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Die
Erfindung betrifft ein mikromechanisches Verfahren zum Herstellen
eines Schichtelementes und ein Bauelement, das ein Schichtelement
aufweist.
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Bauelemente
mit flexiblen Schichtelementen sind beispielsweise als Mikropumpen
ausgebildet. Mikropumpen werden für verschiedene technische Bereiche,
insbesondere im medizinischen Bereich eingesetzt, um kleine Flüssigkeitsmengen
präzise
zu befördern.
Zur Herstellung von Mikropumpen werden mikromechanische Herstellungsverfahren
eingesetzt. Zur Herstellung einer Mikropumpe wird beispielsweise
Silicium verwendet, das mit entsprechenden Abscheide- und Ätzverfahren
einfach und präzise
strukturiert werden kann.
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Aus
der Patentschrift
US 6,390,791 ist
ein gattungsgemäßes Bauelement
in Form einer Mikropumpe bekannt, die auf einem SOI-Wafer hergestellt wird.
Die Mikropumpe besteht aus einem dreifach-Stack mit zwei Glaswafern
und einem dazwischen befindlichen SOI-Wafer. Zur Herstellung einer Pumpmembran
wird eine einkristalline Siliciumschicht des SOI-Wafers verwendet,
wobei zur Herstellung z.B. ein Trockenätzverfahren zur Strukturierung
der Siliciumschicht und ein Opferoxid-Ätzverfahren zum Freilegen der
Strukturen verwendet wird. Das flexible Schichtelement wird aus
der Siliciumschicht herausgearbeitet, wobei zum Freistellen des Schichtelementes
die Opferoxidschicht abgeätzt wird.
Bei dem bekannten Verfahren ist es nachteilig, dass lange Opferoxid-Ätzschritte
notwendig sind, die zudem eine unreproduzierbare Unterätztiefe
bewirken.
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Weiterhin
besteht die Gefahr, dass das Schichtelement, das als Schließglied des
Einlassventils verwendet wird, beim Opferoxidätzen zur Freistellung des Schichtelements
an dem Siliciumwafer anklebt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein mikromechanisches Verfahren
zum Herstellen eines flexiblen Schichtelements bereit zu stellen,
bei dem die Gefahr des Anklebens des Schichtelements reduziert ist.
Zudem besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein verbessertes
Bauelement bereit zu stellen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch das mikromechanische Verfahren
gemäß Patentanspruch
1 und durch das Bauelement gemäß Patentanspruch
8 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass die Opferschicht unter der Funktionsschicht
zuerst entfernt wird und erst anschließend das Schichtelement aus
der Funktionsschicht herausgearbeitet wird. Auf diese Weise wird ein
Verkleben des Schichtelements mit einer Grundplatte sicher vermieden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird die festgelegte Struktur, die zur Freistellung des Schichtelements
in die Funktionsschicht eingebracht wird, auch in die Grundplatte
wenigstens teilweise eingebracht. Auf diese Weise wird eine definierte
und begrenzte Anlagefläche
für das
Schichtelement aus der Grundplatte herausgearbeitet. Zudem vergrößert der
Graben den Volumenbereich, der an Randbereiche des Schichtelements
angrenzt, so dass Fluid beim Bewegen des Schichtelements leichter
verdrängt
werden kann. Damit wird die Beweglichkeit des Schichtelements verbessert.
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In
einem weiteren vorteilhaften Verfahrensschritt wird nach dem Entfernen
der Opferschicht eine Schutzschicht auf die Innenwand der Ausnehmung
und die freigelegte Unterseite der Funktionsschicht aufgebracht,
die mindestens die Mündungen der
durch die zuvor entfernte Opferschicht entstandenen Hohlräume in den
Seitenwänden
abdeckt. Die Schutzschicht dient zum Abstandhalten während der weiteren
Prozessierung und vermeidet so das Verkleben mikromechanischer Strukturen
(Sticking). Des weiteren kann auch ein ungewollter Durchgang zwischen
Ober- und Unterseite der Platte vermieden werden. Da die Schutzschicht
zudem aufgrund des nachträglichen
Aufbringens der Topographie der Rückseite angepasst ist, lässt sich
die Schutzschicht anschließend
in einem kurzen Ätzvorgang
(z.B. Gasphasenätzen)
entfernen.
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Vorzugsweise
wird als Opferschicht Siliciumoxid und als Funktionsschicht Silicium
verwendet. Das Silicium kann beispielsweise als einkristallines Silicium
oder Polysilicium eingesetzt werden. Zur Entfernung der Opferschicht
wird vorzugsweise ein flüssiges Ätzmittel,
wie beispielsweise eine Fluorwasserstofflösung, verwendet. Die Fluorwasserstofflösung bietet
eine relativ hohe Ätzrate,
die zudem eine ausreichende seitliche Abätzung der Opferoxidschicht
ermöglicht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird als Schutzschicht eine Oxidschicht verwendet, die abschließend vorzugsweise
mit einem Gasphasenätzverfahren
entfernt wird. Vorzugsweise wird als Schutzschicht eine Plasmaoxidschicht
eingesetzt, die mit einem Chemical Vapor Deposition (CVD) Verfahren
abgeschieden wird.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch
eine Mikropumpe und die
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2A-2E wesentliche Verfahrensschritte zur
Herstellung der Mikropumpe.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und das erfindungsgemäße Bauelement
werden am Beispiel einer Mikropumpe erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann jedoch auch bei anderen Bauelementen eingesetzt werden, bei
denen ein flexibles Schichtelement mit einem geringen Abstand zu
einer Grundplatte freigeätzt
wird, wobei ein Verkleben des Schichtelementes mit der Grundplatte
vermieden werden soll. Das erfindungsgemäße Bauelement kann auch in
anderen Formen ausgebildet sein, wesentlich ist nur die Ausbildung
eines flexiblen Schichtelements.
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1 zeigt einen schematischen
Querschnitt durch eine Mikropumpe 1, die im wesentlichen aus
einer Grundplatte 2, einer Funktionsschicht 3 ,
einer Deckplatte 4 und einer Bodenplatte 5 aufgebaut ist.
Zwischen der Funktionsschicht 3, die z.B. als Polysiliciumschicht
ausgebildet ist, und der Grundplatte 2 ist eine Opferschicht 17 in
Randbereichen angeordnet. Die Grundplatte 2 ist beispielsweise
aus einer strukturierten Siliciumschicht hergestellt, auf der die Funktionsschicht 3 aufgebracht
ist. Auf der Funktionsschicht 3 ist die Deckplatte 4 aufgebracht.
Die Grundplatte 2 ist auf der Unterseite von der Bodenplatte 5 bedeckt.
Die Mikropumpe 1 weist ein Einlassventil 6 auf, über das
ein Fluid von einem Zulaufkanal 7, der in der Grundplatte 2 und
in der Bodenplatte 5 eingebracht ist, in eine Pumpkammer 8 strömen kann.
Die Pumpkammer 8 ist zwischen einer Pumpmembran 9,
die als Teil der Funktionsschicht 3 ausgebildet ist, und
der Deckplatte 4 ausgebildet. Weiterhin ist ein Auslassventil 10 vorgesehen,
das mit der Pumpkammer 8 in Verbindung steht. Das Auslassventil 10 verbindet
die Pumpkammer 8 mit einem Ablaufkanal 11, der
in die Grundplatte 2 und in die Bodenplatte 5 eingebracht
ist.
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Das
Einlassventil 6 weist ein erstes Schließglied 12 auf, das
in Form eines Schichtelements als Teil der Funktionsschicht 3 ausgebildet
ist. Das erste Schließglied 12 ist
oberhalb einer Zulauföffnung
des Zulaufkanals 7 angeordnet, über die der Zu laufkanal 7 in
die Pumpkammer 8 mündet.
Die Fläche
des ersten Schließgliedes 12 ist
so bemessen, dass die Zulauföffnung
des Zulaufkanals 7 durch das erste Schließglied 12 vollständig überdeckt
ist. Als Dichtsitz für
das erste Schließglied 12 dient
eine ringförmige
Randfläche
der Grundplatte 2, die die Zulauföffnung des Zulaufkanals 7 umgibt.
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Das
Auslassventil 10 weist ein zweites Schließglied 13 auf,
das ebenfalls als Teil der Funktionsschicht 3 ausgebildet
ist und eine Hülsenform
mit einer Ablauföffnung 24 aufweist.
Die Höhe
der Hülse entspricht
der Höhe
der Funktionsschicht 3 im Randbereich, so dass eine auf
der Oberseite der Hülse
angeordnete Ringdichtfläche
an der Unterseite der Deckplatte 4 anliegt. Die Ablauföffnung 24 geht
in eine Ablaufkammer 14 über, die in der Grundplatte 2 eingebracht
ist und einen Teil des Ablaufkanals 11 darstellt. Die Ablaufkammer 14 weist
einen größeren Querschnitt
als der Teil des Ablaufkanals 11 auf, der in der Bodenplatte 5 eingebracht
ist.
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Unterhalb
der Pumpkammer 8 ist in der Grundplatte 2 ein
Aktorraum 15 ausgebildet, in dem ein Kolben 16 angeordnet
ist. Der Kolben 16 ist über die
Opferschicht 17 mit der Pumpmembran 9 verbunden.
Unterhalb des Kolbens 16 weist die Bodenplatte 5 eine Öffnung 25 auf, über die
ein Stellglied zur Anlage an den Kolben 16 bringbar ist.
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Die
Mikropumpe funktioniert folgendermaßen: Im Ausgangszustand ist
das Einlassventil 6 geöffnet
und das Auslassventil 10 geschlossen. Somit kann Fluid
in die Pumpkammer eindringen. Zum Pumpen eines Fluids vom Zulaufkanal 7 zum
Ablaufkanal 11 wird der Kolben 16 nach oben und
nach unten bewegt. Dabei wird die Pumpmembran 9 ebenfalls
nach oben und nach unten bewegt. Durch die Bewegung der Pumpmembran 9 wird
das Volumen der Pumpkammer 8 periodisch verkleinert und
vergrößert. Bei
einer Verkleinerung der Pumpkammer wird Überdruck in der Pumpkammer 8 erzeugt,
so dass das Auslassventil 10 öffnet und Fluid von der Pumpkammer 8 in
die Ablaufkammer 14 ablässt, sowie
das Einlassventil 6 schließt und ein Nachströmen sowie
ein Zurückströmen von
Fluid verhindert. Somit wird eine definierte Fluidmenge pro Pumpstoß befördert. Wird
nun anschließend
der Kolben 16 zurückgezogen,
so wird das Volumen der Pumpkammer 8 erhöht und ein
entsprechender Unterdruck in der Pumpkammer 8 erzeugt.
Durch den Unterdruck öffnet
das Einlassventil 6 und Fluid wird über den Zulaufkanal 7 in
die Pumpkammer 8 gesaugt. Gleichzeitig schließt das Auslassventil
wieder. Bei Unterdruck liegt das zweite Schließglied 13 des Auslassventils 10 dichtend
an der Unterseite der Deckplatte 4 an, so dass kein Fluid über das
Auslassventil 10 in die Pumpkammer fließen kann. Somit wird ein Zurücklaufen
von Fluid aus dem Ablaufraum 14 in die Pumpkammer 8 vermieden.
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Anhand
der 2A-2E werden wesentliche Verfahrensschritte
zur Herstellung der Mikropumpe nach 1 beschrieben.
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In 2A ist eine bereits strukturierte
Grundplatte 2 dargestellt, auf der eine Opferschicht 17 aufgebracht
ist. Auf der Opferschicht 17 wiederum befindet sich eine
Funktionsschicht 3. Die Opferschicht 17 ist beispielsweise
aus Siliciumoxid und die Funktionsschicht 3 aus Silicium
hergestellt. Das Silicium kann beispielsweise als polykristallines
Silicium oder als einkristallines Silicium epitaktisch aufgewachsen sein.
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In
die Grundplatte 2, die beispielsweise als Siliciumwafer
ausgebildet ist, sind der Zulaufkanal 7, der Aktorraum 15 und
der Ablaufraum 14 eingebracht. Von der Unterseite der Grundplatte 2 her
wird über
ein Ätzverfahren
in den freigelegten Bereichen die Opferschicht 17 entfernt.
Als Ätzmittel
wird vorzugsweise eine Fluor-Wasserstofflösung verwendet. Dabei wird
die Opferschicht 17 auch jeweils seitlich über Unterätzvorgänge abgetragen.
Auf diese Weise werden Öffnungsbereiche 18 in
die Opferschicht 17 eingebracht, die sich auch seitlich
zwischen die Funktionsschicht 3 und die Grundplatte 2 erstrecken. In
diesem Prozessstadium können
schnellätzende nassche mische
Verfahren verwendet werden, um große Unterätztiefen zu realisieren. Dieser
Verfahrensstand ist in 2B dargestellt.
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Anschließend wird
von der Unterseite der Grundplatte 2 her auf die Seitenwand
des Zulaufkanals 7, des Aktorraums 15, des Ablaufraums 14 und auf
die freigelegte Unterseite der Funktionsschicht 3, sowie
auf die Seitenwände
der freigelegten Bereiche der Opferschicht 17 eine Abdeckschicht 26 aufgebracht.
Die Abdeckschicht 26 ist vorzugsweise aus einem Plasmaoxid
gebildet, das über
ein chemical vapor deposition Verfahren abgeschieden wurde. Dieser
Verfahrensstand ist in 2C dargestellt.
Anschließend
wird über
entsprechende Ätzprozesse
die Funktionsschicht 3 in der gewünschten Weise strukturiert.
Dabei wird das erste Schließglied 12 in
Form einer Membran als Teil der Funktionsschicht 3 herausgearbeitet.
Dazu wird in einer festgelegten Struktur eine Außenkontur des Schließglieds 12 aus
der Funktionsschicht 3 herausgeätzt. Dabei wird eine entsprechend
strukturierte Ausnehmung 27 in die Funktionsschicht 3 eingebracht.
Die Ausnehmung 27 ist wenigstens teilweise über dem Öffnungsbereich 18 des
Zulaufkanals 7 angeordnet. Damit ist nach der Einbringung
der Ausnehmung 27 das Schließglied 12 im Bereich
der Ausnehmung nur noch durch die Abdeckschicht 26 mit
der Grundplatte 2 verbunden. Das erste Schließglied 12 ist
weiterhin über
wenigsten einen Steg mit der Funktionsschicht 3 verbunden.
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Zudem
wird in dem Ausführungsbeispiel
der Mikropumpe ein zweites Schließglied 13 des Auslassventils 10 über dem
Ablaufraum 14 aus der Funktionsschicht 3 herausgebildet.
Das zweite Schließglied 13 weist
im wesentlichen eine Hülsenform
mit einer mittigen Ablauföffnung 24 auf,
die auf der Funktionsschicht 3 gehaltert ist.
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Vorzugsweise
wird die Form der Ausnehmung 27 wenigstens teilweise in
die Oberfläche
der Grundpatte 2 in Form eines Grabens 28 eingebracht. Der
Graben 28 umgibt somit einen Rand steg 30, der im
Randbereich unterhalb des ersten Schließglieds 12 angeordnet
ist und dessen Oberseite als Anlage- und/oder Dichtfläche für das erste
Schließglied 12 dient.
Dieser Verfahrensstand ist in 2D dargestellt.
Durch die Ausbildung des Grabens 28 ist ein größeres Volumen
zwischen dem Randbereich des ersten Schließglieds 12 und der
Funktionsschicht 3 bzw. der Grundplatte 2 angeordnet.
Somit kann beim Fördern
von Fluid durch den Zulaufkanal 7 und die Ausnehmung 27 in
die Pumpkammer 8 das Fluid beim Schließen des Einlassventils 6,
bei dem sich das erste Schließglied 12 nach
unten auf den Randsteg 30 legt, leichter verdrängt werden.
Somit kann die Funktionsfähigkeit
des Schließglieds
durch die Ausbildung des Grabens 28 verbessert werden.
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In
einem weiteren Verfahrensschritt wird die Abdeckschicht 26 über einen
kurzen Gasphasenätzschritt,
der beispielsweise mit Fluorwasserstoff durchgeführt wird, wieder entfernt.
Damit wird das Schließglied 12 vollständig von
der Grundplatte 2 freigestellt. Durch die Verwendung von
Gasphasenätzverfahren
kann ein Kleben des Einlassventils sicher vermieden werden. Aufgrund
der geringen Dicke der Abdeckschicht 26 kann dieses langsam ätzende Verfahren
angewendet werden. Dieser Verfahrensstand ist in 2E dargestellt.
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Abschließend werden
die Grundplatte 2 von der Unterseite her und die Funktionsschicht 3 von
der Oberseite her mit der Bodenplatte 5 bzw. mit der Deckplatte 4 bedeckt.
Die Deckplatte 4 und die Bodenplatte 5 werden
vorzugsweise über
ein anodisches Bondverfahren mit der Funktionsschicht 3 bzw. mit
der Grundplatte 2 umlaufend dicht verbunden. Auf diese
Weise wird eine Mikropumpe gemäß 1 erhalten.
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Durch
die frühzeitige
Entfernung der Opferschicht 17 unter dem Bereich, in dem
in einem späteren
Verfahrensschritt das erste Schließglied 12 aus der
Funktionsschicht 3 herausgebildet wird, kann ein Ätzverfahren
mit einer Ätzlösung mit
einer hohen Ätzrate,
vorzugsweise mit einer Fluorwasserstofflösung, verwendet werden. Grundsätzlich besteht
bei der Verwendung von flüssigen Ätzverfahren
die Gefahr, dass das Schließglied 12 mit
der Grundplatte 2 verklebt. Der Vorteil bei der Verwendung
einer flüssigen Ätzlösung besteht
darin, dass neben der hohen Ätzrate
eine relativ große
seitliche Unterätzung
stattfindet, die in dem beschriebenen Verfahren gewünscht ist.
Erst in einem späteren
Verfahrensschritt, der anhand von 2D dargestellt
ist, wird das von der Unterseite her freigeätzte erste Schließglied 12 über einen
weiteren Ätzvorgang
von der Oberseite her in der gewünschten
Form von der Funktionsschicht 3 freigeätzt. Anschließend wird über einen
kurzen Gasphasenätzschritt
ebenfalls mit Fluorwasserstoff die Abdeckschicht 26 vollständig entfernt.
Dabei wird die Abdeckschicht 26 von dem ersten Schließglied 12 entfernt,
so dass das erste Schließglied 12 nun
vollständig
freigestellt ist. Durch die Verwendung des Gasphasenätzschritts
bei der endgültigen
Freistellung des ersten Schließglieds
wird ein Verkleben der Membran mit der Grundplatte 2 sicher
vermieden. Alternativ zum Gasphasenätzen kann z.B. auch ein Nassätzen mit
anschließendem
superkritischen Trocknen von CO2 verwendet
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann bei jeder Art von flexiblem Schichtelement, das einen geringen
Abstand zu einer Grundplatte hat und bei dem die Gefahr des Verklebens
besteht, z.B. bei einem Schließglied,
eingesetzt werden.
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- 1
- Mikropumpe
- 2
- Grundplatte
- 3
- Funktionsschicht
- 4
- Deckplatte
- 5
- Bodenplatte
- 6
- Einlassventil
- 7
- Zulaufkanal
- 8
- Pumpkammer
- 9
- Pumpmembran
- 10
- Auslassventil
- 11
- Ablaufkanal
- 12
- 1.
Schließglied
- 13
- 2.
Schließglied
- 14
- Ablaufkammer
- 15
- Aktorraum
- 16
- Kolben
- 17
- Opferschicht
- 18
- Öffnungsbereich
- 19
- 2.
Schicht
- 26
- Abdeckschicht
- 27
- Ausnehmung
- 28
- Graben
- 30
- Randsteg