DE102022211198A1

DE102022211198A1 - Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements

Info

Publication number: DE102022211198A1
Application number: DE102022211198.2A
Authority: DE
Inventors: Jens Ribbe; Johannes Holger Moeck; Matthew Lewis; Jochen Reinmuth; Markus Linck-Lescanne; Bernd Klein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-10-21
Filing date: 2022-10-21
Publication date: 2024-05-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einer zweiseitig bearbeiteten Halbleiterfunktionsschicht, wobei die Halbleiterfunktionsschicht zur zweiseitigen Beschichtung und/oder Strukturierung-- auf einer auf einem ersten Wafermaterial angeordneten Trennungsschicht abgeschieden wird oder angeordnet ist,-- auf einer dem ersten Wafermaterial abgewandten ersten Seite beschichtet und/oder strukturiert und mit einer Verbindungsschicht versehen wird,-- mittels der auf der ersten Seite der Halbleiterfunktionsschicht angeordneten Verbindungsschicht mit einem zweiten Wafermaterial verbunden und das erste Wafermaterial entfernt wird, und-- die Halbleiterfunktionsschicht auf einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite beschichtet und/oder strukturiert wird.

Description

Stand der Technik
Zur Herstellung von Halbleiterfunktionsschichten, insbesondere aus Silizium, sind aus dem Stand der Technik sogenannte Opferschichtverfahren hinlänglich bekannt. Derartige Halbleiterfunktionsschichten werden insbesondere in mikroelektromechanischen Bauelementen (MEMS) eingesetzt. Dabei wird auf einem Wafermaterial eine Opferschicht und auf der Opferschicht eine Halbleiterschicht abgeschieden. Alternativ werden auch Silicon-on-Insulator (SOI) verwendet. Die Halbleiterschicht kann auf ihrer freistehenden Oberseite strukturiert werden, beispielsweise im Rahmen eines Trenchverfahrens, bei dem Ausnehmungen in der Halbleiterschicht realisiert werden. Ferner können auf der Oberseite der Halbleiterschicht weitere Funktionsschichten ausgebildet werden.
Die Opferschicht wird vor oder nach einer Oberflächenbearbeitung, beispielsweise mit Ätzverfahren, wieder entfernt. Für die Entfernung wird gemeinhin Flusssäure (Fluorwasserstoffsäure HF) verwendet, wobei die Flusssäure in die Gasphase überführt und über Ätzzugänge in der Halbleiterschicht zur Opferschicht geleitet wird. Die Opferschicht geht in die Gasphase über und wird anschließend entfernt.
Die Gasphasenätzung birgt den Nachteil, dass Oberflächen aufwendig gegen den Ätzangriff der Flusssäure geschützt werden müssen oder die Materialauswahl der Oberflächen auf Flusssäure-inerte Substanzen beschränkt wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass eine Unterseite der Halbleiterschicht nicht mehr bearbeitet werden kann. Insofern stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements bereitzustellen, welche die vorstehend genannten Nachteile im Stand der Technik nicht aufweist und insbesondere eine beidseitige Bearbeitung der Halbleiterschicht ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einer zweiseitig bearbeiteten Halbleiterfunktionsschicht, wobei die Halbleiterfunktionsschicht zur zweiseitigen Beschichtung und/oder Strukturierung

-- auf einer auf einem ersten Wafermaterial angeordneten Trennungsschicht abgeschieden wird oder angeordnet ist,
-- auf einer dem ersten Wafermaterial abgewandten ersten Seite beschichtet und/oder strukturiert und mit einer Verbindungsschicht versehen wird,
-- mittels der auf der ersten Seite der Halbleiterfunktionsschicht angeordneten Verbindungsschicht mit einem zweiten Wafermaterial verbunden und das erste Wafermaterial entfernt wird, und
-- die Halbleiterfunktionsschicht auf einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite beschichtet und/oder strukturiert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zur Herstellung mikroelektromechanischer Bauelemente, beispielsweise für Druck- oder Inertialsensoren (lineare Beschleunigungs- und Drehratensensoren) durchgeführt werden. Hierfür wird auf dem ersten Wafermaterial, das bevorzugt aus Silizium hergestellt ist und nachfolgend auch als Epitaxieträger bezeichnet wird, eine Trennungsschicht angeordnet, beispielsweise mittels eines CVD- (chemical vapour deposition) oder PVD-Verfahrens (physical vapour deposition). Die Trennungsschicht kann eine (elektrische) Isolationsschicht, beispielweise Siliziumdioxid (SiO₂), sein. Ferner kann die Trennungsschicht eine Opferschicht sein, die im Zuge der Herstellung des mikromechanischen Bauelements entfernt wird.
Auf der dem ersten Wafermaterial abgewandten ersten Seite kann die Halbleiterfunktionsschicht auf der Trennungsschicht, beispielsweise epitaktisch, abgeschieden werden. Die Halbleiterfunktionsschicht ist insbesondere als Siliziumfunktionsschicht ausgeführt. Sodann kann die Halbleiterfunktionsschicht strukturiert werden. Insbesondere können die Strukturen kammförmig ausgebildet sein, um, beispielsweise, einen Beschleunigungs- oder Drehratensensor oder eine Kombination aus Beschleunigungs- oder Drehratensensor zu realisieren. Zudem kann die Halbleiterfunktionsschicht auf ihrer dem ersten Wafermaterial abgewandten ersten Seite beschichtet werden, um beispielsweise zusätzliche Funktionsschichten zu realisieren. Ferner kann die erste Seite mit einer Verbindungsschicht versehen werden. Sowohl Funktions- als auch Verbindungsschichten können einfach mit lithographischer Formgebung und Ätzverfahren, beispielsweise DRIE (deep reactive ion etching), strukturiert werden. Verbindungsschichten können elektrisch leitend oder isolierend ausgebildet sein. Bevorzugt werden Funktionsschichten aus oder enthaltend Aluminium, Gold, Platin, Silber, Wolfram oder Ruthenium.
Alternativ zu einer auf einer Trennungsschicht abgeschiedenen Funktionsschicht wird als auf der Trennungsschicht angeordnete bzw. ausgebildete Halbleiterfunktionsschicht ein SOI (Silicon-on-Insulator)-Substrat verwendet, d.h. ein Substrat, bei dem auf eine Opferschicht ein weiteres Substrat aufgebondet wird und das weitere Substrat auf Zieldicke geschliffen wird; dies ist insbesondere dann günstig, wenn dickere oder einkristalline Funktionsschichten benötigt werden.
Die Halbleiterfunktionsschicht wird mittels der auf ihrer ersten Seite angeordneten bzw. ausgebildeten Verbindungsschicht mit einem zweiten Wafermaterial verbunden. Anschließend wird das erste Wafermaterial entfernt. Das erste und das zweite Wafermaterial können gleich oder unterschiedlich sein. Durch Entfernung des ersten Wafermaterials wird eine zweite Seite der Halbleiterfunktionsschicht zur Beschichtung und Strukturierung zugänglich gemacht.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es vorteilhaft möglich, die zunächst mit dem ersten Wafermaterial verbundene Halbleiterfunktionsschicht zunächst einseitig (d.h. auf ihrer freistehenden ersten Seite) zu bearbeiten, insbesondere zu beschichten bzw. zu strukturieren, und ferner diese Halbleiterfunktionsschicht zusätzlich auch (nach der Verbindung mit dem zweiten Wafermaterial und der Entfernung des ersten Wafermaterials) auf ihrer Rückseite (d.h. auf ihrer nunmehr ebenfalls freistehenden Rückseite), insgesamt vorteilhafterweise also beidseitig, mit Standardverfahren, d.h. mit bereits etablierten Verfahren aus dem Stand der Technik, zu bearbeiten. Ferner muss bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine Gasphasenätzung angewendet werden, wodurch die Materialauswahl nicht hierdurch eingeschränkt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Beschichtung und/oder Strukturierung der zweiten Seite die Trennungsschicht zumindest teilweise entfernt wird. Die Trennungsschicht wird entfernt, um die zweite Seite der Halbleiterfunktionsschicht für die Beschichtung und/oder Strukturierung bearbeitbar zu machen. Es gelten die gleichen Vorteile und technischen Wirkungen, die auch bei der Bearbeitung der ersten Seite der Halbleiterfunktionsschicht beschrieben wurden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass vor oder bei dem Entfernen des ersten Wafermaterials mindestens eine Belüftungsverbindung

-- in dem ersten Wafermaterial und in der Halbleiterfunktionsschicht, und/oder
-- in dem zweiten Wafermaterial, und/oder
-- in der Verbindungsschicht

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in der Halbleiterfunktionsschicht eine sich von der ersten Seite bis zur zweiten Seite erstreckende Ausnehmung hergestellt wird. Jede Halbleiterfunktionsschicht kann mehrere Ausnehmungen aufweisen, wobei jede der Ausnehmungen eine andere Funktionalität erfüllen kann. Beispielsweise können Ausnehmungen einen Druckausgleich zwischen unterschiedlichen, insbesondere als Hohlräume ausgebildeten, Volumina herbeiführen. Mit anderen Worten können Ausnehmungen eine homogene Druckverteilung innerhalb eines mikromechanischen Bauelements realisieren. Ausnehmungen können auch zur elektrischen Isolierung bestimmter Abschnitte einer Halbleiterfunktionsschicht gegenüber anderen Abschnitten derselben oder einer unterschiedlichen Halbleiterfunktionsschicht generiert werden, wobei sie unterschiedliche Geometrien aufweisen können. Beispielsweise können Ausnehmungen als - zumindest weitgehend - kreis- bzw. zylinder- oder kegelförmige Aussparungen ausgebildet sein. Ausnehmungen können auch länglich sein und sich insbesondere entlang einer Haupterstreckungsrichtung oder - ebene der Halbleiterfunktionsschicht erstrecken. Insbesondere ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass eine solche von der ersten Seite bis zur zweiten Seite der Halbleiterfunktionsschicht sich erstreckende Ausnehmung (bzw. eine Mehrzahl solcher Ausnehmungen) zur Realisierung einer elektrischen Kontaktierung (oder mehrerer solcher elektrischer Kontaktierungen) durch die Siliziumschicht ausgebildet werden, wobei es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich ist, solche Kontaktierungen durch dielektrische Schichten vom Potential der Siliziumschicht (Halbleiterfunktionsschicht) getrennt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweiten Seite der Halbleiterfunktionsschicht zugewandt mindestens eine weitere Halbleiterfunktionsschicht derart auf die Halbleiterfunktionsschicht aufgebracht wird, dass die weitere Halbleiterfunktionsschicht mittels einer auf einer ersten Seite der weiteren Halbleiterfunktionsschicht angeordneten weiteren Verbindungsschicht mit der Halbleiterfunktionsschicht verbunden wird und die weitere Halbleiterfunktionsschicht auf einer der ersten Seite der weiteren Halbleiterfunktionsschicht abgewandten zweiten Seite beschichtet und/oder strukturiert wird. In der gleichen Weise kann eine dritte Halbleiterfunktionsschicht auf die weitere Halbleiterfunktionsschicht aufgebracht werden, wobei die weitere Halbleiterfunktionsschicht als Halbleiterfunktionsschicht und die dritte Halbleiterfunktionsschicht als weitere Halbleiterfunktionsschicht fungiert. Denkbar ist ebenfalls, dass durch analoge Verfahrensweise eine jeweils vierte, fünfte, sechste usw. Halbleiterfunktionsschicht aufgebracht wird. Aus einer derart stapelförmigen Bauweise erwächst der Vorteil, dass das mikromechanische Bauelement eine größere Zahl an Funktionalitäten - beispielsweise eine sechsachsige Inertiale Messeinheit, die sechs Inertialsensoren umfasst (insbesondere mit einem dreiachsigen (linearen) Beschleunigungssensor und einem dreiachsigen Drehratensensor) - realisieren kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen mindestens zwei Halbleiterfunktionsschichten eine elektrische Kontaktierung innerhalb des mikromechanischen Bauelements ausgebildet wird. Insbesondere können zwei unmittelbar aufeinanderfolgende, d.h. unmittelbar benachbart angeordnete, Halbleiterfunktionsschichten miteinander elektrisch verbunden werden. Besonders bevorzugt sind elektrische Kontaktierungen, die - zumindest im Wesentlichen - senkrecht zu den beiden Halbleiterfunktionsschichten ausgebildet sind. Denkbar sind auch elektrische Kontaktierungen, die - zumindest teilweise - parallel zu mindestens einer Haupterstreckungsebene der beiden Halbleiterfunktionsschichten ausgebildet sind.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Halbleiterfunktionsschicht mit einer verbundenen Halbleiterfunktionsschicht ebenenübergreifend elektrisch verbunden wird, wobei zwischen der Halbleiterfunktionsschicht und der verbundenen Halbleiterfunktionsschicht mindestens eine zwischenliegende weitere Halbleiterfunktionsschicht angeordnet ist. Die ebenübergreifende elektrische Kontaktierung zwischen zwei nicht unmittelbar benachbart angeordneten Halbleiterfunktionsschichten kann derart ausgebildet sein, dass sie insbesondere durch eine in der zwischenliegenden weiteren Halbleiterfunktionsschicht ausgebildeten Ausnehmung hindurchragt.
Eine bevorzugte Weitergestaltung der Erfindung sieht vor, dass die elektrische Kontaktierung mittels eines in oder an der zwischenliegenden Halbleiterfunktionsschicht ausgebildeten Abschnitts vorgenommen wird, wobei der Abschnitt gegenüber der zwischenliegenden Halbleiterfunktionsschicht mittels eines Dielektrikums, insbesondere Luft, elektrisch isoliert ist. Der Abschnitt der zwischenliegenden Halbleiterfunktionsschicht, mittels dessen die elektrische Kontaktierung vorgenommen wird, kann durch Anwendung eines Trenchätzverfahrens elektrisch isoliert werden gegenüber dem Rest der zwischenliegenden Halbleiterfunktionsschicht. Der Abschnitt kann insbesondere als Teilabschnitt der elektrischen Kontaktierung ausgebildet sein. Weitere Teilabschnitte der elektrischen Kontaktierung können elektrisch leitende Verbindungsschichten sein, die jeweils auf der Halbleiterfunktionsschicht und der verbundenen Halbleiterfunktionsschicht als Vorsprung ausgebildet sind und mithin jeweils von einer Oberfläche der Halbleiterfunktionsschicht und der verbundenen Halbleiterfunktionsschicht hervorstehen und mit dem Abschnitt verbunden sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mikromechanische Bauelement nach der Beschichtung und/oder Strukturierung der zweiten Seite der Halbleiterfunktionsschicht oder der Beschichtung und/oder Strukturierung der zweiten Seite der weiteren Halbleiterfunktionsschicht auf einer der zweiten Seite der Halbleiterfunktionsschicht oder der weiteren Halbleiterfunktionsschicht zugewandten Seite mit einem Kappenwafer versehen wird. Der Kappenwafer kann aus dem gleichen Material hergestellt sein wie das zweite Wafermaterial und zur hermetischen Versiegelung des mikroelektromechanischen Bauelements dienen. Mithin kann im mikroelektromechanischen Bauelement mittels des Kappenwafers ein Innendruck, der von einem umgebenden, insbesondere atmosphärischen Außendruck abweicht, aufrechterhalten werden. Alternativ kann der Kappenwafer auch eine Belüftungsaussparung zur Realisierung eines stets gleichen Innen- und Außendrucks aufweisen. Als Kappenwafer kann auch eine Membran fungieren.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein MEMS-Bauelement, das eine zweiseitig bearbeitete Halbleiterfunktionsschicht umfasst, die nach einem der vorhergehenden Ausgestaltungen hergestellt wird, wobei das MEMS-Bauelement insbesondere ein Relais ist oder eine Relaisfunktionalität realisiert oder wobei das MEMS-Bauelement insbesondere mehrere übereinander angeordnete Inertialsensoren oder Inertialsensorbauelemente, insbesondere umfassend mehrere Halbleiterfunktionsschichten übereinander, umfasst. Für das erfindungsgemäße MEMS-Bauelement gelten die gleichen Vorteile und technischen Wirkungen, wie sie auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements erläutert wurden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die abhängigen Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren.

1 zeigt ein mikroelektromechanisches Bauelement gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt ein erstes Wafermaterial mit einer auf ihr abgeschiedenen Trennungsschicht.
3 zeigt das erste Wafermaterial aus der 2 mit einer auf der Trennungsschicht abgeschiedenen Halbleiterfunktionsschicht.
4 zeigt das erste Wafermaterial aus der 3 mit einer auf der Halbleiterfunktionsschicht abgeschiedenen Verbindungsschicht sowie weiteren Funktionsschichten.
5 zeigt das erste Wafermaterial aus der 4 nach einer Strukturierung der Halbleiterfunktionsschicht.
6a zeigt das erste Wafermaterial samt den mit ihm verbundenen Schichten unmittelbar vor der Herstellung einer Bondverbindung mit einem zweiten Wafermaterial samt mit ihm verbundenen Schichten.
6b zeigt das erste Wafermaterial und das zweite Wafermaterial unmittelbar nach der Herstellung der Bondverbindung zwischen dem ersten Wafermaterial und dem zweiten Wafermaterial.
7a zeigt das erste und das zweite Wafermaterial mit eine alternativen Bondverbindung vor der Herstellung der alternativen Bondverbindung.
7b zeigt das erste Wafermaterial und das zweite Wafermaterial unmittelbar nach der Herstellung der alternativen Bondverbindung.
8 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung der Bondverbdung.
9a zeigt das mikroelektromechanische Bauelement während einer Entfernung des ersten Wafermaterials.
9b zeigt schematisch mögliche Belüftungsverbindungen im mikroelektromechanischen Bauelement während der Entfernung des ersten Wafermaterials.
10 zeigt das mikroelektromechanische Bauelement nach der Entfernung des ersten Wafermaterials und der Verschließung aller Belüftungsverbindungen.
11 zeigt eine optionale Strukturierung der Halbleiterfunktionsschicht.
12 zeigt die Herstellung eines sich durch die Halbleiterfunktionsschicht erstreckenden Kontaktierungselements.
13 zeigt die in 12 dargestellte Ausgestaltung nach einer Entfernung von Resten der Trennungsschicht.
14 zeigt die Halbleiterfunktionsschicht mit auf ihr aufgebrachten weiteren Halbleiterfunktionsschichten.
15 zeigt eine Ausgestaltung des mikroelektromechanischen Bauelements mit einer ebenenübergreifenden elektrischen Kontaktierung.
16 zeigt eine Ausgestaltung eines mikroelektromechanischen Bauelements mit einem Kappenwafer.
17a zeigt ein als Relais ausgebildetes mikroelektromechanisches Bauelement mit einer einfachen Kontaktbrücke.
17b zeigt ein als Relais ausgebildetes mikroelektromechanisches Bauelement mit einer zweifachen Kontaktbrücke.
18 zeigt ein als Relais ausgebildetes mikroelektromechanisches Bauelement mit einer am Kappenwafer geerdeten Halbleiterfunktionsschicht.
19a zeigt ein Relais mit geschlossener Kontaktbrücke.
19b zeigt ein Relais mit offener Kontaktbrücke.

In 1 ist schematisch ein mikroelektromechanisches Bauelement gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Auf einem ersten Wafermaterial 1, das eine Vertiefung aufweist, ist zumindest stellenweise eine Trennungsschicht 2 angeordnet, wobei aufgrund der Vertiefung ein Hohlraum im mikroelektromechanischen Bauelement ausgebildet ist. Auf der Trennungsschicht 2 ist eine Halbleiterfunktionsschicht 3 ausgebildet, wobei die Halbleiterfunktionsschicht 3 vor ihrer Strukturierung gezeigt ist. Im Zuge der Strukturierung kann die Halbleiterfunktionsschicht 3 auf einer ersten Seite A der Halbleiterfunktionsschicht 3 bearbeitet werden. Eine hohlraumseitige Bearbeitung der Halbleiterfunktionsschicht 3 hingegen, d.h. eine Bearbeitung auf einer zweiten Seite B, ist nicht oder lediglich eingeschränkt möglich; beispielsweise ist es nicht möglich, weitere Funktionsschichten auf der Rückseite der (vergleichsweise dünnen) Halbleiterfunktionsschicht bzw. Siliziumschicht aufzubringen.
In 2 ist ein erstes Wafermaterial 1 dargestellt, das auch als Epitaxieträger bezeichnet wird. Das erste Wafermaterial 1 ist bevorzugt ein Siliziumwafer mit maximal 250 µm bis 450 µm Dicke als Epitaxieträger. Auf dem ersten Wafermaterial 1 wird erfindungsgemäß eine Trennungsschicht 2 bzw. Opferschicht 2 abgeschieden. Die Trennungsschicht 2 weist eine Dicke von etwa 0,1 bis 10µm auf. In 3 wird gezeigt, dass anschließend auf der Trennungsschicht 2 eine Halbleiterfunktionsschicht 3, insbesondere eine Siliziumschicht, epitaktisch abgeschieden wird. Die Dicke der Halbleiterfunktionsschicht 3 variiert bevorzugt zwischen 0,5 bis 250µm. Alternativ ist es erfindungsgemäß auch möglich ein SOI-Substrat zu verwenden, wobei die exakte Dicke der Funktionsschicht durch Schleifen auf Zieldicke hergestellt werden kann. Alle Figuren sind als lediglich schematisch aufzufassen, d.h. einzelne dargestellte Schichtdicken, insbesondere ihre relativen Dicken, entsprechen nicht zwingend der Realität bzw. realistischen Verhältnissen.
In 4 ist gezeigt, dass eine dem ersten Wafermaterial 1 abgewandte erste Seite A der Halbleiterfunktionsschicht 3 mit weiteren Funktionsschichten 4, 32 beschichtet wird. Die elektrisch leitfähige erste Funktionsschicht 4 wird von der darunterliegenden Halbleiterfunktionsschicht 3 durch die dielektrische Schicht 32 (Barriereschicht 32 bzw. Isolations- und Barriereschicht 32) getrennt. Ferner ist in der 4 dargestellt, dass die Halbleiterfunktionsschicht 3 auf ihrer ersten Seite A mit einer ersten Verbindungsschicht 5 beschichtet wird. Die erste Verbindungsschicht 5 wird von der darunterliegenden Halbleiterfunktionsschicht 3 ebenfalls durch eine dielektrische Schicht 32 getrennt. Die dielektrische Schicht 32 kann auch als Barriereschicht fungieren und Interdiffusion zwischen der Halbleiterfunktionsschicht 3 und jeweils der elektrisch leitfähigen ersten Funktionsschicht 4 und ersten Verbindungsschicht 5 unterbinden. Die erste Verbindungsschicht 5 kann aus einer Legierung oder einem Reinelement bestehen. Sowohl die elektrisch leitfähige erste Funktionsschicht 4 als auch die erste Verbindungsschicht 5 können sehr einfach mit industrieüblicher lithographischer Formgebung und Ätzverfahren strukturiert werden. Bevorzugt wird als Verbindungsschicht 5 Aluminium oder Germanium für eine eutektische AlGe-Bondverbindung aufgebracht.
In 5 ist gezeigt, dass in einem nachfolgenden Verfahrensschritt die Halbleiterfunktionsschicht 3 in einem Trenchverfahren, mit Stopp auf der Trennungsschicht 2, strukturiert wird. Hierbei werden in der Halbleiterfunktionsschicht 3 Ausnehmungen 11 hergestellt.
In 6a ist dargestellt, dass nach der optionalen Herstellung und Bearbeitung der weiteren Funktionsschichten 4, 32 das erste Wafermaterial 1 samt den auf ihr angeordneten/ausgebildeten und bearbeiteten Schichten auf ein zweites Wafermaterial 7 aufgebondet wird. Das zweite Wafermaterial 7 ist mit elektrisch leitfähigen zweiten Funktionsschichten 8 und einer zweiten Verbindungsschicht 9 beschichtet. Es wird eine eutektische AlGe-Bondverbindung 34 durch Legieren der beiden Verbindungsschichten 5 und 9 erzeugt. Es kann aber auch mit einem Bondsystem mit einseitiger Verbindungsschicht 5 gearbeitet werden. In 6b sind das erste Wafermaterial 1 und das zweite Wafermaterial 7 nach Herstellung der Bondverbindung 34 dargestellt.
In 7a sind analog zu der 6a das erste Wafermaterial 1 und das zweite Wafermaterial 7, jeweils mit auf ihnen ausgebildeten Schichten, vor der Herstellung einer alternativen Bondverbindung 35 dargestellt. Die in der 7a dargestellte Ausführung der Erfindung ist dergestalt, dass die Bondverbindung 35, die in 7b sichtbar ist, lediglich die Verbindungsschicht 5 umfasst. Mit anderen Worten ist in dieser Ausgestaltung die Verbindungsschicht 5 gleich der Bondverbindung 35. Die Verbindungsschicht 5 bzw. die alternative Bondverbindung 35 ist mittels der dielektrischen Funktionsschicht 32 beidseitig elektrisch isoliert. In der 7b sind das erste Wafermaterial 1 und das zweite Wafermaterial 7 nach der Herstellung der alternativen Bondverbindung 35 dargestellt.
In 8 ist eine weitere alternative Ausgestaltung einer Bondverbindung 36 dargestellt. Hierin ist eine Kontaktstelle 33 durch eine stellenweise Unterbrechung der dielektrischen Funktionsschicht 32 ausgebildet. Über die Kontaktstelle 33 können Ladungen zwischen der Halbleiterfunktionsschicht 3 und der Bondverbindung 36 ausgetauscht werden. Mit anderen Worten können Bondverbindungen 36 als elektrische Leiter fungieren.
In 9a ist das mikroelektromechanische Bauelement während einer Abtragung bzw. Entfernung des ersten Wafermaterials 1 schematisch dargestellt. Bevorzugt wird das erste Wafermaterial 1 eine Restdicke von 10µm - 100µm abgeschliffen. Anschließend wird trockenchemisch weitergeätzt mit chemischem Ätzstopp auf der Trennungsschicht 2..
In 9b ist zudem dargestellt, dass in dem ersten Wafermaterial 1, in der Halbleiterfunktionsschicht 3, in dem zweiten Wafermaterial 7 und in der Verbindungsschicht 5 jeweils eine Belüftungsverbindung 9, 9', 9" realisiert wird. In dieser in der 9b gezeigten Ausgestaltung weist zudem auch die Trennungsschicht 2 eine Belüftungsverbindung 9 auf. Die Belüftungsverbindungen 9, 9', 9" werden vor dem Entfernen des ersten Wafermaterials 1 hergestellt, wobei nach dem Entfernen des ersten Wafermaterials 1 sämtliche Belüftungsverbindungen 9, 9', 9" wieder verschlossen werden.
In 10 ist das mikroelektromechanische Bauelement nach der Entfernung des ersten Wafermaterials 1 und der Verschließung aller Belüftungsverbindungen 9, 9', 9" dargestellt. Infolge der Entfernung des ersten Wafermaterials 1 wird eine zweite Seite B der Halbleiterfunktionsschicht 3, die der ersten Seite A abgewandt angeordnet ist, freigelegt und mithin zur Beschichtung und/oder Strukturierung zugänglich gemacht. Anschließend wird die zweite Seite B der Halbleiterfunktionsschicht 3 mit einer weiteren Verbindungsschicht 14 beschichtet. Zudem wird die Trennungsschicht 2 teilweise entfernt.
In 11 zeigt im Anschluss an die Entfernung des ersten Wafermaterials 1 sowie der teilweisen Entfernung der Trennungsschicht 2 eine optionale Strukturierung der Halbleiterfunktionsschicht 3. Hierbei wird die Halbleiterfunktionsschicht 3 ausgehend von ihrer zweiten Seite B in einem Trenchverfahren mit Stopp auf der auf ihrer ersten Seite A angeordneten dielektrischen Schicht 32 strukturiert, wobei eine Ausnehmung 11 erzeugt wird.
12 zeigt die Herstellung eines sich durch die Halbleiterfunktionsschicht 3 erstreckenden Kontaktierungselements 12 mittels Sprühlack-Lithografie. Hierbei werden Randbereiche der im Trenchverfahren erzeugten Ausnehmung 11, unmittelbar um die Ausnehmung 11 angeordnete Bereiche der ersten Seite A sowie unmittelbar um die Ausnehmung 11 angeordnete Bereiche der ersten Seite B mit einer dielektrischen Funktionsschicht 32 bedeckt. Die dielektrische Funktionsschicht 32 wird sodann mit einem elektrisch leitenden Kontaktierungselement 11 beschichtet. Durch die dielektrische Funktionsschicht 32 wird das Kontaktierungselement 11 vom Potential der Halbleiterfunktionsschicht 3 getrennt. Zur Material- und Kosteneinsprung wird die Ausnehmung 11 nur teilweise beschichtet.
In 13 ist das in der 12 gezeigte mikroelektromechanische Bauelement nach Entfernung der Reste der Trennungsschicht 2 im Bereich der Trenchstrukturierungen dargestellt. Bewegliche Teile der Halbleiterfunktionsschicht 3 werden dadurch freigestellt. Bevorzugt wird hierfür trockenchemisches Ätzen angewandt.
In 14 ist gezeigt, dass der zweiten Seite B der Halbleiterfunktionsschicht 3 zugewandt vier weitere Halbleiterfunktionsschichten 3', 3'', 3''', 3'''' aufgebracht wurden. Die Halbleiterfunktionsschicht 3 und die weiteren Halbleiterfunktionsschichten 3', 3'', 3''', 3'''' werden mittels der Verbindungsschicht 5 sowie weiterer Verbindungsschichten 5', 5'', 5''', 5'''' miteinander verbunden. Durch eine derart stapelförmige Ausführung des mikroelektromechanischen Bauelements können fünf unterschiedliche Inertialsensoren platzsparend und unabhängig voneinander betrieben werden.
15 illustriert eine Ausgestaltung des mikroelektromechanischen Bauelements mit einer ebenenübergreifenden elektrischen Kontaktierung 13. Die elektrische Kontaktierung 13 verbindet die Halbleiterfunktionsschicht 3 mit einer weiteren Halbleiterfunktionsschicht 3'' und umfasst einen Abschnitt 15, der in einer zwischenliegenden Halbleiterfunktionsschicht 3' ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist der Abschnitt 15 als Teilabschnitt der elektrischen Kontaktierung 13 ausgebildet. Weitere Teilabschnitte der elektrischen Kontaktierung 13 sind elektrisch leitende Bondverbindungen 34, die jeweils auf der Halbleiterfunktionsschicht 3 und der verbundenen Halbleiterfunktionsschicht 3'' als Vorsprung ausgebildet sind und mithin jeweils von einer Oberfläche der Halbleiterfunktionsschicht 3 und der verbundenen Halbleiterfunktionsschicht 3'' hervorstehen und mit dem Abschnitt 15 verbunden sind.
In 16 ist eine Ausgestaltung des mikroelektromechanischen Bauelements dargestellt, das einen Kappenwafer 16 aufweist. Hierdurch kann eine hermetische Versiegelung erreicht werden. Hierfür wurde der Kappenwafer 16, der auf seiner der Halbleiterfunktionsschicht 3 zugewandten Seite Kappenwafer-Funktionsschichten aufweist, mit der Halbleiterfunktionsschicht 3 verbunden.
In 17a und 17b werden Halbleiter-Relais mit jeweils einfacher und zweifacher Kontaktbrücke illustriert.
18 illustriert ein Relais, das derart gestaltet ist, dass die Halbleiterfunktionsschicht 3 mittels der Kontaktbrücke auf das elektrische Potential des Kappenwafers 16 geschaltet ist. Mit anderen Worten nutzt die Halbleiterfunktionsschicht 3 das elektrische Potential des Kappenwafers 16 als Bezugspotential. Ferner zeigen 19a und 19b jeweils ein Relais mit einer geschlossenen und einer offenen Kontaktbrücke.
Bezugszeichenliste

1: Erstes Wafermaterial
2: Trennungsschicht
3: Halbleiterfunktionsschicht
4: Elektrisch leitfähige erste Funktionsschicht
5: Erste Verbindungsschicht
7: Zweites Wafermaterial
8: Elektrisch leitfähige zweite Funktionsschicht
9: Zweite Verbindungsschicht
11: Ausnehmung
12: Kontaktierungselemente
13: Elektrische Kontaktierung
14: Weitere Verbindungsschichten
15: Abschnitt
16: Kappenwafer
17: Kappenwafer-Funktionsschicht
32: Dielektrische Funktionsschicht
33: Kontaktstelle
34: Bondverbindung
35: Alternative Bondverbindung
36: Weitere alternative Bondverbindung
A: Erste Seite der Halbleiterfunktionsschicht
B: Zweite Seite der Halbleiterfunktionsschicht 3

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einer zweiseitig bearbeiteten Halbleiterfunktionsschicht (3), wobei die Halbleiterfunktionsschicht (3) zur zweiseitigen Beschichtung und/oder Strukturierung -- auf einer auf einem ersten Wafermaterial (1) angeordneten Trennungsschicht (2) abgeschieden wird oder angeordnet ist, -- auf einer dem ersten Wafermaterial (1) abgewandten ersten Seite (A) beschichtet und/oder strukturiert und mit einer Verbindungsschicht (5) versehen wird, -- mittels der auf der ersten Seite (A) der Halbleiterfunktionsschicht (3) angeordneten Verbindungsschicht (5) mit einem zweiten Wafermaterial (7) verbunden und das erste Wafermaterial (1) entfernt wird, und -- die Halbleiterfunktionsschicht (3) auf einer der ersten Seite (A) abgewandten zweiten Seite (B) beschichtet und/oder strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Beschichtung und/oder Strukturierung der zweiten Seite (B) die Trennungsschicht (2) zumindest teilweise entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor oder bei dem Entfernen des ersten Wafermaterials (1) mindestens eine Belüftungsverbindung (9) -- in dem ersten Wafermaterial (1) und in der Halbleiterfunktionsschicht (3), und/oder -- in dem zweiten Wafermaterial (7), und/oder -- in der Verbindungsschicht (5) realisiert wird, wobei nach dem Entfernen des ersten Wafermaterials (1) die mindestens eine Belüftungsverbindung (9) wieder verschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Halbleiterfunktionsschicht (3) eine sich von der ersten Seite (A) bis zur zweiten Seite (B) erstreckende Ausnehmung (11) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweiten Seite (B) der Halbleiterfunktionsschicht (3) zugewandt mindestens eine weitere Halbleiterfunktionsschicht (3') derart auf die Halbleiterfunktionsschicht (3) aufgebracht wird, dass die weitere Halbleiterfunktionsschicht (3') mittels einer auf einer ersten Seite (A') der weiteren Halbleiterfunktionsschicht (3') angeordneten weiteren Verbindungsschicht (5') mit der Halbleiterfunktionsschicht (3) verbunden wird und die weitere Halbleiterfunktionsschicht (3') auf einer der ersten Seite (A') der weiteren Halbleiterfunktionsschicht (3') abgewandten zweiten Seite (B') beschichtet und/oder strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei zwischen mindestens zwei Halbleiterfunktionsschichten (3, 3') eine elektrische Kontaktierung (13) innerhalb des mikromechanischen Bauelements ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine Halbleiterfunktionsschicht (3) mit einer verbundenen Halbleiterfunktionsschicht (3, 3'') ebenenübergreifend elektrisch verbunden wird, wobei zwischen der Halbleiterfunktionsschicht (3) und der verbundenen Halbleiterfunktionsschicht (3'') mindestens eine zwischenliegende weitere Halbleiterfunktionsschicht (3') angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die elektrische Kontaktierung (13) mittels eines in oder an der zwischenliegenden Halbleiterfunktionsschicht (3) ausgebildeten Abschnitts (15) vorgenommen wird, wobei der Abschnitt (15) gegenüber der zwischenliegenden Halbleiterfunktionsschicht (3) mittels eines Dielektrikums, insbesondere Luft, elektrisch isoliert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikromechanische Bauelement nach der Beschichtung und/oder Strukturierung der zweiten Seite (B) der Halbleiterfunktionsschicht (3) oder der Beschichtung und/oder Strukturierung der zweiten Seite (B') der weiteren Halbleiterfunktionsschicht (3') auf einer der zweiten Seite (B) der Halbleiterfunktionsschicht (3) oder der weiteren Halbleiterfunktionsschicht (3') zugewandten Seite mit einem Kappenwafer (16) versehen wird.
MEMS-Bauelement, das nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wird, wobei das MEMS-Bauelement insbesondere ein Relais ist oder eine Relaisfunktionalität realisiert oder wobei das MEMS-Bauelement insbesondere mehrere übereinander angeordnete Inertialsensoren oder Inertialsensorbauelemente, insbesondere umfassend mehrere Halbleiterfunktionsschichten übereinander, umfasst.