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Stand der Technik
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Mikroelektromechanische Bauelemente (MEMS) finden in einer Vielzahl von Anwendungen und in unterschiedlichen industriellen Branchen Verwendung. Beispielsweise können mikroelektromechanische Bauelemente als Relais ausgebildet sein, d.h. als Schalter fungieren, wobei die Verwendung der Relais auf Basis von Halbleitertechnologien einen verhältnismäßig neuen Markt darstellt.
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Klassische Relais weisen eine Magnetspule auf, über die das Relais mit Energie versorgt und gesteuert wird. Die Dimensionen derartiger Relais sind relativ groß. Ferner ist der Energieverbrauch verhältnismäßig hoch. Neuere Relais, die als MEMS ausgebildet sind, werden kapazitiv angetrieben. Sie sind sehr viel kleiner und verbrauchen sehr viel weniger Energie.
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Derzeit marktübliche MEMS-Relais sind derart aufgebaut, dass auf einem ersten Substrat eine üblicherweise als Kragarm ausgebildete bewegliche Elektrode vorgesehen wird, wobei die bewegliche Elektrode eine sogenannte Out-of-Plane-Bewegung ausführen kann. Auf dem ersten Substrat wird zudem ein erster elektrischer Kontaktbereich vorgesehen. Auf einem zweiten Substrat wird ein fester zweiter elektrischer Kontaktbereich vorgesehen. Das erste und das zweite Substrat werden derart zueinander justiert und aufeinander gebondet, dass bei Auslenkung der beweglichen Struktur/Elektrode der erste Kontaktbereich mit dem zweiten Kontaktbereich in Berührung treten kann. Weiter wird der Hohlraum zwischen den beiden Substraten, in dem sich die bewegliche Struktur befindet, vollständig durch einen Bondrahmen um die bewegliche Struktur umschlossen und versiegelt. Weiter wird auf oder in dem zweiten Substrat mindestens eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Kontaktbereich und einem Außenbereich hergestellt.
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Nachteilig an derartigen marktüblichen Verfahren ist, dass im ersten Substrat ein Hohlraum zwischen der beweglichen Struktur und dem ersten Substrat vorgesehen werden muss. Dies erfolgt bevorzugt dadurch, dass man ein Cavitiy-SOl-Substrat als erstes Substrat nutzt. Solche Substrate sind sehr teuer in der Herstellung und es gibt Beschränkungen in der Größe der Kavität, was zu Größenbeschränkungen der beweglichen Struktur des MEMS-Relais führt.
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Weiterhin nachteilig an diesem Ansatz ist, dass die bewegliche Struktur nach dem Bondvorgang nicht mehr offen liegt, sodass ein aktiver Testbetrieb des Relais unter Beobachtung nicht möglich ist. Damit ist die Prüfbarkeit und die Optimierung des Relais sehr eingeschränkt.
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Es war daher eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Herstellungsverfahren für ein kapazitiv angesteuertes MEMS-Relais bereitzustellen, das eine Out-of-Plane-Bewegung zwischen zwei Substraten ermöglicht, aber kein Cavity-SOI-Substrat im Herstellungsprozess benötigt. Zudem soll das Verfahren ermöglichen, eine offene Relais-Variante herzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Bauelements, umfassend eine mikromechanische Funktionsschicht eines ersten Wafersubstrats sowie ein zweites Wafersubstrat, wobei das erste Wafersubstrat und das zweite Wafersubstrat mittels eines Bondverfahrens miteinander verbunden werden, bei dem eine Bondschicht realisiert wird, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst:
- -- in einem ersten Schritt wird auf dem ersten Wafersubstrat vollflächig eine Hilfsschicht aufgebracht und lateral strukturiert, sowie auf die Hilfsschicht die Funktionsschicht aufgebracht,
- -- in einem zweiten Schritt wird eine erste Kontaktschicht auf die Funktionsschicht oder über der Funktionsschicht aufgebracht und die Funktionsschicht lateral strukturiert,
- -- in einem dritten Schritt wird auf dem zweiten Wafersubstrat eine zweite Kontaktschicht realisiert und das erste Wafersubstrat mit dem zweiten Wafersubstrat derart gebondet, dass beide Kontaktschichten aufeinander zuweisen und in einem Ruhezustand relativ zueinander beabstandet sind, wobei
- -- in einem vierten Schritt das erste Wafersubstrat sowie die Hilfsschicht entfernt werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können mikroelektromechanische Bauelemente ohne den Zukauf von teuren Cavity-SOls hergestellt werden. Zudem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch die Herstellung sehr großer beweglicher MEMS-Strukturen. Ferner und insbesondere können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch MEMS-Relais oder MEMS-Relais in einem offenen und gleichzeitig elektrisch messbaren Zustand erzeugt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die laterale Strukturierung der Funktionsschicht im zweiten Schritt mittels eines Trenchätzprozesses erfolgt, wobei insbesondere nicht nur die Funktionsschicht, sondern im Bereich der Strukturierung der Hilfsschicht diese als vergrabene Maske zur zumindest teilweisen Ätzung des ersten Wafersubstrats genutzt wird, wobei insbesondere diese teilweise Ätzung des ersten Wafersubstrats im Bereich der Strukturierung der Hilfsschicht als Druckausgleichsöffnung bei der Entferntung des Wafersubstrats im vierten Schritt verwendet wird. Die teilweise Ätzung des ersten Wafersubstrats wird bevorzugt mittels anisotroper Ätzung realisiert. Ferner wird die Ätzung insbesondere derart verwirklicht, dass eine vertikale Erstreckung bzw. eine sich in die vertikale Richtung erstreckende Tiefe einer durch Ätzung geschaffenen Struktur kleiner als 100 µm ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Wafersubstrat derart entfernt wird, dass zunächst mit einem Schleifverfahren das Substrat von seiner Rückseite aus gedünnt wird, insbesondere auf eine Restdicke im Bereich von etwa 10 µm bis 100 µm, wobei das erste Wafersubstrat derart entfernt wird, dass anschließend an das Schleifverfahren mittels eines Ätzverfahrens, insbesondere eines Trockenätzverfahrens, insbesondere mittels SF6 und/oder mittels XeF2, das erste Wafersubstrat bis zur Hilfsschicht entfernt wird,
wobei insbesondere die Hilfsschicht mit einem Ätzverfahren, insbesondere einem Trockenätzverfahren, insbesondere mit CF4, entfernt wird. Die durch Ätzung geschaffene Struktur bzw. Ausnehmung im ersten Substrat hat für den Herstellungsprozess eine wichtige Funktion. Nach Durchführung des Bondverfahrens zur Verbindung des ersten mit dem zweiten Wafersubstrat ist zwischen den beiden Substraten ein definiertes Gasvolumen eingeschlossen. Mit dem Schleifprozess wird das erste Substrat soweit von der Rückseite gedünnt, dass die Ausnehmung nicht geöffnet wird. Die Restdicke wird dabei abhängig von der Größe der nicht gebondeten Bereiche und dem Druckunterschied zwischen Außendruck und Innendruck so gewählt, dass das erste Substrat nicht bricht. Günstig ist es zudem, Im Zuge eines Vakuum-Bondprozesses einen möglichst kleinen Druck zwischen den beiden Substraten einzustellen, da typische Trockenätzprozesse, insbesondere für Silizium, auch bei sehr geringen Drücken durhcgeführt werden können. Damit kann eine relativ geringe Dicke der Ausnehmung eingestellt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Hilfsschicht als eine Oxidschicht oder als eine Nitridschicht oder als eine Oxidnitridschicht ausgebildet ist, wobei die Hilfsschicht insbesondere eine Schichtdicke von mindestens 250 nm aufweist, wobei insbesondere die Funktionsschicht als eine Polysiliziumschicht, insbesondere mit einer Schichtdicke von mindestens 5 µm, ausgebildet ist. Bevorzugt wird die Hilfsschicht als Siliziumdioxid ausgebildet. Mithin kann die Hilfsschicht als elektrischer Isolator fungieren.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im ersten Schritt auf die Funktionsschicht eine Isolationsschicht aufgebracht wird, insbesondere in Form einer Oxidschicht und insbesondere mit einer Schichtdicke von mindestens 50 nm. Mit anderen Worten ist beidseitig der Funktionsschicht jeweils eine Oxidschicht anordenbar.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass im zweiten Schritt eine Bondhilfsschicht auf die Funktionsschicht oder über der Funktionsschicht aufgebracht wird, wobei insbesondere im dritten Schritt auf dem zweiten Wafersubstrat eine weitere Bondhilfsschicht aufgebracht und strukturiert wird, insbesondere in Form einer Aluminiumschicht, insbesondere mit einer Schichtdicke von mindestens 100 nm. Die erfindungsgemäße Bondschicht, die zwischen dem ersten Wafersubstrat und dem zweiten Wafersubstrat ausgebildet wird, kann insbesondere mittels der Bondhilfsschicht und der weiteren Bondhilfsschicht hergestellt werden. Infolge der Verbindung der beiden Wafersubstrate kann eine zwischenzeitlich hermetische Versiegelung der Funktionsschicht realisiert werden.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Kontaktschicht als eine Metallschicht, insbesondere mit einer Schichtdicke von mindestens 250 nm, ausgebildet ist, wobei insbesondere die zweite Kontaktschicht als eine Metallschicht, insbesondere mit einer Schichtdicke von mindestens 250 nm, ausgebildet ist. Kontaktschichten werden bevorzugt metallisch ausgebildet, da Metalle elektrischen strom gut leiten und somit, insbesondere, eine Schalterfunktion, insbesondere für MEMS-Relais, realisiert werden kann.
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In einem vorteilhaften Ausführungsbespiel der Erfindung ist vorgesehen, dass ein drittes Wafersubstrat auf die Funktionsschicht gebondet wird, wobei das dritte Wafersubstrat bewegliche Stukturen, insbesondere der Funktionsschicht, vollständig und insbesondere hermetisch abschließt oder einschließt, wobei insbesondere das dritte Wafersubstrat eine Ausnehmung über dem Bereich beweglicher Stukturen, insbesondere der Funktionsschicht, aufweist, wobei insbesondere das dritte Wafersubstrat mittels einer Seal-Glas-Bondung auf die Funktionsschicht gebondet ist. Durch eine derartige Ausgestaltung der Erfindung wird ein Hohlraum zwischen dem ersten Wafersubstrat und dem dritten Wafersubstrat ausgebildet, innerhalb dessen sich die Funktionsschicht, zuindest weitgehend in eine vertikale Richtung, bewegen kann, wobei der Hohlraum die im dritten Wafresubstrat ausgebildete Ausnehmung umfasst.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein mikromechanisches Bauelement, das gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ausgestaltungen hergestellt wird, wobei das mikromechanische Bauelement insbesondere ein Relais, insbesondere ein offenes Relais, ist und/oder insbesondere ein MEMS-Bauelement, insbesondere ein MEMS-Sensor ist.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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. Alle Figuren sind schematisch.
- 1 zeigt ein Beispiel eines mikroelektromechanischen Bauelements gemäß dem Stand der Technik.
- 2 zeigt ein weiteres Beispiel eines mikroelektromechanischen Bauelements gemäß dem Stand der Technik.
- 3 zeigt ein erstes Wafersubstrat nach Durchführung eines ersten Schritts eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Bauelements.
- 4 zeigt das erste Wafersubstrat aus 3 nach Durchführung eines zweiten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 5 zeigt ein zweites Wafersubstrat nach Aufbringung einer zweiten Kontaktschicht und einer weiteren Bondhilfsschicht.
- 6 zeigt das erste Wafersubstrat nach Bondung mit dem zweiten Wafersu bstrat.
- 7 zeigt das mit dem zweiten Wafersubstrat gebondete erste Wafersubstrat aus 6 nach einem Schleifvorgang des ersten Wafersubstrats.
- 8 zeigt das mit dem zweiten Wafersubstrat gebondete erste Wafersubstrat aus 7 nach einer teilweisen Ätzung des ersten Wafersubstrats.
- 9 zeigt das mit dem zweiten Wafersubstrat gebondete erste Wafersubstrat aus 8 nach einer vollständigen Ätzung des ersten Wafersubstrats.
- 10 zeigt das mit dem zweiten Wafersubstrat gebondete erste Wafersubstrat aus 9 nach einer vollständigen Ätzung der Hilfsschicht.
- 11 zeigt das mit dem zweiten Wafersubstrat gebondete erste Wafersubstrat aus 10 nach Bondung eines dritten Wafersubstrats mit der Funktionsschicht des ersten Wafersubstrats.
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1 zeigt schematisch ein mikroelektromechanisches Bauelement gemäß dem Stand der Technik, wobei das dargestellte Bauelement als Relais fungiert. Auf einem ersten Substrat 1 sind eine erste Elektrode 2 sowie eine erste Kontaktfläche 3 angeordnet. Über beiden Strukturen ist durch einen Abstand getrennt eine Hebel-Struktur 4 ausgebildet. Wird eine Spannung zwischen der Hebel-Struktur 4 und der ersten Elektrode 2 angelegt, kommt es zu einer sogenannten Out-of-plane-Bewegung: die Hebel-Struktur 4 wird ausgelenkt und ein Kontakt zwischen der Hebel-Struktur 4 und der ersten Kontaktfläche 3 wird ausgebildet. Der geringe Abstand zwischen der Hebel-Struktur 4 und der ersten Elektrode 2 wird durch ein Opferschichtverfahren erzeugt.
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2 zeigt ein mikroelektromechanisches Bauelement gemäß dem Stand der Technik. Auf einem ersten Substrat 1 wird eine bewegliche MEMS-Struktur 12 vorgesehen, die eine Out-of-Plane-Bewegung ausführen kann und einen ersten elektrischen Kontaktbereich 13 aufweist. Auf einem zweiten Substrat 14 wird ein fester zweiter elektrischer Kontaktbereich 15 vorgesehen. Das erste und das zweite Substrat 1, 14 werden derart zueinander justiert und aufeinander gebondet, dass bei Auslenkung der beweglichen MEMS-Struktur 12 der erste Kontaktbereich 13 mit dem zweiten Kontaktbereich 15 in Berührung treten kann. Ein Hohlraum zwischen den beiden Substraten 1, 14, in dem die bewegliche MEMS-Struktur 12 angeordnet ist, ist vollständig durch einen Bondrahmen 18 um die bewegliche MEMS-Struktur 12 umschlossen und versiegelt. Ferner wird auf oder in dem zweiten Substrat 14 mindestens eine elektrische Verbindung 19 zwischen dem zweiten Kontaktbereich 15 und einem Außenbereich hergestellt.
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In 3 ein erstes Wafersubstrat 20 nach Durchführung eines ersten Schritts eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Bauelements dargestellt. Auf dem ersten Wafersubstrat 20 wird vollflächig eine als Oxidschicht (Siliziumdioxid) ausgebildete Hilfsschicht 21 aufgebracht. Anschließend wird die Hilfsschicht 21 lateral strukturiert und damit eine Hilfsschicht-Struktur 22 realisiert. Sodann wird auf die Hilfsschicht 21 eine Funktionsschicht 23 aufgebracht.
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In 4 wird das erste Wafersubstrat 20 nach Durchführung eines zweiten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Auf die Funktionsschicht 23 wird eine erste metallische Kontaktschicht 25 aufgebracht. Ferner wird auf die Funktionsschicht 23 im Zuge des zweiten Verfahrensschritts eine Bondhilfsschicht 24 aufgebracht. Zudem wird die Funktionsschicht 23 lateral strukturiert und so Funktionsschicht-Strukturen 26 generiert. Die Funktionsschicht-Strukturen 26 werden im Rahmen eines Plasmaätzprozesses generiert. Unter Nutzung der strukturierten Hilfsschicht 21 als vergrabene Maske wird zudem das erste Wafersubstrat 20 geätzt und so eine Substrat-Struktur 27 realisiert.
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In 5 ist ein zweites Wafersubstrat 30 nach Aufbringung und Strukturierung einer zweiten metallischen Kontaktschicht 31 sowie einer weiteren Bondhilfsschicht 32 dargestellt. 6 zeigt das zweite Wafersubstrat 30 nach Bondung mit dem ersten Wafersubstrat 20, wobei die beiden Wafersubstrate 20, 30 relativ zueinander dergestalt angeordnet sind, dass die beiden Kontaktschichten 25, 31 aufeinander zuweisen und in einem Ruhezustand relativ zueinander beabstandet sind. 5 zeigt in Kombination mit 6 den dritten Schritt des erfindungsmäßigen Verfahrens, bei dem eine Bondschicht 40 aus der Bondhilfsschicht 24 und der weiteren Bondhilfsschicht 32 realisiert wird.
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7 zeigt kombiniert mit 8, 9 und 10 den vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens. In 7 wird zunächst dargestellt, dass das erste Wafersubstrat 20 teilweise entfernt wird. Die Entfernung erfolgt mittels eines Schleifverfahrens. Hierbei wird das erste Wafersubstrat 20 ausgehend von seiner Rückseite auf eine Restdicke von etwa 100 µm gedünnt. Sodann wird, wie in 8 mit Hilfe dreier Pfeile angedeutet und in 9 gezeigt, der Restbestand des ersten Wafersubstrat 20 mittels eines Trockenätzverfahrens mit SF6 vollständig, d.h. bis zur Hilfsschicht 21 entfernt. Infolge des Trockenätzens wird die Substrat-Struktur 27 offengelegt, sodass zwischen dem - zwischen dem ersten Wafersubstrat 20 und dem zweiten Wafersubstrat ausgebildeten - Hohlraum und einem Außenbereich des mikroelektromechanischen Bauelements ein Druckausgleich stattfindet. Wie in 10 dargestellt, wird anschließend die Hilfsschicht 21 mit einem Trockenätzverfahren unter Verwendung von CF4 entfernt.
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11 zeigt das mit dem zweiten Wafersubstrat 30 gebondete erste Wafersubstrat 20 aus 10 nach Bondung eines dritten Wafersubstrats 50 mit der Funktionsschicht 23 des ersten Wafersubstrats 20. Oberhalb des zweiten Wafersubstrats 30 wird eine elektrische Verbindung 51 angeordnet, wobei die elektrische Verbindung 51 sich von einem Außenbereich bis zur zweiten metallischen Kontaktschicht 31 erstreckt. Derart wird ein mikroelektromechanisches Bauelement hergestellt, das eine bewegliche Funktionsschicht 23 in einem hermetisch abgeschlossenen Hohlraum aufweist, wobei für die Herstellung kein Cavity-SOI verwendet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erstes Substrat
- 2
- Erste Elektrode
- 3
- Erste Kontaktfläche
- 4
- Hebel-Struktur
- 12
- Bewegliche MEMS-Struktur
- 13
- Erster elektrischer Kontaktbereich
- 14
- Zweites Substrat
- 15
- Zweiter elektrischer Kontaktbereich
- 18
- Bondrahmen
- 20
- Erstes Wafersubstrat
- 21
- Hilfsschicht
- 22
- Hilfsschicht-Struktur
- 23
- Funktionsschicht
- 24
- Bondhilfsschicht
- 25
- Erste metallische Kontaktschicht
- 26
- Funktionsschicht-Strukturen
- 27
- Substrat-Struktur
- 30
- Zweites Wafersubstrat
- 31
- Zweite metallische Kontaktschicht
- 32
- Weitere Bondhilfsschicht
- 40
- Bondschicht
- 50
- Drittes Wafersubstrat
- 51
- Elektrische Verbindung
