnung gesucht, mit dem eine beliebig dicke Zusatzschicht auf einer Funktionsschicht hergestellt werden kann, wobei in der Funktionsschicht eine Klinge zuverlässig vermieden werden soll.
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Kern und Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur mit den Schritten:
- A: Bereitstellen eines Substrats mit einer darauf angeordneten Opferschicht und einer über der Opferschicht angeordneten mikromechanischen Funktionsschicht;
- B: Aufbringen einer Hilfsschicht als Maske für die mikromechanische Funktionsschicht;
- C: Aufbringen wenigstens einer Zusatzschicht auf die mikromechanische Funktionsschicht;
- D: Aufbringen einer Strukturierungsschicht;
- E: Zyklisches anisotropes Plasmaätzen der Zusatzschicht und der mikromechanischen Funktionsschicht wobei wenigstens in der mikromechanischen Funktionsschicht eine mikromechanische Struktur mit einer Mehrzahl von Ätzrillen mit jeweils einer ersten Ätztiefe gebildet wird;
- F: Ätzen der Hilfsschicht;
- G: Ätzen der Funktionsschicht an einer Oberseite bis zu einer zweiten Ätztiefe, welche 30% oder mehr der ersten Ätztiefe beträgt.
- H: Freistellen der mikromechanischen Struktur durch Ätzen der Opferschicht.
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Eine Klinge kann an der Oberfläche der Funktionsschicht entstehen, sie wird aber erfindungsgemäß zuverlässig im Schritt G entfernt.
Das oberflächliche Ätzen der Funktionsschicht erfolgt nach dem Entfernen der Hilfsschicht. Die Klinge liegt unmittelbar unterhalb der Hilfsschicht, daher kann die Klinge mit einer sehr kurzen und wohldefinierten Anätzung entfernt werden, ohne dass die eigentlichen in der Funktionsschicht hergestellten Strukturen stark beeinflusst werden.
Das oberflächliche Ätzen der Funktionsschicht kann durch eine Abscheidung einer Passivierung, gefolgt von einer anisotropen Öffnung der Passivierung, gefolgt von einer isotropen Ätzung von Silizium, erfolgen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Strukturen in der Funktionsschicht in ihrer vertikalen Geometrie während des oberflächlichen Ätzens nicht verändert werden.
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Die Hilfsschicht wird als Maske zur Strukturierung der Funktionsschicht und Hilfsebene, welche die Starthöhe des oberflächlichen Ätzens definiert, genutzt. Es ist keine neue weitere Hilfsschicht notwendig.
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Der Zusatzaufwand für das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr gering. Das neue Verfahren kann zusammen mit der Strukturierung der Funktionsschicht in der gleichen Anlage und sogar in der gleichen Ätzkammer erfolgen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in einfacher Weise auch bei der Herstellung von mikromechanischen Vorrichtungen mit ASIC als Kappe die unerwünschte Bildung von Klingen vermieden werden. Das Verfahren ist kostengünstig durchführbar.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung betrifft auch eine mikromechanische Vorrichtung mit einem Substrat mit einer darauf angeordneten Opferschicht und mit einer über der Opferschicht angeordneten mikromechanischen Funktionsschicht, wobei in der Funktionsschicht mittels Gräben eine bewegliche mikromechanische Struktur gebildet ist, wobei die Gräben an Ihren Seitenwänden erste Ätzrillen mit einer ersten Ätzrillenbreite aufweisen. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Gräben an Ihren Seitenwänden unmittelbar unterhalb einer Oberseite der mikromechanischen Funktionsschicht eine zweite Ätzrille mit einer zweiten Ätzrillenbreite aufweisen, wobei die zweite Ätzrillenbreite 70% der ersten Ätzrillenbreite oder weniger beträgt. Erfindungsgemäß fehlen an der Oberseite der Funktionsschicht 30% der Ätzrillenbreite, wodurch auch keine Klinge mehr vorhanden ist. Vorteilhaft ist hierdurch eine besonders robuste mikromechanische Vorrichtung geschaffen, weil es beim Aneinanderschlagen der Seitenwände der Gräben, beispielsweise durch Bewegungen der beweglichen mikromechanischen Struktur nicht mehr zu Punktbelastungen durch die hier fehlenden Klingen kommt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine verkappte oberflächen-mikromechanische Vorrichtung.
- Die 2 a - g zeigen schematisch das Strukturieren der Funktionsschicht durch anisotropes Ätzen im Stand der Technik.
- 3 zeigt schematisch eine oberflächen-mikromechanische Vorrichtung mit einem ASIC als Kappe.
- Die 4 a - f zeigen schematisch das Strukturieren mehrerer Schichten durch anisotropes Ätzen im Stand der Technik.
- Die 5 a - e zeigen schematisch das Strukturieren mehrerer Schichten mit einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren.
- 6 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur.
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Beschreibung der Figuren
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1 zeigt schematisch eine verkappte oberflächen-mikromechanische Vorrichtung. Über einem Substrat 2, meist einem Siliziumsubstrat ist eine mikromechanische Funktionsschicht 1, beispielsweise aus Epipoly angeordnet. In der Funktionsschicht ist eine mikromechanische Struktur 30 durch Gräben 3 hergestellt. Die Gräben sind durch anisotropes Plasmaätzen hergestellt. Über der mikromechanischen Funktionsschicht befindet sich eine Kappe 8, meist aus Silizium oder Glas, welche in einer Kaverne 9 die mikromechanische Struktur einschließt.
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Die 2 a - g zeigen schematisch das Strukturieren der Funktionsschicht durch anisotropes Ätzen in aufeinanderfolgenden Stadien im Stand der Technik. Auf einem Substrat 2 mit einer Opferschicht 7 und einer Funktionsschicht 1 aus Silizium ist eine Lackmaske 4 angeordnet. Die Lackmaske definiert die Lage von Gräben 3, durch welche die Funktionsschicht strukturiert wird (2a). Bei den Trenchverfahren werden zyklisch die folgenden drei Schritte des Plasma-Ätzens wiederholt angewendet:
- 1. Abscheidung einer Passivierung 20 (2b und 2e)
- 2. Anisotrope Öffnung der Passivierung (2c und 2f)
- 3. Isotrope Ätzung von Silizium (2d und 2g)
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Die Passivierung wird im gesamtem Trenchgraben abgeschieden. Bei der anisotopen Öffnung wird durch das Ätzverfahren nur die Passivierung am Boden des Trenchgrabens geöffnet. Dadurch erfolgt im nächsten Schritt die isotrope Ätzung des Siliziums nur am Boden des Trenchgrabens. Der Trenchgraben wird daher im Verlauf der einzelnen Zyklen nicht breiter, sondern nur tiefer und Gräben mit sehr hohen Aspektverhältnissen können erzeugt werden.
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Die Definition der Gräben erfolgt üblicherweise durch eine Lackschicht 4 an der Oberfläche der Funktionsschicht. Durch das zyklische Ätzverfahren hat die Wand des Trenchgrabens eine gewisse Welligkeit, die Ätzrillen 5. Kritisch für bewegliche MEMS-Strukturen ist die Form des Trenchgrabens direkt an der Oberkante 6 des Grabens, unterhalb der Lackmaske. Damit am oberen Rand keine überstehende Klinge entsteht, startet man den zyklischen Ätzprozess meist mit einem etwas verlängertem isotropen Ätzschritt. Damit wird die Oberkante zuverlässig etwas nach hinten verlagert und eine Klinge wird vermieden.
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In vielen anderen Fällen, insbesondere wenn eine minimale Verunreinigung an der Oberfläche vorliegt, würde eine, die Trenchkante überragende Klinge ausgebildet (hier nicht dargestellt).
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3 zeigt schematisch eine oberflächen-mikromechanische Vorrichtung mit einem ASIC als Kappe. Über einem MEMS Substrat 2 ist eine mikromechanische Funktionsschicht 1 und darüber wiederum ein Abstandshalter in Form einer Zusatzschicht 11 angeordnet. In der mikromechanischen Funktionsschicht ist eine bewegliche mikromechanische Struktur 30 ausgebildet Über der Zusatzschicht ist ein ASIC 10 angeordnet, welcher hier auch als Kappe dient. Die Zusatzschicht schafft unter dem ASIC eine Kaverne 9 für die mikromechanische Struktur.
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Die 4 a - f zeigen schematisch das Strukturieren mehrerer Schichten durch anisotropes Ätzen im Stand der Technik.
Auf einem Substrat 2 mit einer Opferschicht 7 und einer Funktionsschicht 1 ist eine Hartmaske 12 angeordnet. Die Hartmaske definiert die Lage von Gräben 3, durch welche die Funktionsschicht strukturiert wird. Auf der Hartmaske werden eine oder mehrere Zusatzschichten 11 angeordnet. Darauf ist eine Lackmaske 13 angeordnet, welche die in den Zusatzschichten herzustellende Struktur bestimmt. Über die Lackmaske werden die Bereiche definiert in denen die Zusatzschicht stehen bleiben soll (4a).
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Mit einem Trenchprozess wird dann sowohl die Zusatzschicht als auch die Funktionsschicht strukturiert. Am Anfang des Trenchprozesses wird zunächst die Zusatzschicht geätzt ( 4b).
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Dann trifft der Ätzprozess auf die Hartmaske 12, und die Funktionsschicht 1 wird nun durch die Hartmaske 12 geätzt (4c). Dadurch wird ein Graben 3 geschaffen, an dessen Oberkante 6 ein Vorsprung zur gegenüberliegenden Grabenwand hin, die Klinge 14 bildet.
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Durch zyklisches Trenchätzen, wie unter 2 beschrieben, wird der Graben 3 durch die Funktionsschicht 1 hindurch bis zur Opferschicht 7 vorgetrieben (4d, 4e).
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Schließlich wird die Opferschicht 7 durch isotropes Ätzen, beispielsweise Gasphasenätzen mit HF wenigstens teilweise entfernt, sodass eine bewegliche mikromechanische Struktur 30 freigestellt wird (4f). Ist die Hartmaske aus einem Material gewählt, das beim Opferschichtverfahren geätzt wird, wird die Hartmaske ebenfalls in diesem Schritt entfernt (4f).
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Die 5 a - e zeigen schematisch das Strukturieren mehrerer Schichten mit einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren.
Auf einem Substrat 2 wird eine Funktionsschicht 1 vorgesehen. Bevorzugt wird eine Siliziumschicht als Funktionsschicht vorgesehen.
Anschließend wird eine Hilfsschicht 40 aufgebracht und strukturiert, wobei die Schicht aus mindestens einem Material besteht, das sich im Trenchprozess nicht oder deutlich schlechter Ätzen lässt als das Material der Funktionsschicht. Bevorzugt wird eine Oxidschicht oder eine Nitridschicht oder eine siliziumhaltige Nitridschicht verwendet.
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Eine oder mehrere Zusatzschichten 11 werden aufgebracht. Bevorzugt wird als Zusatzschicht eine Polysiliziumschicht aufgebracht.
Optional kann darauf eine Bondschicht zum Bonden des ASIC-Wafers auf dem MEMS-Wafer aufgebracht werden. Bevorzugt wird hierzu eine Ge-Schicht aufgebracht.
Eine Strukturierungsschicht 13 wird aufgebracht und strukturiert. Bevorzugt wird eine Lackschicht aufgebracht und strukturiert (5a).
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Mit einem Trenchprozess wird sowohl die Zusatzschicht als auch die Funktionsschicht geätzt. In ersten Teilbereichen 15 wird die Zusatzschicht 11 getrencht, und der Trenchprozess stoppt auf der Hilfsschicht 40. In zweiten Teilbereichen 16 in denen keine Hilfsschicht vorhanden ist, wird mit dem Trenchprozess sowohl die Zusatzschicht 11 als auch die Funktionsschicht 1 geätzt (5b).
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Mit einem Ätzverfahren wird die Hilfsschicht entfernt (5c). Bevorzugt wird die Hilfsschicht mit einem Plasmaätzverfahren entfernt. Bevorzugt erfolgt die Entfernung der Hilfsschicht in der gleichen Ätzkammer wie der Trenchprozess, wobei durch einen Tausch der Ätzgase eine selektive Ätzung der Hilfsschicht ermöglicht wird. An der Oberkante 6 des Grabens 3 bleibt eine Klinge 14 stehen, welche zur gegenüberliegenden Grabenwand hin vorspringt.
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Mit einem Ätzverfahren wird die Funktionsschicht mindestens an den Stellen, die von der Hilfsschicht bedeckt waren geätzt, wobei nur ein oberflächliches Ätzen der Funktionsschicht erfolgt (5d). Das oberflächliche Ätzen erfolgt derart, dass mindestens eine zweite Ätztiefe 17 von 30% der ersten Ätztiefe 18 im isotropen Ätzschritt eines Zyklus des Plasmaätzens erreicht wird.
Bevorzugt erfolgt zunächst eine Abscheidung einer Passivierung, dann eine anisotrope Öffnung der Passivierung dann eine isotrope Ätzung von Silizium. Bevorzugt erfolgt der Ätzprozess in der gleichen Ätzkammer wie die Entfernung der Hilfsschicht.
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Mittels eines isotropen Ätzprozesses wird die Opferschicht 7 unter der mikromechanischen Funktionsschicht 1 wenigstens teilweise entfernt und somit die bewegliche mikromechanische Struktur 30 freigestellt (5e).
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6 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur. Das Verfahren beinhaltet wenigstens die Schritte:
- A: Bereitstellen eines Substrats mit einer darauf angeordneten Opferschicht und einer über der Opferschicht angeordneten mikromechanischen Funktionsschicht;
- B: Aufbringen einer Hilfsschicht als Maske für die mikromechanische Funktionsschicht;
- C: Aufbringen wenigstens einer Zusatzschicht auf die mikromechanische Funktionsschicht;
- D: Aufbringen einer Strukturierungsschicht;
- E: Zyklisches anisotropes Plasmaätzen der Zusatzschicht und der mikromechanischen Funktionsschicht wobei wenigstens in der mikromechanischen Funktionsschicht eine mikromechanische Struktur mit Ätzrillen mit einer ersten Ätztiefe gebildet wird;
- F: Ätzen der Hilfsschicht;
- G: Ätzen der Funktionsschicht an einer Oberseite bis zu einer zweiten Ätztiefe, welche 30% oder mehr der ersten Ätztiefe beträgt.
- H: Freistellen der mikromechanischen Struktur durch Ätzen der Opferschicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- mikromechanische Funktionsschicht
- 2
- Substrat
- 3
- Graben
- 4
- Lackschicht
- 5
- Ätzrillen
- 6
- Oberkante der Funktionsschicht
- 7
- Opferschicht
- 8
- Kappe
- 9
- Kaverne
- 10
- ASIC
- 11
- Zusatzschicht, Abstandsschicht
- 12
- Hartmaske
- 13
- Strukturierungsschicht (Lackmaske)
- 14
- Klinge
- 15
- erster Teilbereich
- 16
- zweiter Teilbereich
- 17
- zweite Ätztiefe (<= 30% der Ätzrillenbreite)
- 18
- erste Ätztiefe eines Trenchätz-Zyklus (eine Ätzrillenbreite)
- 20
- Passivierungsschicht
- 30
- mikromechanische Struktur
- 40
- Hilfsschicht
