DE10305411B4

DE10305411B4 - Mikroelektromechanische Vorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE10305411B4
Application number: DE10305411A
Authority: DE
Inventors: Dr. Böttner Harald; Axel Schubert; Dr. Nurnus Joachim; Martin Jagle
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Micropelt GmbH
Current assignee: MICROPATENT B.V., NL; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: US7084502B2; DE10305411A1; US20040241994A1

Abstract

Mikroelektromechanische Vorrichtung mit mindestens einem Substrat und mindestens einer Schicht auf dem Substrat, wobei
a) die mindestens eine Schicht (1) eine thermoelektrische Schicht ist und mit mindestens einem Spannungsabbaumittel (2) zum gezielten Abbau in der Schicht (1) vorliegender lateraler, mechanischer Spannungen gekoppelt ist,
b) das Spannungsabbaumittel (2) als eine Lücke in der thermoelektrischen Schicht (1) ausgebildet ist, wobei
c) auf mindestens einem Bereich der Substratoberfläche (11) unterhalb der thermoelektrischen Schicht (1) bereichsweise eine Haftschicht (3) und in anderen Bereichen unterhalb der Lücke eine Antihaftschicht (4) zur Reduktion oder Verhinderung der Anhaftung von Material der thermoelektrischen Schicht (1) und damit zur Bildung des Spannungsabbaumittels (2) in Form der Lücke angeordnet sind, wobei die thermoelektrische Schicht (1) auf der Antihaftschicht (4) schlechter haftet als auf der Haftschicht (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine mikroelektromechanische Vorrichtung mit mindestens einer thermoelektrischen Schicht gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung nach Anspruch 13.
Bei der Herstellung von mikroelektromechanischen Vorrichtungen, z. B. Thermogeneratoren oder Peltierelementen, werden üblicherweise Schichten auf einem Substrat angeordnet (z. B. abgeschieden, aufgewachsen etc.).
Die DE 198 45 104 A1 beschreibt u. a. ein Verfahren zur Herstellung von thermoelektrischen Wandlern, hergestellt vorzugsweise auf Standardwafern der Mikroelektronik wie Si/SiO₂. Dabei werden unterschiedliche Bauelemente aus zwei Substratwafern, beschichtet mit den jeweiligen komplementären n/p-Materialien, hergestellt (”Sandwich Bauweise”). Substratwafer sind Standardwafer die u. a. entsprechend der Lehre der DE 198 45 104 A1 für das Beschichten mit thermoelektrischen Material für die Bauelementeherstellung vorbereitet sind.
Aufgrund der Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem thermoelektrischen Material und dem Substrat von nahezu einer Dekade ist bei wenig oder schlecht haftenden Schichten mit Abplatzen oder Rissbildung, bei sehr gut haftenden Schichten mit einer Verkrümmung des Substratwafers zu rechnen.
Stand der Technik ist ebenso, dass auch auf andere Substrate wie Mica, Glas und BaF₂ (siehe z. B.: Zou, H. et al., ”Preparation and characterisation of p-type Sb₂Te₃ and n-type Bi₂Te₃ thin films grown by coevaporation”, J. Vac. Sci. Technol. A (2001), Val. 19, No. 3, pp. 899–903 und Boikov, Yu. A. et al, ”Layer by layer growth of Bi₂Te₃ epitaxial thermoelectric heterostructures” Proc 16th International Conference an Thermoelectrics. Dresden, Germany, August 1997, pp. 89-2.) erfolgreich thermoelektrische Materialien mit hoher Qualität aufgewachsen wurden.
Aus diesem Stand der Technik ist bekannt, dass ausschließlich Schichten im Bereich von einigen 100 nm bis 1–3 μm mit den dort erwähnten verschiedenen Dünnschichtmethoden hergestellt wurden. Größere Schichtdicken wurden nicht erreicht, einmal wegen für eine technische Nutzung zu langer Wachstumszeiten, zum Anderen wegen der zu erwartenden Probleme auf Grund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
Eine Ausnahme stellen Schichten von IV-VI-Verbindungen, Bleichalkogenide, auf BaF₂ dar (Harmann, T. C., et al.: ”High thermoelectric figures of merit in PbTe Quantum Wells”, Electronic Mater., Vol. 25, No. 7 (1996), pp. 1121–1227). Hier sind Schichtdicken über 5 μm erreichbar. Der Grund liegt in den angepassten Gitterkonstanten der Materialien und den ebenfalls angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
Zwar wird auch für V-VI-Verbindungen über Schichtdicken von mehr als 5 μm-Dicke berichtet, es werden aber keine Aussagen über verwendete Substrate oder mögliche Halbleitertechnologien gemacht (siehe R. Venkatasubramanian et al.; ”Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit”, Nature, Vol 43, 11. Oct. 2001, 597–602).
Mit den bekannten technischen Lösungen ist in Bezug auf alle derzeit bekannten Substrate für die Nutzung in thermoelektrischen Bauelementen (z. B. Peltierelemente und Thermogeneratoren) kein stressfreies Aufwachsen ausreichender Schichtdicken von einigen Mikrometern bis zu mehreren 10 μm möglich.
Unter stressfrei wird hier verstanden, dass die lateralen, mechanischen Spannungen in einer Schicht möglichst klein sein sollen. Eine vollständige Verhinderung von lateralen mechanischen Spannungen ist technisch kaum realisierbar, wohl aber ein Zustand, in dem die noch vorhandenen lateralen Spannungen keine negativen Auswirkungen haben.
Stressfreies Aufwachsen ist weiterhin notwendig, damit das Aufbringen thermoelektrischer Schichten den üblichen Prozessen der Mikroelektronik, insbesondere photolithographischen Prozessen und Ätzverfahren, leicht zugänglich wird (siehe dazu DE 198 45 104 A1 und den Artikel H. Böttner et al.: ”New Thermoelectric components in Micro-System-Technologies”, Proc. 6th Workshop European Thermoelectric Society (ETS), Freiburg, (2001)).
Die Nachteile des Standes der Technik sind damit offensichtlich: Insbesondere dünnschichtthermoelektrische Bauelemente sind bei notwendigen Schichtdicken für eine übliche technische Nutzung nicht zugänglich. Es ist die Aufgabe, eine mikroelektromechanische Vorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, bei denen eine stressfreie Schicht vorliegt bzw. ein stressfreies Aufwachsen auch für Schichtdicken von >> 10 μm möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine mikroelektromechanische Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach wird eine mikroelektronische Vorrichtung bereitgestellt, mit mindestens einer thermoelektrischen Schicht auf mindestens einem Substrat, wobei

a) die mindestens eine thermoelektrische Schicht mit mindestens einem Spannungsabbaumittel zum gezielten Abbau in der Schicht vorliegender lateraler, mechanischer Spannungen gekoppelt ist,
b) das Spannungsabbaumittel als eine Lücke in der thermoelektrischen Schicht ausgebildet ist, wobei
c) auf mindestens einem reich der Substratoberfläche unterhalb der thermoelektrischen Schicht bereichsweise eine Haftschicht und in anderen Bereichen unterhalb der Lücke Antihaftschicht zur Reduktion oder Verhinderung der Anhaftung von Material der thermoelektrischen Schicht und damit zur Bildung des Spannungsabbaumittels in Form der Lücke angeordnet sind, wobei die thermoelektrische Schicht auf der Antihaftschicht schlechter haftet als auf der Haftschicht.

Unter einer Vorrichtung wird hier z. B. ein Zwischenprodukt (z. B. ein strukturierter Wafer) oder ein mikroelektromechanisches Bauelement verstanden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Antihaftschicht eine Ti-W-Legierung oder SiO₂ aufweist oder aus einer Ti-W Legierung oder SiO₂ besteht. Durch die Antihaftschicht wird gezielt eine laterale ”Lücke” in einer Schicht erzeugt, die einen Spannungsaufbau über eine größere Fläche verhindert. Die Lücke als Spannungsabbaumittel ist mit der zu unterbrechenden Schicht gekoppelt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist bei mindestens einem Bereich auf dem Substrat ein vertikaler Versatz zwischen zwei lateral aneinandergrenzenden Schichten als zusätzliches Spannungsabbaumittel angeordnet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der vertikale Versatz durch eine Vorstrukturierung des Substrates, insbesondere mit Elektrodenmetall und/oder der Haftschicht gebildet ist. Durch die bewusste Erzeugung eines vertikalen Versatzes kann ein weiteres Spannungsabbaumittel geschaffen werden.
Vorteilhaft ist es, wenn mindestens ein Graben eine Tiefe von bis zu 100 μm aufweist.
Die Vorrichtung ist besonders wirksam, wenn der Unterschied zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten mindestens einer Schicht und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats mindestens 3·10^–6 K^–1, insbesondere mindestens 10^–5 K^–1 beträgt. Bei diesen Größenordnungen besteht eine erhöhte Gefahr der mechanischen Verspannung.
Vorteilhaft ist es, wenn die Schichtdicke der thermoelektrischen Schicht zwischen 2 und 100 μm beträgt. Besonders vorteilhaft ist es für Schichtdicken zwischen 20 und 100 μm.
Vorteilhafterweise wird ein Substrat verwendet, das zumindest teilweise aus Mica, Glas, BaF₂, Silicium, Siliciumdioxid, Siliciumcarbid und/oder Diamant besteht. Besonders vorteilhaft sind dabei Substrate mit hoher Wärmeleitfähigkeit (z. B. Silizium, Diamant).
Besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens eine aus zwei Substraten zusammengesetzte Vorrichtung für ein Halbleiterbauelement verwendet wird. Dies ist für ein Peltierelement und/oder ein Thermogeneratorelement vorteilhaft, welches z. B. in Sandwich-Bausweise hergestellt sind. Für solche mikroelektromechanischen Vorrichtungen ist es vorteilhaft, wenn die thermoelektrische Schicht einen Anteil an typischen thermoelektrischen Verbindungen, insbesondere Bi₂Te₃, PbTe, SiGe und/oder Skutterrudite aufweist.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
Damit wird ein Verfahren zum stressreduzierten Aufwachsen von thermoelektrischen Schichten geschaffen. Es kann eine Entstressung erreicht werden, auch bei Temperaturdifferenz von einigen 100°K zwischen der typischen Aufwachstemperatur von ca. 300°C für thermoelektrische Schichten und der späteren typischen Betriebstemperatur bei Normalbedingungen.
Auch ist es vorteilhaft wenn in einem Bereich auf dem Substrat ein vertikaler Versatz zwischen zwei lateral aneinandergrenzenden Schichten als zusätzliches Spannungsabbaumittel (2) angeordnet wird.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Stufe bei der Herstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Stufe bei der Herstellung des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 eine schematische Draufsicht auf ein strukturiertes Substrat gemäß eines nicht erfindungsgemäßen Beispiels;
3a eine schematische Schnittansicht entlang der Linie A-A in der 3;
4 eine schematische Draufsicht auf ein strukturiertes Substrat gemäß des nicht erfindungsgemäßen Beispiels mit Rissen außerhalb von Elektrodenbereichen;
5 eine schematische Draufsicht auf ein Substrat gemäß eines nicht erfindungsgemäßen Beispiels;
5a eine schematische Schnittansicht entlang der Linie B-B in 5.
Ausführungsbeispiel 1: Lateral selbststrukturierende Schichten aus thermoelektrischem Material
Die erheblichen Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten α der für den Aufbau von thermoelektrischen Bauelementen notwendigen Materialien, entsprechend der DE 198 45 104 A1 , bedingen erhebliche mechanische Verspannungen. Dies ist insbesondere offensichtlich bei der Verwendung von Si/SiO₂-Substraten:
α(Bi₂Te₃) = 13 – 21·10^–6 K^–1 (thermoelektrisches Material),
α(Si) = 2,5·10^–6 K^–1,
α(SiO₂) = 0,5·10^–6 K^–1.
Der resultierende Effekt zeigt sich bei thermoelektrischen Schichten 1 auf 4'' (4-Zoll) Si/SiO₂-Substraten bereits bei einfachen optischen Messungen. Verkrümmungen von einigen Millimetern sind messbar. Es ist durch eigene Untersuchungen bekannt, dass thermoelektrisch für Peltierkühler und Thermogeneratoren sinnvoll nutzbare Schichten (z. B. Dicken von ≥ 20 μm) auch auf Grund der oben genannten Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zum Abplatzen neigen, so z. B. auf bestimmten Substraten wie Si/SiO₂- und/oder TiW-Legierungen.
Ein Substrat ist hier ein Materialverbund mit möglichst hohem Leitwert mit einer möglichst dünnen Deckschicht aus einem elektrischen Isolator.
Erfindungsgemäß wird eine thermoelektrische Schicht 1 mit einem Spannungsabbaumittel 2 zum gezielten Abbau von in der Schicht 1 vorliegenden, lateralen mechanischer Spannungen gekoppelt, vgl. 1, 2.
In 1 ist dargestellt, dass unter der thermoelektrischen Schicht 1 auf einer Substratoberfläche 11 bereichsweise eine Haftschicht 3 und in anderen Bereichen eine Antihaftschicht 4 angeordnet ist. Die Antihaftschicht 4 ist so ausgebildet, dass die thermoelektrische Schicht 1 nicht oder nur sehr schlecht auf der Antihaftschicht 4 anhaftet. Im vorliegenden Beispiel ist die Haftschicht 3 als dünne Gold-Schicht ausgebildet. Alternativ können auch Zinn-, Blei oder ähnliche Schichten als Haftschicht 3 verwendet werden. Die Schichtdicke liegt im Nanometerbereich. Die Haftschicht 3 ist über einer Elektrodenschicht 5 angeordnet.
Die Antihaftschicht 4 weist SiO₂ oder eine Ti-W-Legierung auf oder besteht ganz aus diesen Materialien. Die thermoelektrische Schicht 1 haftet nur schlecht oder gar nicht auf den genannten Materialien.
Das thermoelektrische Material wächst auf einem Wafer als Substrat 10 auf (z. B. mittels PVD), das strukturiert ist. Im Bereich der Antihaftschicht 4 wächst zwar thermoelektrisches Material auf, es wird aber nur schwach, u. U. nur mechanisch verzahnt.
Mit einer entsprechenden Nachbehandlung, wie zum Beispiel mit Ultraschall, kann das schwach haftende Material herausgelöst werden. Der Aufbau der Probe hat dann im Querschnitt das Aussehen wie in 2. Die thermoelektrische Schicht 1 ist über den Bereichen der Antihaftschicht 4 entfernt, so dass eine laterale Strukturierung erreicht wurde. Die thermoelektrische Schicht 1 im Bereich über der Haftschicht 3 ist damit mit einer Lücke 2 als Spannungsabbaumittel gekoppelt.
Alternativ (z. B. im Fall einer Ti-W-Legierungsschicht) kann im Bereich der Antihaftschicht 4 kein Aufwachsen einer thermoelektrischen Schicht 1 stattfinden, so dass eine Nachbehandlung überflüssig ist. Die Ti-W-Schicht ist als Haftvermittler für Elektroden einsetzbar. Die Antihaftschicht 4 wird bei der Herstellung von Bauelementen mit solchen thermoelektrischen Schichten im Laufe der entsprechenden technologischen Prozesse entfernt.
In jedem Fall wird das in der Erfindung offenbarte Spannungsabbaumittel 2 hier als laterale Selbststrukturierung während des Schichtwachstums erzeugt.
Nicht erfindungsgemäßes Beispiel 1: Definierte Rissbildung durch geometrische Sollbruchstellen entlang vertikaler Strukturkanten sog. ”Wellenbrecherstrukturen” zur Aufhebung lateraler Spannungen
Die erheblichen Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten α der für den Aufbau von thermoelektrischen Bauelementen notwendigen Materialien, entsprechend der oben erwähnten DE 198 45 104 A1 , bedingen erhebliche mechanische Verspannungen. Dies wird insbesondere bei der Verwendung von Si/SiO₂-Substraten deutlich:
α(Bi₂Te₃) = 13 – 21·10^–6 K^–1 (thermoelektrisches Material),
α(Si) = 2,5·10^–6 K^–1,
α(SiO₂) = 0,5·10^–6 K^–1.
Dieser Effekt zeigt sich deutlich bei thermoelektrischen Schichten auf 4'' Si/SiO₂ Substraten 10 bereits bei einfachen optischen Messungen. Verkrümmungen von einigen Millimetern sind messbar. Die notwendige Anhaftung der thermoelektrischen Materialien wird durch die Einführung von Haftschichten 3 erreicht. Dabei sind sowohl in Bezug auf Material, Schichtdicke und der Art der Prozessführung geeignete Bedingungen einzuhalten.
Im Unterschied zu dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, wird bei diesem Beispiel nur mit einer Haftschicht 3 gearbeitet, die zur sicheren Anordnung der thermoelektrischen Schicht 1 notwendig ist. In 3, 3a ist dies schematisch dargestellt.
3 zeigt schematisch eine mögliche Gesamtanordnung unter Verwendung so genannter ”Wellenbrecherstrukturen” zum Abbau der unvermeidbaren lateralen Spannungen. Bei der Darstellung entsprechend 3 wurde keine Aufsicht dargestellt, die einer tatsächlichen Verteilung in Bereiche für die spätere Nutzung als thermoelektrisches Bauelement und in Bereiche mit ausschließlich Wellenbrecherfunktion entspricht.
In 3 ist schematisch das Erscheinungsbild einer Aufsicht auf einen Teil eines Wafers 10 dargestellt. 3a zeigt eine Schnittansicht gemäß der in 3 dargestellten Schnittlinie.
Die schwarzen senkrechten Striche 13 in 3a zeigen die Bereiche mit massiven Wachstumsstörungen an; dies stellt das Spannungsabbaumittel dar. Hervorgerufen werden diese Wachstumsstörungen durch Höhenunterschiede von einigen Mikrometern. Ein Spannungsaufbau durch laterale Verbindungen der Schicht 1 wird durch die gezielt genutzten Höhenunterschiede vermieden.
Die Haftschicht 3 wird bei diesem Beispiel ganzflächig über die bereits vorher strukturierten Elektrodenmetalle 5 aufgebracht. Die Elektrodenmetalle 5 haben typischerweise eine Dicke von einigen Mikrometern, z. B. 2 μm (siehe z. B. den oben zitierten Artikel von Böttner et al.). Die Elektrodenmetalle 5 können mittels physikalischer und/oder chemischer Beschichtungsmethoden aufgewachsen werden.
Aufgrund der Vorstrukturierung entsteht auf dem Substrat 10 ein in der Fläche verteiltes Höhenprofil, das ein gleichmäßiges laterales Aufwachsen der Schicht 1 durch Wachstumsstörungen direkt an den Niveauunterschieden verhindert. Die an den vertikalen Versatzstellen auftretenden ”Sollbruchstellen” stellen das Spannungsabbaumittel 2 dar, das hier gezielt erzeugt wird.
Die Haftung und das Aufwachsen der thermoelektrischen Schicht 1 als dichtes Material wird durch dieses Vorgehen nicht verschlechtert.
Die Wirkung dieser Strukturierung zeigt sich im Abbau des lateralen Stresses (Zugspannung, Druckspannung), so dass eine Krümmung des Substrates 10 (Waferkrümmung) deutlich verringert wird. Solche Wafer sind einer Nachverarbeitung, insbesondere bei photolithographischen Prozessen, leichter zugänglich.
Mikroskopische Untersuchungen in Abhängigkeit der geometrischen Anordnung von strukturierten Kontaktmetallen und ganzflächiger Verwendung von Haftmetallschichten zeigen bei bislang üblichen Dimensionen und Verteilungen von Kontaktmetallflächen und Nichtkontaktmetallflächen eine Systematik in der Rissbildung in den ca. 10 bis 30 μm dicken thermoelektrischen Schichten 1 in den Bereichen um und zwischen den Kontaktmetallflächen.
Beschichtete Flächen bestimmter Dimensionen sowohl für die Kontaktmetallflächen als auch für die Nichtkontaktmetallflächen bleiben rissfrei. Dabei sind rissfreie Flächen des thermoelektrischen Materials auf den Elektrodenflächen generell wesentlich größer als auf den Flächen außerhalb des Elektrodenbereiches.
In 4 ist eine schematische Wiedergabe einer mikroskopischen Darstellung eines Wafersubstrates 10 mit Flächen für Elektrodenmetall 5 dargestellt. Die Elektrodenmetallflächen 5 sind durch die oben beschriebenen Spannungsabbaumittel 2 getrennt. Das Elektrodenmetall 5 innerhalb der rechteckigen Flächen ist rissfrei, da innerhalb dieser Flächen bedingt durch die Spannungsabbaumittel 2 keine oder nur sehr geringe mechanische Spannungen auftreten. Außerhalb dieser Elektrodenflächen 5, und nur außerhalb, sind Risse 12 erkennbar.
Die Aufgabe für z. B. 4'' bis 8''-Wafer, rissfreie funktionelle Strukturen von gesputtertem thermoelektrischem Material zu bekommen wird herkömmlicherweise dadurch gelöst, dass entsprechend der Ergebnisse der oben erwähnten mikroskopischen Analyse weitere Metallstrukturen mit der Schichtabfolge wie für die Elektrodenflächen mit ihrer typischen Höhe von ca. 2 μm und den notwendigen geometrischen Dimensionen in Länge und Breite auf der Substratoberfläche vorgesehen werden. Diese Strukturen, die den Abbau lateraler Spannungen über den Wafer bewirken, weisen durch die erzielte Vermeidung der Rissbildung im thermoelektrischen Material weitere Vorteile für nachfolgende Prozessschritte auf:

– Vorteile durch Vermeidung der Rissbildung in der funktionellen Struktur: unerwünschtes Eindringen von z. B. Photolack oder anderen Flüssigkeiten in Risse im thermoelektrischen Material und damit in der Nachfolge unkontrollierbare Verschmutzung oder schlechte Kontrolle nachfolgender Prozesse durch störende Zusatzeffekte wird vermieden;
– Vorteile durch Vermeiden lateraler Spannungen: eine makroskopische Durchbiegung des Wafers wird vermindert, damit werden nachfolgende Photoprozesse, oder Beschichtungen erleichtert oder erst ermöglicht.

Nicht erfindungsgemäßes Beispiel 2: Entstressung durch frontgesägte oder frontgeätzte Wafer
In einem Beispiel werden mechanisch und/oder chemisch gezielt Spannungsabbaumittel 2 in das Substrat 10 (und ggf. in bereits aufgewachsene Schichten) eingebracht.
Als Substrat können z. B. bearbeitete 4''–8'' Basiswafer dienen, bei denen in die Waferfrontseite ein Rinnen-/Grabenmuster in einem regelmäßigen Raster Vertiefungen gesägt oder geätzt werden. Die Tiefe dieser Gräben kann vorzugsweise bis zu 100 μm betragen. Das Wachstum der thermoelektrischen Schicht 1 wird durch diese Gräben in einer Weise gestört, dass ein Abbau des Stresses – in Form der Verminderung des Zugs oder Druckes – erreicht werden kann.
Im Ergebnis liegen damit auch größenmäßig und geometrisch vordefinierte Plateaus vor, die die Grundfläche für den Aufbau kompletter thermoelektrischer Bauelemente aufweisen. Vorteile dieser Anordnung sind:

1. eine periodische Unterbrechung gegen den Aufbau des lateralen Stresses;
2. eine vordefinierte Sollbruchstelle; diese ist vorteilhaft für die spätere Vereinzelung der auf dem Wafer hergestellten Bauelemente.

Das Wachstum der thermoelektrischen Schicht wird durch diese Gräben in einer Weise gestört, dass ein Abbau des Stresses – in Form der Verminderung des Zugs oder Druckes – erreicht werden kann.
In 5 ist schematisch eine Aufsicht auf einen Wafer 10 mit Ätz- oder Sägegräben als Spannungsabbaumittel 2 dargestellt. In 5a ist ebenfalls schematisch ein Schnittbild durch den Wafer entlang der Schnittlinie in 5 dargestellt. Deutlich ist im Schnittbild die Plateauanordnung zu erkennen – sog. ”Schokoladenwafer”. Breite und Anordnung der Ätz- oder Sägegräben ist variabel und damit auch als Vorgabe für die Vereinzelung der Bauelemente aus dem prozessierten Wafer nutzbar. Die Tiefe der Gräben liegt hier im Bereich von einigen 10 μm; ebenso liegt die Breite der Gräben für beide Ausführungsformen (Ätzen oder Sägen) im Bereich einiger 10 μm. Das Sägeraster kann sowohl im Bereich mehrerer Millimeter liegen, wie angedeutet in 5, als auch im Bereich der Größe einzelner Bauelemente liegen (siehe DE 198 45 104 A1 ). Dies bedeutet ein Sägeraster bis in den Bereich einiger 100 μm.
Die Anordnung der gesägten oder geätzten Gräben kann vor oder nach dem Anordnen der thermoelektrischen Schicht vorgenommen werden, in der der laterale Spannungsabbau erfolgen soll.
Das Ausführungsbeispiel zeigt eine erfindungsgemäße Ausbildung, die auf einem Substrat 10 auch mit den nicht erfindungsgemäßen Beispielen kombiniert werden kann, wobei die zu wählende Variante sich nach den geometrischen und funktionellen Gegebenheiten richtet.
Bezugszeichenliste

1: Schicht (thermoelektrische)
2: Spannungsabbaumittel
3: Haftschicht
4: Antihaftschicht
5: Elektrodenmetall
10: Substrat
11: Substratoberfläche
12: Riss
13: Strich (Spannungsabbaumittel)

Claims

Mikroelektromechanische Vorrichtung mit mindestens einem Substrat und mindestens einer Schicht auf dem Substrat, wobei a) die mindestens eine Schicht (1) eine thermoelektrische Schicht ist und mit mindestens einem Spannungsabbaumittel (2) zum gezielten Abbau in der Schicht (1) vorliegender lateraler, mechanischer Spannungen gekoppelt ist, b) das Spannungsabbaumittel (2) als eine Lücke in der thermoelektrischen Schicht (1) ausgebildet ist, wobei c) auf mindestens einem Bereich der Substratoberfläche (11) unterhalb der thermoelektrischen Schicht (1) bereichsweise eine Haftschicht (3) und in anderen Bereichen unterhalb der Lücke eine Antihaftschicht (4) zur Reduktion oder Verhinderung der Anhaftung von Material der thermoelektrischen Schicht (1) und damit zur Bildung des Spannungsabbaumittels (2) in Form der Lücke angeordnet sind, wobei die thermoelektrische Schicht (1) auf der Antihaftschicht (4) schlechter haftet als auf der Haftschicht (3).
Mikroelektromechanische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antihaftschicht (4) eine Ti-W-Legierung oder SiO₂ aufweist oder aus einer Ti-W-Legierung oder SiO₂ besteht.
Mikroelektromechanische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Bereich auf dem Substrat (10) ein vertikaler Versatz zwischen zwei lateral aneinandergrenzenden Schichten (1) als zusätzliches Spannungsabbaumittel (2) angeordnet ist.
Mikroelektromechanische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vertikale Versatz durch eine Vorstrukturierung des Substrates (10), insbesondere mit Elektrodenmetall (5) und/oder einer Haftschicht (3) gebildet ist.
Mikroelektromechanische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Graben eine Tiefe von bis zu 100 μm aufweist.
Mikroelektromechanische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (1) eine thermoelektrische Schicht mit einer Schichtdicke zwischen 2 und 100 μm ist.
Mikroelektromechanische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke zwischen 20 und 100 μm beträgt.
Mikroelektromechanische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) zumindest teilweise aus Mica, Glas, BaF₂, Silicium, Siliciumdioxid, Siliciumcarbid und/oder Diamant besteht.
Mikroelektromechanische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein weiteres Substrat (10).
Mikroelektromechanische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Peltierelement und/oder ein Thermogeneratorelement gebildet ist.
Mikroelektromechanische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (1) einen Anteil an Bi₂Te₃, PbTe, SiGe und/oder Skutterrudite aufweist.
Mikroelektromechanische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der mindestens einen Schicht (1) und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats (10) mindestens 3·10^–6 K^–1, insbesondere mindestens 10^–5 K^–1 beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine thermoelektrische Schicht (1) auf einem Substrat (10) mit mindestens einem Spannungsabbaumittel (2) zum gezielten Abbau von in der Schicht (1) vorliegenden lateralen, mechanischen Spannungen gekoppelt wird, das Spannungsabbaumittel (2) in Form einer Lücke in der Schicht (1) erzeugt wird, wobei vor dem Aufwachsen der thermoelektrischen Schicht (1) auf mindestens einem Bereich der Substratoberfläche (11) eine Haftschicht (3) und auf anderen Bereichen der Substratoberfläche (11) eine Antihaftschicht (4) zur Reduktion oder Verhinderung der Anhaftung von Material der thermoelektrischen Schicht (1) angeordnet wird, und die Lücke dadurch gebildet wird, dass die thermoelektrische Schicht (1) über der Antihaftschicht (4) herausgelöst wird oder im Bereich der Antihaftschicht (4) kein Aufwachsen der thermoelektrischen Schicht (1) stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Bereich auf dem Substrat (10) ein vertikaler Versatz zwischen zwei lateral aneinandergrenzenden Schichten als weiteres Spannungsabbaumittel (2) angeordnet wird.