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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes,
mit wenigstens einer auf einem Substrat strukturierten Oberflächenstruktur,
wobei die Oberflächenstruktur
durch definierte Oberflächen-Ätzangriffe auf wenigstens eine
auf das Substrat aufgebrachte Schicht und bereichsweises Unterätzen der
wenigstens einen Schicht erhalten wird.
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Stand der Technik
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Mittels
dem gattungsgemäßen Verfahren hergestellte
Bauelemente sind bekannt. Diese bestehen zum Beispiel aus einem
Silizium-Substrat, auf dessen Oberfläche mittels bekannter Verfahren
eine polykristalline Silizium-Schicht epitaktisch aufgewachsen wird.
In dieser Silizium-Schicht werden mikromechanische Strukturen, beispielsweise
seismische Massen von Sensorelementen, Aktoren von Mikromotoren
oder andere bewegliche Strukturen erzeugt. Die Strukturierung der
mikromechanischen Strukturen wird über definierte Ätzangriffe
von der Oberseite des polykristallinen Siliziums erzielt, wobei durch
bereichsweises Unter ätzen
beweglich aufgehängte
Strukturen erzielbar sind.
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Um
die definierten Ätzangriffe
von der Oberseite durchführen
zu können,
wird eine Maskierung auf die Silizium-Schicht aufgebracht, so dass
ein bereichsweises Tiefenätzen
(Trenchen) der Silizium-Schicht erfolgen kann. Über diese, beispielsweise fotolithografisch
erzeugte Maske erfolgt somit die Definition der die mikromechanische
Oberflächenstruktur
aufweisenden Schicht. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus
der Schrift „Novel
Process For A Monolithic Integrateg Accelerometer", offenberg, M. et
al., The 8th International Conference on Solid-State Sensors and
Actuators, 1995 and Eurosensors IX. Transducers '95, Bd. 1, S. 589–592 bekannt.
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Bekannt
ist ferner, um bei einem bestimmungsgemäßen Einsatz der Bauelemente
die mikromechanischen Oberflächenstrukturen
vor äußeren Einflüssen zu
schützen,
diese mit einer abdeckenden Schutzkappe zu versehen. Diese Schutzkappe
wird beispielsweise aus einem entsprechend des abzudeckenden Bauelementes
strukturierten Siliziumwafer hergestellt und mit dem die Oberflächenstruktur
aufweisenden Substrat gefügt.
Um eine Beweglichkeit der mikromechanischen Oberflächenstrukturen
nicht zu beeinträchtigen,
ist bekannt, die Schutzkappe im Bereich der mikromechanischen Oberflächenstruktur mit
einer Ausnehmung, einer sogenannten Kaverne, zu versehen. Ein solches
Verfahren ist beispielsweise aus der Veröffentlichung „A Precision
Yaw Rate Sensor in Silicon Micromachining", M. Lutz, et al. Transducers '97, 1997 International
Conference an Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, June 16-19,
1997, Bd. 2, S. 847–850
bekannt.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass
in einfacher Weise auf einem Substrat in mehreren, das heißt in wenigstens
zwei übereinander
angeordneten Schich ten mikromechanische Oberflächenstrukturen beziehungsweise
andere Funktionsstrukturen erzeugt werden können. Dadurch, daß zur Definition
der wenigstens einen mikromechanischen Oberflächenstruktur auf die die Oberflächenstruktur ausbildende
Schicht eine Maske aufgebracht wird, diese Maske mit wenigstens
einer weiteren Schicht abgedeckt wird, und die wenigstens eine weitere Schicht
mit einer weiteren Maske versehen wird, und eine gleichzeitige Strukturierung
mehrerer auf das Substrat aufgebrachter Schichten durch einen Oberflächen-Ätzangriff
erfolgt, ist vorteilhaft möglich,
bei dem definierten Oberflächen-Ätzangriff durch die wenigstens
zwei unterschiedlichen Maskierungsebenen in wenigstens zwei übereinanderangeordneten Schichten
unterschiedliche Funktionsstrukturen mit lediglich einem Ätzangriff
zu definieren.
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Hierbei
wird durch ein einfaches, an sich bekanntes, technologisch sicher
beherrschbares Ätzverfahren
eine Selbstjustierung der in den wenigstens zwei Schichten anzulegenden
Funktionsstrukturen zueinander erreicht. Insbesondere ist vorteilhaft, daß eine zusätzliche
Zwischenmaskierung, die das Anlegen der Maske, das Strukturieren
der Maske und das nachfolgende Entfernen der Maske beinhaltet, – die bei
nacheinander erfolgender Strukturierung der Schichten notwendig
wäre – entfallen
kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt so die Realisierung sowohl mechanisch gekoppelter als auch
mechanisch entkoppelter übereinander
liegender Strukturen, welche jeweils im Bedarfsfall frei beweglich
sein können.
Eine elektrische Kopplung der Strukturen ist einfach durch ohmsche,
kapazitive oder induktive Kopplung möglich.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen,
in den Unteransprüchen
genannten Merkmalen.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen
Zeichnungen, die in den 1 bis 11 einzelne
Verfahrensschritte zur Herstellung eines Bauelementes zeigen, näher erläutert.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In
den 1 bis 11 sind jeweils schematische
Schnittansichten eines Bauelementes 10 in einzelnen Herstellungsphasen
gezeigt. Gleiche Teile in den 1 bis 11 sind
jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal erläutert.
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1 zeigt
ein Substrat 12, das beispielsweise aus einem Siliziumwafer
besteht. Auf dem Substrat 12 soll eine mikromechanische
Oberflächenstruktur
angelegt werden. Hierzu ist zunächst auf
dem Substrat 12 eine Schicht 14 eines beispielsweise
thermischen Oxides aufgebracht. Diese Schicht 14 wird erhalten,
indem Sauerstoff als oxydierendes Gas auf eine heiße Ober fläche des
Substrates 12 geleitet wird, so daß der Sauerstoff mit dem Silizium
des Substrates zu Siliziumoxid SiO2 reagiert. Hierdurch
entsteht eine amorphe glasartige Schicht an der Oberfläche des
Silizium-Substrates 12. Auf die Schicht 14 wird
eine Schicht 16 Polysilizium aufgewachsen. Dieses Polysilizium
wird durch eine bekannte Gasphasenabscheidung auf der Schicht 14 des
thermischen Oxides erhalten. Auf die Schicht 16 des Polysiliziums
wird eine weitere Schicht 18 eines Oxides, insbesondere
eines TEOS-Oxides (Tetraethylorthosilikat, SiO4C8H20), angelegt.
Diese wird in einem Vakuumprozeß mit
einer Flüssigkeit
als Quellmaterial abgeschieden. Auf die Schicht 18 ist
eine weitere Schicht 20 eines Polysiliziums aufgewachsen.
Die Schicht 20 des Polysiliziums dient der späteren Strukturierung
mikro-mechanischer
Oberflächenstrukturen,
so daß die
Dicke der Schicht 20 entsprechend der späteren gewünschten
Höhe der
mikromechanischen Oberflächenstrukturen
gewählt
ist. Die Polysilizium-Schicht 20 wird dotiert, um eine
Leitfähigkeit
des Polysiliziums zu erzielen. Diese ist notwendig, um die zu strukturierenden
mikromechanischen Oberflächenstrukturen
in elektrische Auswerteschaltungen zum Erfassen einer Auslenkung
der mikromechanischen Oberflächenstrukturen
einzubinden. Eine Oberfläche
der Polysilizium-Schicht 20 ist planarisiert, beispielsweise
mit einem chemisch-mechanischen Polieren (CMP). Ein derartiger, in 1 gezeigter
schematischer Aufbau eines Bauelementes 10 ist bekannt
und dient als Grundlage für die
weitere erfindungsgemäße Herstellung
des Bauelementes 10.
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Gemäß 2 wird
auf die Polysilizium-Schicht 20 eine Maskierungsschicht 22 abgeschieden.
Diese kann beispielsweise als Oxid abgeschieden werden. Hierzu eignen
sich die bereits anhand der Schicht 14 erläuterten
thermischen Oxide oder die anhand der Schicht 18 erläuterten TEOS-Oxide.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann die Maskierungsschicht 22 auch eine Nitridabscheidung
oder ähnliches
sein. Nachfolgend wird die Maskierungsschicht 22 strukturiert.
Hierzu wird diese mit einem nicht dargestellten Fotolack überzogen.
Dieser Fotolack wird bereichsweise belichtet, so daß der Fotolack
in bekannter Weise selektiv entfernt werden kann. Anschließend wird
die Maskierungsschicht 22 einem Ätzangriff ausgesetzt, wodurch
ein Abtragen der Maskierungsschicht 22 in den Bereichen
erfolgt, in denen diese nicht durch die zuvor angelegte Fotomaske
bedeckt ist. Im Ergebnis dieses Ätzangriffes
entsteht die in 3 gezeigte Struktur, bei der
die Maskierungsschicht 22 nur noch partiell auf der Polysilizium-Schicht 20 angeordnet ist.
Durch diese Strukturierung der Maskierungsschicht 22 werden
die in nachfolgenden, noch erläuterten
Schritten in der Polysilizium-Schicht 20 anzulegenden mikromechanischen
Oberflächenstrukturen bestimmt.
Die aus der Maskierungsschicht 22 herausstrukturierten
Bereiche werden nachfolgend als Maske 22' bezeichnet.
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In
einem nächsten,
in 4 verdeutlichten Verfahrensschritt wird auf die
freiliegende Oberfläche der
Polysilizium-Schicht 20 sowie die Maske 22' eine weitere
Schicht 24 eines Polysiliziums abgeschieden.
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Diese
paßt sich
entsprechend der vorgegebenen Oberflächenstruktur durch die Maske 22' an. Auf die
Polysilizium-Schicht 24 kann nunmehr eine weitere Schicht 26,
beispielsweise eine dotierte Polysilizium-Schicht 26, aufgebracht
werden (5). Diese dient dem Bauelement 10 als
weitere Funktionsschicht. Durch die Dotierung kann diese in elektrische
Auswerteschaltungen, beispielsweise als Kontaktierungsschicht, eingebunden
sein. Die Oberfläche
der Schicht 26 wird wiederum eingeebnet, beispielsweise
mit einem chemisch-mechanischen Polierverfahren.
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Auf
die Polysilizium-Schicht 26 wird eine weitere Maskierungsschicht 28 (wie 6 zeigt)
aufgebracht. Diese Maskierungsschicht 28 wird zunächst ganzflächig auf
die Polysilizium-Schicht 26 aufgetragen und anschließend strukturiert.
Die Maskierungsschicht 28 kann beispielsweise ein Fotolack
sein, der durch Belichtung und anschließende partielle Entfernung
eine hier im zentralen Bereich des Bauelementes 10 angeordnete Öffnung 30 aufweist,
die von der verbleibenden Maskierungsschicht 28 umgeben
ist. Ferner sind Bereiche 28 zur späteren Definition von Oberflächenstrukturen 42 und 44 stehengelassen. Das
Aufbringen und Strukturieren der Maskierungsschicht 28 erfolgt
mit gleichen Verfahren, die bereits bei der Strukturierung der Maskierungsschicht 22 verwendet
wurden, wobei durch definierte Ausrichtung des Bauelementes 10 eine
Selbstjustierung der Maskierungsschichten 28 und 22 zueinander
möglich ist.
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Anschließend wird,
wie 7 verdeutlicht, das Bauelement 10 einem
Oberflächen-Ätzangriff 32 ausgesetzt.
Der. Ätzangriff 32 kann
beispielsweise durch ein bekanntes naß-chemisches Ätzen mittels einer
Lauge, beispielsweise KOH-Lauge (Kaliumhydroxidlauge) oder mittels
Plasmaätzangriffs (Trench-Ätzen), erfolgen.
Hierdurch wird das im Bereich der Öffnung 30 der Maskierungsschicht 28 freiliegende
Silizium angegriffen. Wie 7 zu entnehmen
ist, erfolgt der Ätzangriff 32 durchgehend,
das heißt,
das Silizium aller Schichten 26, 24 beziehungsweise 20 wird
bis auf die als Ätzstop
wirkende TEOS-Schicht 18 anisotrop weggeätzt. Lediglich
im Bereich der Maske 22',
die gegenüber
dem Ätzangriff 32 resistent
ist, bleibt die Polysilizium-Schicht 20 partiell erhalten.
Zwischen den einzelnen, durch die Maske 22 definierten
Bereichen werden hierbei Gräben
mit zum Beispiel senkrecht zueinander verlaufenden Wänden (Trenchätzen) erhalten.
Es wird deutlich, daß für den Ätzangriff 32 sowohl
die durch die nachfolgende Anordnung der Schichten 24 und 26 "vergrabene" Maske 22' als auch die
Maskierungsschicht 28 entscheidenden Einfluß haben. Durch
die nachfolgend, und beabstandet zueinander aufgebrachten Maskierungsschichten 22' und 28 kann
somit die Grundlage der Strukturierung für Funktionsschichten in wenigstens
zwei Ebenen geschaffen werden, wobei die Endstrukturierung mittels eines
einzigen Ätzangriffes 32 erfolgt.
Dies bringt den Vorteil, daß für die Schaffung
verschiedener Funktionsschichten in verschiedenen Ebenen keine zusätzlichen
Zwischenmaskierungen und keine Zwischenätzangriffe erfolgen müssen.
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Anschließend wird
die Maskierungsschicht 28 entfernt, wobei beispielsweise
ein Sauerstoffplasma-Ätzen
eingesetzt wird, mit dem Fotolack üblicherweise entfernbar ist.
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Anschließend erfolgt
ein Entfernen der Maske 22'.
Dieses kann beispielsweise durch einen separaten Ätzangriff
auf die Maske 22' erfolgen.
Ist die Maske 22' jedoch
beispielsweise, wie anhand der 2 und 3 erläutert, aus
einem Oxid, kann ein Entfernen der Maske 22' mit einem Opferoxid-Ätzen der
Oxid-Schicht 18 verbunden werden. Bei dem Opferoxid-Ätzen der
Oxid-Schicht 18 wird die Oxid-Schicht 18 unterhalb
der von der Maske 22 während
des Ätzangriffes 32 geschützten und
somit stehengelassenen Bereiche 34 der Polysilizium-Schicht 20 weggeätzt. Durch
diesen, in 8 angedeuteten Ätzangriff 36 ergibt
sich, daß die
Bereiche 34 der Polysilizium-Schicht 20 über der
Polysilizium-Schicht 16 frei aufgehängt sind. Diese sind lediglich
an seitlichen Befestigungsbereichen, in der Schnittdarstellung nicht
darstellbar, mit der Polysilizium-Schicht 20 verbunden,
so daß diese
beispielsweise seismische Massen von Sensorelementen bilden können. Hierdurch
wird in einem einzigen weiteren Ätzangriff 36 die
Maske 22' und
partiell die Oxid-Schicht 18 entfernt.
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Ferner
können
durch die anhand der 5 bis 8 erläuterten
Verfahrensschritte mikromechanische Oberflächenstrukturen 42 und 44 in
der über
den mikromechanischen Oberflächenstrukturen 34 liegenden
Ebene erzeugt werden. Entsprechend der Ausbildung der Maske 28 werden
die Bereiche unter der Maske 28 der Schicht 26 stehengelassen. Mit
Entfernen der Maske 28 entstehen dann die mikromechanischen
Umbaustrukturen 42 beziehungsweise 44. Hierbei
ist die Oberflächenstruktur 42 beispielsweise über einen
stehengelassenen Bereich der Schicht 24 mit den mikromechanischen
Strukturen 34 verbunden. Die Oberflächenstruktur 44 hingegen
kann frei aufgehängt
ausgebildet sein. Eine Ankopplung der mikromechanischen Oberflächenstrukturen 42 und/oder 44 kann
hierbei auf kapazitive, induktive oder ohmsche (galvanische) Kopplung
erfolgen.
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In 8 ist
eine schematische Ansicht eines fertig hergestellten Bauelementes 10,
mit Ausnahme einer nachfolgend noch erläuterten Abdeckelung, gezeigt.
Das Bauelement 10 besitzt die mikromechanischen Oberflächenstrukturen 34,
die auf dem Substrat 12 erzeugt wurden, sowie die mikromechanischen Strukturen 42 und 44,
die sowohl mit der Struktur 34 als auch anderen Strukturen
verbunden werden können.
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Anhand
der 9 bis 11 werden verschiedene Ausführungsvarianten
gezeigt, mittels denen eine Verkappung des Bauelementes 10 erfolgt, um
die mikromechanischen Oberflächenstrukturen 34, 42 und 44 vor äußeren Einflüssen zu
schützen. Die
durch die zweite Maskierungsschicht 28 definierten Bereiche 26 der
Polysilizium-Schicht 26 dienen hierbei als Aufnahme für eine Kappe 38.
Die Kappe 38 kann, wie 9 zeigt,
beispielsweise ein Kappenwafer 38' sein, der unter Zwischenschaltung
einer Dichtung, beispielsweise einem Dichtglas 40, auf
den Bereich 26' der Polysilizium-Schicht 26 aufgebondet wird.
Der Kappenwafer 38 braucht an seiner, den mikromechanischen
Oberflächenstrukturen 34 beziehungsweise 42 und 44 zugewandten
Seite keine Ausnehmung aufzuweisen, da durch die Anordnung der Bereiche 26' eine beabstandete
Anordnung des Kappenwafers 38 zu den mikromechanischen
Oberflächenstrukturen 34 beziehungsweise 42 und 44 erzielt
ist.
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Gemäß dem in 10 gezeigten
Ausführungsbeispiel
kann die Kappe 38 aus einem Pyrex-Glas 38'' bestehen, das durch anodische
Bondung direkt auf den Bereich 26' der Polysilizium-Schicht 26 aufgebracht
wird. Diese bildet als Funktionsschicht somit einen Bondrahmen für die Aufnahme
der Kappe 38.
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Gemäß der in 11 gezeigten
Ausführungsvariante
ist auch möglich,
den Silizium-Kappenwafer 38' (9)
direkt auf die Bereiche 26',
das heißt
ohne Zwischenschaltung der Dichtung 40, zu bonden. Gemäß den in 10 und 11 gezeigten Ausführungsbeispielen
können
die mikromechanischen Strukturen 42 und 44 mit
dem Kappenwafer 38 mechanisch gekoppelt sein.
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Das
erläuterte
Ausführungsbeispiel
ist lediglich beispielhaft. So ist jede andere geeignete Strukturierung
von mikromechanischen Oberflächenstrukturen
oder weiteren Funktionsschichten möglich, wobei entscheidend ist,
daß die
einzelnen, übereinander
auf dem Substrat 12 angeordneten Schichten durch einen
einzigen Ätzangriff 32 strukturiert
werden, wobei durch "vergrabene" Maskierungen (Maske 22') die einzelnen
Strukturen definiert sind.