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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement, insbesondere ein mikromechanisches Bauelement mit einer oberflächenmikromechanisch hergestellten Membran mit niedriger thermischer Leitfähigkeit. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement. Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung des mikromechanischen Bauelements für Sensoren, insbesondere für Druck- und Beschleunigungssensoren sowie für pyroelektrische Sensoren.
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Mikromechanische Bauelemente werden beispielsweise als Mikrofonsensoren, Drucksensoren, Beschleunigungssensoren oder pyroelektrische Sensoren verwendet. Diese Bauelemente weisen ein Substrat, eine Membran und einen zwischen dem Substrat und der Membran angeordneten Hohlraum auf. In der Oberflächenmikromechanik können solche Hohlräume hergestellt werden, indem eine Opferschicht durch eine gelochte Membranplatte weggeätzt wird. Dabei ist Siliziumoxid ein typisches Material für die Opferschicht, typische Membranmaterialien sind dagegen Polysilizium und Siliziumnitrid. Weiterhin können die Hohlräume durch Abscheiden einer Verschlußschicht gasdicht versiegelt werden. Ein dafür geeignetes Verschlußmaterial ist z. B. Siliziumoxid.
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Insbesondere bei Bauelementen, die als thermische Sensoren verwendet werden sollen, ist eine gute thermische Isolierung der Membran erforderlich. Materialien, die eine solche gute thermische Isolierung der Membran erlauben, müssen daher einen möglichst geringen thermischen Leitwert aufweisen. Solche Materialien sind beispielsweise Siliziumnitrid und Siliziumoxid.
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Im LPCVD-Verfahren abgeschiedenes Siliziumnitrid weist aber den Nachteil auf, daß es unter großer Zugspannung steht. Es treten hier Zugspannungen bis zu 1 GPa auf. Daher sind Siliziumnitrid-Membranen anfällig auf Rißbildung bei mechanischer Beanspruchung. Insbesondere besteht die Gefahr, daß die Membran an ihrem eingespannten Rand reißt.
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Oxide weisen im Vergleich zu Siliziumnitrid eine deutlich geringere Spannung auf. So zeigt Siliziumoxid beispielsweise Druckspannungen von ungefähr 200 bis 300 MPa. Allerdings ergibt sich bei der Verwendung von Siliziumoxid als Membranmaterial die Schwierigkeit, daß das Material für die Opferschicht so gewählt sein muß, daß es mit hoher Selektivität zu Siliziumoxid isotrop geätzt werden kann. Membranen aus Polysilizium lassen sich zwar gut herstellen, weisen aber beispielsweise eine für pyroelektrische Sensoren zu hohe thermische Leitfähigkeit auf.
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Bisherige reine Siliziumoxid-Membranen mit geringer Spannung und geringer thermischer Leitfähigkeit sind beispielsweise als offene Strukturen im evakuierten Gehäuse ausgebildet. Diese Lösung weist neben dem Umstand, daß sie recht teuer ist, weiterhin den Nachteil auf, daß der Sensor von einem evakuierten Gehäuse umgeben sein muß.
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Verfahren zur Herstellung von Membranstrukturen sind auch in der
WO 98/24119 A1 sowie in den folgenden Artikeln beschrieben: Longqing Chen et al, „Control of stress in highly doped polysilicon multi-layer diaphragm structure”, in: Surface and Coating Technology 141, 2001, S. 96–102; J. Han et al., „Performance of Fabry-Perot microcavity structures with corrugated diaphragms”, in: Sensors and Actuators A, Vol. 79, No. 2, S. 162–172, Feb. 2000; und U. Dibbern, „A Substrate for Thin-film Gas Sensors in Microelectronic Technology”, in: Sensors and Actuators B, 2, 1990, S. 63–70.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes mikromechanisches Bauelement zur Verfügung zu stellen, insbesondere ein mikromechanisches Bauelement mit einer oberflächenmikromechanisch hergestellten Membran mit niedriger thermischer Leitfähigkeit. Es ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein mikromechanisches Bauelement gemäß Patentanspruch 1 sowie durch das Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Erfindungsgemäß wird ein mikromechanisches Bauelement zur Verfügung gestellt, das ein Substrat, eine Membran und einen zwischen dem Substrat und der Membran angeordneten Hohlraum umfaßt. Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement ist dadurch gekennzeichnet, daß die Membran zumindest eine erste Schicht und zumindest eine zweite Schicht umfaßt, wobei die erste und die zweite Schicht eine jeweils zur anderen Schicht entgegengerichtete mechanische Spannung aufweisen, und daß die Membran mit einer Verschlußschicht verschlossene Freiätzlöcher aufweist, und daß die erste Schicht Siliziumnitrid beinhaltet, und daß die zweite Schicht Siliziumoxid beinhaltet, und daß die Schichtdicken zum Erhalten einer vollständigen Spannungskompensation gewählt sind.
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Das erfindungsgemäße mikromechanische Baulement besitzt den Vorteil, daß durch den mehrlagigen Aufbau aus Schichten mit entgegengerichteter Spannung eine Stresskompensation über die gesamte Membran erreicht wird. Weiterhin weist die Membran durch den mehrlagigen Aufbau aus Schichten mit entgegengerichteter Spannung eine geringere Anfälligkeit gegen Rißbildung bei mechanischer Belastung auf. Insbesondere kann durch geeignete Wahl der einzelnen Schichtdicken eine weitgehende Spannungskompensation des gesamten Membrankomplexes erreicht werden, da die auftretenden Spannungskräfte weitgehend proportional zur Dicke der jeweiligen Schichten sind. So ist beispielsweise im besonders rißanfälligen Randbereich der Membran die Kraft weitgehend proportional zum Produkt aus Membranumfang und Membrandicke. Allerdings ist dieses Produkt für jede der Einzelschichten der Membran gesondert zu berücksichtigen.
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Durch die geeignete Auswahl der jeweiligen Schichtdicken von Schichten mit entgegengerichteter Spannung kann man somit eine gewünschte resultierende Gesamtspannung der Membran einstellen. Diese Gesamtspannung kann auch Null sein, d. h. eine vollständige Spannungskompensation ist erreichbar. Die durch das Aufwachsen von Schichten mit entgegengerichteter Spannung entstehenden Scherkräfte führen erfahrungsgemäß nicht zu einer Schichtabhebung, was darauf zurückzuführen ist, daß sich die Scherkräfte über die im Vergleich zum Randbereich große freitragende Membranfläche verteilen können. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bauelements besteht in der größeren Freiheit bei der Wahl der Schichtmaterialien, da z. B. für die Opferschicht und die zweite Membranschicht dieselben Materialien verwendet werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements umfaßt die Membran eine dritte Schicht, die eine der zweiten Schicht entgegengerichtete Spannung aufweist. Durch das Aufbringen einer solchen dritten Schicht können eventuelle Verwölbungen der Membran verringert bzw. ganz verhindert werden. Insbesondere ist die zweite Membranschicht vorteilhafterweise von der ersten und der dritten Schicht umhüllt. Damit wird das Material der zweiten Schicht beim Ausätzen des Hohlraums geschützt. Insbesondere kann somit für die zweite Membranschicht und die Opferschicht dasselbe Material verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements beinhalten die erste und die zweite Schicht ein unterschiedliches Material, um eine selektive Ätzung der beiden Schichten zu ermöglichen. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn die erste und die dritte Schicht dasselbe Material beinhalten, um so die zweite Schicht beim Ätzen schützen zu können.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements weist das Material der ersten Schicht, der zweiten Schicht und/oder der dritten Schicht eine niedrige thermische Leitfähigkeit auf, um so eine gute thermische Isolierung der Membran zu ermöglichen. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die erste Schicht Siliziumnitrid und die zweite Schicht Siliziumoxid beinhalten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements weist die erste Schicht eine Dicke von ungefähr 50–100 nm, die zweite Schicht eine Dicke von ungefähr 200–600 nm und die dritte Schicht eine Dicke von ungefähr 50–100 nm auf. Die Schichtdicken sind bevorzugt umgekehrt proportional dem intrinsischen Stress der Membranschichten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sind Freiätzlöcher zum Ansätzen des Hohlraums mit einer Verschlußschicht verschlossen, um den Hohlraum gasdicht zu versiegeln. Insbesondere ist die Verschlußschicht vorteilhafterweise aus Siliziumoxid.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements ist zumindest eine pyroelektrische Schicht vorgesehen, damit das Bauelement als pyroelektrischer Sensor einsetzbar ist.
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Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements zur Verfügung gestellt, das die folgenden Schritte aufweist:
- a) eine Opferschicht wird auf ein Substrat aufgebracht;
- b) eine erste Membranschicht, die eine erste Spannung aufweist, wird abgeschieden;
- c) eine zweite Membranschicht, die eine zur ersten Spannung entgegengerichtete zweite Spannung aufweist, wird abgeschieden;
- d) in der ersten und zweiten Membranschicht werden Ätzöffnungen erzeugt;
- e) durch eine Ätzung wird ein Hohlraum in der Opferschicht unter der Membran erzeugt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor Schritt e) eine Fotomaske aufgebracht, die über den Ätzöffnungen Öffnungen aufweist, deren Durchmesser geringer als der Durchmesser der Ätzöffnungen ist.
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Erfindungsgemäß wird ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements zur Verfügung gestellt, das die folgenden Schritte aufweist:
- a) eine Opferschicht wird auf ein Substrat aufgebracht;
- b) eine erste Membranschicht, die eine erste Spannung aufweist, wird abgeschieden, wobei die erste Membranschicht Siliziumnitrid beinhaltet;
- c) eine zweite Membranschicht, die eine zur ersten Spannung entgegengerichtete zweite Spannung aufweist, wird abgeschieden, wobei die zweite Membranschicht Siliziumoxid beinhaltet;
- d) in der zweiten Membranschicht werden Ätzöffnungen erzeugt;
- e) eine dritte Membranschicht, die eine zur zweiten Spannung entgegengerichtete dritte Spannung aufweist, wird konform abgeschieden;
- f) in der ersten und dritten Membranschicht werden Ätzöffnungen erzeugt; und
- g) durch eine Ätzung wird ein Hohlraum in der Opferschicht unter der Membran erzeugt, wobei
die Schichtdicken zum Erhalten einer vollständigen Spannungskompensation gewählt sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Verschlußschicht aufgebracht, um so den Hohlraum gasdicht zu versiegeln.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine pyroelektrische Schicht aufgebracht.
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Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines mikromechanischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2A–2H ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements;
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mikromechanischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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4A–4H ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements. Dabei ist auf einem Substrat 1 eine Opferschicht 2 aufgebracht. Auf der Opferschicht 2 liegt eine Membran aus einer ersten Schicht 3 und einer zweiten Schicht 4 auf, die mindestens ein Ätzöffnung 5 aufweist. Durch dieses Ätzöffnung 5 ist die Opferschicht 2 unterhalb der Membran 3, 4 isotrop weggeätzt, so daß sich zwischen Substrat 1 und Membran 3, 4 ein Hohlraum 7 befindet. Die Schichtdicken betragen ungefähr 1 μm für die Opferschicht 2, ca. 100 nm für die erste Schicht 3 und ungefähr 400 nm für die zweite Schicht 4. Als Materialien eignen sich insbesondere Silizium für das Substrat 1, Siliziumoxid für die Opferschicht 2, Siliziumnitrid für die erste Schicht 3 und Siliziumoxid für die zweite Schicht 4.
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Dabei wird die Siliziumnitridschicht 3 beispielsweise mit Hilfe eines LPCVD-Verfahrens abgeschieden. In einer derartig erzeugten Siliziumnitrid-Schicht herrschen Zugspannungen von ungefähr 1 GPa. In Siliziumoxid-Schichten wirken dagegen Druckspannungskräfte von etwa 200 bis 300 MPa. Durch die gewählten Schichtdicken von 100 nm Si3N4 und 400 nm SiO2 wird die resultierende Spannung in einem Bereich von ungefähr 10% der in der Nitridschicht herrschenden Zugspannung eingestellt, d. h. in der Membran herrscht ein Gesamtstress von etwa 100 MPa.
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Da die erste Schicht 3 und die zweite Schicht 4 eine entgegengerichtete Spannung aufweisen, ist die Gesamtspannung über den Querschnitt der Membran gesehen deutlich verringert. Durch den mehrlagigen Schichtaufbau mit Schichten entgegengerichteter Spannung wird die Anfälligkeit der Membran für Rißbildung deutlich verringert. Weiterhin ist durch die Wahl von Materialien mit niedrigem thermischem Leitwert eine gute thermische Isolation der Membran möglich.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements ist darüber hinaus noch eine Verschlußschicht 8 und eine pyroelektrische Schicht 9 vorgesehen. Die Verschlußschicht 8 versiegelt den Hohlraum 7 gasdicht, so daß der Hohlraum als gute thermische Isolation für die pyroelektrische Schicht 9 dienen kann.
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Anhand der 2A bis 2H wird nun ein Herstellungsverfahren für das in 1 gezeigte Bauelement gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung erläutert.
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Wie in 2A gezeigt, wird zuerst auf ein Substrat 1 eine etwa 1 μm dicke Opferschicht 2 aufgebracht, wobei das Substrat vorzugsweise aus Silizium und die Opferschicht vorzugsweise aus Siliziumoxid besteht. Darauf wird dann eine erste Membranschicht 3 von ungefähr 60 nm Dicke aufgebracht (2B). Die erste Membranschicht 3 besteht vorzugsweise aus Siliziumnitrid. Nachfolgend wird die in 2C gezeigte zweite Membranschicht 4 aufgebracht. Vorzugsweise besteht die ca. 400 nm dicke zweite Membranschicht aus Siliziumoxid, also demselben Material wie die Opferschicht 2.
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Anschließend werden Ätzöffnungen 5 in die zweite Schicht 4 geätzt mit Ätzstop auf dem Siliziumnitrid der ersten Membranschicht 3 (siehe 2D). Weiterhin wird, wie in 2E gezeigt, die erste Schicht 3 in den Ätzöffnungen selektiv zum Siliziumoxid geätzt. Dabei dient die strukturierte zweite Schicht 4 als Ätzmaske. 2F zeigt den darauf folgenden Schritt, in dem eine Fotomaske 6 aufgebracht wird, die über den Ätzöffnungen 5 in der ersten und der zweiten Schicht 3, 4 Öffnungen beinhaltet, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Ätzöffnungen 5 ist. Dementsprechend sind insbesondere die Flanken der zweiten Schicht 4 mit dem Material der Fotomaske 6 bedeckt. Dadurch werden bei dem in 2G gezeigten isotropen Ätzen eines Hohlraums 7 unter der Membran die Flanken der zweiten Schicht 4 geschützt, indem das Ätzmittel praktisch keine Berührung mit den Flanken der zweiten Schicht hat.
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Anschließend wird die Fotomaske 6 entfernt und der Hohlraum 7 durch Abscheiden einer Verschlußschicht 8 gasdicht versiegelt (2H). Als Material der Verschlußschicht 8 wird dabei bevorzugt Siliziumoxid verwendet. Nachfolgend wird auf die Verschlußschicht 8 noch eine pyroelektrische Schicht 9 abgeschieden, so daß sich das in 1 gezeigte mikromechanische Bauelement ergibt. Der Hohlraum 7 dient in diesem Anwendungsfall als thermische Isolation.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem in 3 gezeigten Bauelement ist auf einem Substrat 1 eine Opferschicht 2 aufgebracht. Auf der Opferschicht 2 liegt eine Membran aus einer ersten Schicht 3, einer zweiten Schicht 4 und einer dritten Schicht 10 auf, die mindestens eine Ätzöffnung 5 aufweist. Durch diese Ätzöffnung 5 ist die Opferschicht 2 unterhalb der Membran 3, 4, 10 isotrop weggeätzt, so daß sich zwischen Substrat 1 und Membran 3, 4, 10 ein Hohlraum 7 befindet.
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Die Schichtdicken betragen ungefähr 1 μm für die Opferschicht 2, ca. 60 nm für die erste Schicht 3, ungefähr 400 nm für die zweite Schicht 4 und in etwa 60 nm für die dritte Schicht 10. Als Materialien eignen sich insbesondere Silizium für das Substrat 1, Siliziumoxid für die Opferschicht 2, Siliziumnitrid für die erste und die dritte Schicht 3, 10 und Siliziumoxid für die zweite Schicht 4. Da, wie schon oben beschrieben, in der Nitridschicht eine Zugspannungen von ungefähr 1 GPa und in der Oxidschicht eine Druckspannung von etwa 200 bis 300 MPa herrscht, wird durch die gewählten Schichtdicken von insgesamt 120 nm Si3N4 und 400 nm SiO2 die resultierende Spannung in einem Bereich von ungefähr 15% der in der Nitridschicht herrschenden Zugspannung eingestellt. In der Membran herrscht also ein Gesamtzugstress von etwa 150 MPa.
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Anhand der 4A bis 4H wird nun ein Herstellungsverfahren für das in 3 gezeigte Bauelement gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung erläutert. Wie in 4A gezeigt, wird zuerst auf ein Substrat 1 eine ca. 1 μm dicke Opferschicht 2 aufgebracht, wobei das Substrat vorzugsweise aus Silizium und die Opferschicht vorzugsweise aus Siliziumoxid besteht. Darauf wird dann eine erste Membranschicht 3 aufgebracht, wie in 2B gezeigt ist.
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Die erste Membranschicht 3 besteht vorzugsweise aus Siliziumnitrid und weist eine Dicke von ungefähr 60 nm auf. Sodann wird die in 4C gezeigte zweite Membranschicht 4 aufgebracht. Vorzugsweise besteht die zweite Membranschicht aus Siliziumoxid, also demselben Material wie die Opferschicht 2, und weist eine Dicke von ca. 400 nm auf. Anschließend werden Ätzöffnungen 5 in die zweite Schicht 4 geätzt mit Ätzstop auf dem Siliziumnitrid der ersten Membranschicht 3 (siehe 4D). Wie in 4E gezeigt, wird dann eine dritte Membranschicht 10 konform abgeschieden, die vorzugsweise wie die erste Schicht 3 aus Siliziumnitrid ist und die auch eine Dicke von 60 nm aufweist.
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Wie in 4E gezeigt, umhüllen die erste Schicht 3 und die dritte Schicht 10 die zweite Schicht 4, insbesondere bedeckt die dritte Schicht 10 die Flanken der zweiten Schicht 4. Sodann werden, wie in 4F gezeigt, die dritte Schicht 10 und die erste Schicht 3 in den Ätzöffnungen selektiv zum Siliziumoxid der Opferschicht 2 geätzt. Bei dem in 4G gezeigten anschließenden isotropen Ätzen eines Hohlraums 7 unter der Membran sind die Flanken der zweiten Schicht 4 durch die dritte Schicht 10 geschützt.
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Anschließend wird der Hohlraum 7 durch Abscheiden einer Verschlußschicht 8 gasdicht versiegelt (4H). Als Material der Verschlußschicht 8 wird dabei bevorzugt Siliziumoxid verwendet. Nachfolgend wird auf die Verschlußschicht 8 noch eine pyroelektrische Schicht 9 abgeschieden, so daß sich das in 3 gezeigte mikromechanische Bauelement ergibt. Der Hohlraum 7 dient in diesem Anwendungsfall als thermische Isolation.
