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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Verfahren zum Herstellen eines Schichtelementes.
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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
DE 101 31 139 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung großflächiger Membranmasken mittels Trockenätzen bekannt. Auf der Basis einer vorhandenen oder herzustellenden mehrschichtigen Halbleiterisolator/Halbleiterträgerschichtscheibe kann der beim Trockenätzen auftretenden Ungleichmäßigkeit der Ätzverhältnisse zwischen Zentrum und Randbereich durch mehrere alternative Schritte, insbesondere einem zusätzlichen, die Ätzungleichmäßigkeit ausgleichenden Schichtaufbau entgegengewirkt werden, sodass in jedem Fall ein über die gesamte zu ätzende Fläche der Scheibe annähernd homogener Ätzabtrag erfolgt.
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Zur Herstellung der Membran wird eine Grundplatte strukturiert und bis zu einer Opferschicht abgeätzt. Von der entgegengesetzten Seiten her wird in eine Funktionsschicht ein Membrangitter eingebracht. Anschließend wird die Opferschicht und die Grundplatte im Bereich der Memb-ranschicht vollständig entfernt.
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Aus
DE 4 016 472 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren mit Überlastsicherung bekannt. Zur Herstellung der mikromechanischen Sensoren werden mit Hilfe von Trockenätzprozessen und/oder nasschemischen Ätzprozessen zumindest teilweise aus einem monokristallinen Siliziumwafer ein Paddel und eine seismische Masse herausgearbeitet, wobei das mindestens eine Paddel mit der mindestens einer seismischen Masse von einem Rahmen umgeben ist.
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Aus der Patentschrift
US 6 390 791 B1 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.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch das mikromechanische Verfahren gemäß Patentanspruch 1 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.
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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 wird 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 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 Mi-kropumpe 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 Zulaufkanal 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 nasschemische 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 wenigstens 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 Randsteg 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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Bezugszeichenliste
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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
