DE19610782A1 - Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Strukturen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen StrukturenInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung
von mikromechanischen Strukturen nach der Gattung des
unabhängigen Patentanspruchs. Aus der deutschen
Patentanmeldung DE-195 26 903 sind bereits Verfahren zur
Herstellung von mikromechanischen Drehratensensoren bekannt,
bei dem in einer Siliciumplatte durch Einätzen einer Kaverne
ein Membranbereich geschaffen wird, der im Vergleich zur
Siliciumplatte dünner ausgebildet ist. Durch weitere
Ätzprozesse wird dann aus dem Membranbereich ein bewegliches
Element herausgeätzt. Um die Auslenkung dieses beweglichen
Elements zu beschränken, werden verschiedene Verfahren zur
Herstellung von Anschlägen beschrieben. Diese Verfahren zur
Herstellung der Anschläge weisen das gemeinsame Merkmal auf,
daß jeweils mindestens eine weitere Platte, insbesondere
eine Siliciumplatte, zur Ausbildung des Anschlags benötigt
wird. Weiterhin muß diese Platte aufwendig mit der
Siliciumplatte, aus dem das bewegliche Element
herausstrukturiert ist, verbunden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden
Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, daß für die Ausbildung des Anschlags keine
weitere Platte benötigt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist somit mit besonders geringem Materialeinsatz und
vergleichsweise einfachen Prozeßtechniken zu realisieren.
Durch die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen des Verfahrens nach dem unabhängigen
Patentanspruch möglich. Die Erzeugung der Opferschicht auf
der Unterseite des Membranbereichs erfolgt besonders einfach
durch Eindampfen einer Kunststofflösung. Durch einen
anschließenden Ätzschritt kann dann der dünne Kunststoff-Film
auf den Wänden der Kaverne wieder entfernt werden, so
daß eine zuverlässige Haftung des nachfolgend aufgebrachten
Materials für den Anschlag auf den Wänden der Kaverne
ermöglicht wird. Für das Material des Anschlags ist im
besonderen Maße ein Epoxyd- oder Silicon-Kunststoff
geeignet. Silicon-Kunststoff besitzt zudem den Vorteil
besonders geringer mechanischer Spannungen aufgrund der
Elastizität sowie der besonders guten
Abdichtungseigenschaften des Silicon-Kunststoffs. Durch die
Abscheidung einer Metallisierung auf der Unterseite des
Membranbereichs kann ein nahezu perfekter Ätzstop bei der
Plasma-Strukturierung der Membrane erfolgen. Sofern dies
gewünscht ist, kann durch eine Nachätzung die Metallschicht
auf der Unterseite wieder entfernt werden. Es ist auch
möglich, durch Verwendung von SOI-Wafern ein vergrabenes
Oxyd als Ätzstopschicht einzusetzen, das von beiden Seiten
jeweils prozeßbegrenzend/stoppend wirkt. Die Strukturierung
des Membranbereichs erfolgt zweckmäßigerweise mittels eines
fluorhaltigen Ätzgases (gemäß der DE 42.41.045). Das
Einbringen der Kaverne in der Siliciumplatte erfolgt
besonders einfach durch die Verwendung einer anisotropen
Ätzlösung. Durch die sich dadurch ausbildenden schrägen
Wände wird zudem die Entfernung der dünnen Kunststoffschicht
von den Wänden erleichtert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen die Fig. 1 bis 5 ein
erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren.
In der Fig. 1 wird eine Siliciumplatte 1 gezeigt, aus der
durch Einbringen einer Kaverne 3 ein Membranbereich
herausstrukturiert wurde. Der Membranbereich 2 weist eine
deutlich geringere Dicke als der Rest der Siliciumplatte 1
auf. Die Kaverne 3 weist einen Bodenbereich 6 und Wände 7
auf. Der Bodenbereich 6 der Kaverne 3 bildet zugleich die
Unterseite 11 des Membranbereichs 2.
Für das Einbringen derartiger Kavernen 3 in
Siliciumplatten 1 wird üblicherweise ein Ätzprozeß
verwendet, der einkristallines Silicium anisotrop ätzt. Dies
kann beispielsweise durch die Verwendung von basischen
Ätzlösungen erfolgen. Es sind jedoch auch andere
Ätzverfahren geeignet, mit denen Ausnehmungen in
Siliciumplatten 1 erzeugt werden können.
Auf der Unterseite 11 des Membranbereichs 2 wird dann durch
Abscheidung, insbesondere durch Aufdampfen oder Sputtern
eine dünne Metallschicht, beispielsweise aus Aluminium,
Chrom, Nickel oder dergleichen, abgeschieden. Wenn die
Abscheidung ohne eine entsprechende Maskierung erfolgt, so
werden, wie in der Fig. 2 gezeigt wird, auch die Wände 7
der Kaverne 3 und die Unterseite der Siliciumplatte 1 mit
der Metallschicht 4 bedeckt. Die Metallschicht 4 dient als
Ätzstop für eine spätere Strukturierung des
Membranbereichs 2 und kann sehr dünn, beispielsweise in der
Größenordnung von einigen zehn Nanometern ausgeführt werden.
Sofern für die später erfolgende Strukturierung des
Membranbereichs 2 ein Ätzprozeß verwendet wird, bei dem
keinerlei Ätzstop benötigt wird, so kann das Aufbringen der
Metallschicht 4 auch entfallen. Es ist auch möglich, das
vergrabene Oxyd eines SOI-Wafers als beidseitigen Ätzstop zu
benutzen.
In einem weiteren Prozeßschritt (siehe Fig. 2) wird nun im
Bereich der Unterseite 11 des Membranbereichs 2 eine dicke
Opferschicht 5 erzeugt. Für die Erzeugung der Opferschicht 5
wird die Taverne 3 mit einer Kunststofflösung befüllt. Dabei
handelt es sich beispielsweise um Kunststoffe, die aus der
optischen Lithographie als Fotoresists verwendet werden,
Polystyrol oder andere Kunststoffe, die in Lösungsmitteln
wie beispielsweise Aceton, aromatische Lösungsmittel oder
Chlorkohlenwasserstoffe gelöst werden können. Durch
Eindampfen des Lösungsmittels bildet sich dann auf dem
Boden 6 der Kaverne 3 ein Kunststoff-Film, dessen Dicke
durch die Konzentration der Lösung und die in die Kaverne 3
eingebrachte Lösungsmenge bestimmt wird. Weiterhin bildet
sich auch auf den Wänden 7 der Kaverne ein dünner
Kunststoff-Film, dessen Dicke jedoch geringer ist als der im
Bodenbereich 6 verbleibende Film. Um diesen dünnen
Kunststoff-Film von den Wänden 7 wieder zu entfernen, wird
ein nachfolgender Ätzschritt, beispielsweise ein isotroper
Plasmaätzschritt in einem Sauerstoffplasma durchgeführt, der
den dünnen Film von den Wänden 7 der Kaverne 3 vollständig
entfernt. Aufgrund der größeren Dicke wird dabei die
Opferschicht 5 im Bereich des Bodens 6 der Kaverne nur
unwesentlich verringert. Man kann auch in die Kaverne eine
genau dosierte Menge an Lack oder Polymermaterial
einbringen, so daß jeweils nur der Boden bedeckt ist. Dies
setzt eine entsprechende Lackdosiereinrichtung voraus, mit
der jede Kaverne individuell mit der richtigen Lackmenge
versehen wird, um eine gewünschte Höhe der Lackschicht zu
erreichen.
In einem weiteren Schritt wird dann die Kaverne 3 mit einer
Versiegelungsschicht 8 gefüllt. Diese Versiegelungsschicht 8
kann beispielsweise aus Epoxydharz, Silicon-Kunststoff oder
anderen geeigneten Materialien bestehen. Silicon-Kunststoff
weist den Vorteil auf, daß es auch nach einer Vernetzung des
Kunststoffmaterials elastisch bleibt und somit besonders
geringe mechanische Spannungen auf die Siliciumplatte
ausübt. Nachteilig an Silicon ist, daß die Weiterbearbeitung
der Siliciumplatte gegebenenfalls mit flußsäurehaltigen
Ätzlösungen erfolgt, gegenüber denen Silicon-Kunststoffe
nicht vollständig beständig sind.
In einem weiteren Verfahrens schritt erfolgt dann die
Strukturierung des Membranbereichs in den Gräben 10, die
ausgehend von der Oberseite 12 in den Membranbereich 2
eingebracht werden. Dieser Zustand wird in der Fig. 4
gezeigt. Für das Eingräben kann ein Ätzprozeß verwendet
werden, beispielsweise durch Verwendung eines fluorhaltigen
Plasmas gemäß DE 42 41 045, welcher an der Metallschicht 4
stoppt. Die Metallschicht 4 wird hier somit als Ätzstop
verwendet. Es wird so sichergestellt, daß durch den
Ätzprozeß keinerlei Ätzung der Opferschicht 5 erfolgt, die
eventuell eine Hinterschneidung der mikromechanischen
Strukturen und einen Verlust an Strukturgenauigkeit zur
Folge hat. Bei den mikromechanischen Strukturen handelt es
sich hier beispielsweise um Drehratensensoren, wie sie aus
der DE 1 95 26 903 bekannt sind. Es sind jedoch auch andere
mikromechanische Sensor- oder Aktuatorstrukturen
vorstellbar. Ein Teil der notwendigen Prozeßschritte für die
mikromechanische Struktur können bereits erfolgt sein, bevor
das in den Fig. 1 bis 4 beschriebene Verfahren
durchgeführt wird. Nach dem Einätzen der Gräben 10 erfolgt
eine Ätzung in der Metallschicht 4, so daß die Opferschicht
5 frei liegt.
In einem weiteren Prozeßschritt wird dann die Opferschicht 5
entfernt. Dies kann beispielsweise durch Eintauchen der
Siliciumplatte nach der Fig. 4 in ein Lösungsmittel
erfolgen, welches die Schicht 5 auflöst. Alternativ ist es
auch möglich, Plasmaätzverfahren zur Entfernung des
Kunststoffmaterials der Opferschicht 5 zu verwenden. In der
Fig. 5 wird der dann erreichte Zustand gezeigt. Durch die
Gräben 10 ist aus dem Membranbereich 2 ein bewegliches
Element 9 herausstrukturiert, welches beispielsweise durch
eine Beschleunigung ausgelenkt werden kann. Nach unten hin
ist die Bewegung dieses beweglichen Elementes 9 durch die
Versiegelungsschicht 8 begrenzt, welche als Anschlag wirkt.
Durch die Prozeßfolge der Fig. 1 bis 5 ist somit mit
besonders einfachen Mitteln ein Anschlag geschaffen worden.
Die Metallisierungsschicht 4 kann auf der Unterseite des
Membranbereichs 2 und auch auf der Unterseite des
beweglichen Elementes verbleiben. Diese Metallschicht 4 kann
sogar wünschenswert und nützlich sein, da sie einen
niederohmigen elektrischen Massekontakt beziehungsweise eine
Abschirmung bildet. Sofern es gewünscht ist, diese
Metallschicht 4 zu entfernen, kann auch eine weitere Ätzung
durch Eintauchen in eine für die Metallschicht 4 geeignete
Ätzlösung erfolgen.
Der Abstand des beweglichen Elements 9 zur Versiegelung 8,
die als Anschlag wirkt, wird durch die Dicke der
Opferschicht 5 eingestellt. Typische Abmessungen liegen in
der Größenordnung von einigen Mikrometern bis einigen zehn
Mikrometern, jeweils nach Dicke des Opferlacks 5.
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen
Strukturen, bei dem durch Einbringen einer Kaverne (3) in
einer Siliciumplatte (1) ein Membranbereich (2) geschaffen
wird, bei dem dann aus dem Membranbereich (2) durch Ätzen
ein bewegliches Element (9) herausstrukturiert wird und bei
dem ein Anschlag erzeugt wird, mit dem die Auslenkung des
beweglichen Elements (9) beschränkt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß auf einer Unterseite (11) des
Membranbereichs (2) eine Opferschicht (5) erzeugt wird, das
die Opferschicht (5) mit einer Versiegelungsschicht (8) für
den Anschlag bedeckt wird, daß ausgehend von der
Oberseite (12) Gräben (10) in den Membranbereich (2)
eingebracht werden, die bis zur Opferschicht (5) reichen,
und daß die Opferschicht (5) durch Beaufschlagen mit einem
Ätzmedium entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Opferschicht (5) durch Eindampfen einer in der
Kaverne (3) eingebrachten Kunststofflösung gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
nach dem Eindampfen der Kunststofflösung ein Ätzschritt
erfolgt, bei dem die auf den Wänden (7) der Kaverne (3)
durch das Eindampfen geschaffene Kunststoffschicht wieder
entfernt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß für die Versiegelungsschicht (8)
ein Silicon-Kunststoff oder ein Epoxydharz verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen der Gräben (10)
durch Ätzen erfolgt, daß auf der Unterseite (11) der
Membranschicht (2) eine Metallisierung (4) aufgebracht wird,
die als Ätzstop für den Ätzschritt dient.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Metallisierung (4) auf der Unterseite (11) des
Membranbereichs (2) nach dem Entfernen der Opferschicht (5)
entfernt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen der Gräben (10)
durch Ätzen mittels eines fluorhaltigen Plasmas vorgenommen
wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kaverne (3) durch
anisotropes Ätzen des einkristallinen Siliciums der
Siliciumplatte (1) erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine vorbestimmte Menge an
Kunststofflösung in die Kaverne (3) eingebracht wird.
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