DE19927971A1 - Verfahren zum Erzeugen einer mikromechanischen Struktur für ein mikro-elektromechanisches Element - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Erzeugen einer mikromechanischen Struktur für ein mikro-elektromechanisches Element wird zunächst eine erste Zwischenschicht, die auf eine erste Hauptoberfläche eines ersten Halbleiterwafers aufgebracht ist, strukturiert, um eine Ausnehmung zu erzeugen. Der erste Halbleiterwafer wird dann über die erste Zwischenschicht mit einem zweiten Halbleiterwafer verbunden, derart, daß durch die Ausnehmung ein hermetisch abgeschlossener Hohlraum definiert wird. Abschließend wird einer der Wafer von einer der ersten Zwischenschicht abgewandten Oberfläche her gedünnt, um eine membranartige Struktur über dem Hohlraum zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen einer mikromechanischen Struktur für ein mikro­ elektromechanisches Element, und insbesondere auf ein Ver­ fahren zum Erzeugen einer membranartigen Struktur in einem Halbleiterwafer, in dem später unter Verwendung herkömmli­ chen Standard-Halbleiterprozesse eine integrierte Schaltung erzeugt werden soll.

Aufgrund der schnellen Entwicklung auf dem Gebiet der Halb­ leiterindustrie und der Mikroelektronik verdrängen mikrome­ chanische Elemente, beispielsweise mikromechanische Druck­ meßzellen auf Siliziumbasis, mehr und mehr klassische mecha­ nische Druckwandler. Mikromechanische Elemente werden bei­ spielsweise in der Automatisierungs- und Medizin-Technik, sowie in Kfz-Anwendungen in großen Mengen eingesetzt. Vor­ zugsweise werden dabei mikro-elektromechanische integrierte Systeme verwendet, die die Verbindung von mechanischen und elektronischen Funktionen auf einem Substrat realisieren. Neben den in CMOS- oder ähnlicher Technologie hergestellten elektronischen Bauelementen, bei denen es sich beispielswei­ se um Meßwandler, Verstärker, Speicher, Mikrocontroler, usw., handelt, befinden sich dabei in denselben Schichten mechanische Bauelemente. Diese können beispielsweise Membra­ nen von Drucksensoren, elastische Platten von Ventilen oder Pumpen, schwingende Massen von Beschleunigungssensoren, be­ wegliche Finger oder einseitig eingespannte Arme von Schal­ tern und dergleichen sein. Über die von der Planartechnolo­ gie gewohnte mehr oder weniger glatte Oberfläche hinaus sind diese mechanischen Strukturen dreidimensional und umfassen freitragende Strukturen und vergrabene Hohlräume.

Es war bisher bekannt, solche Hohlräume durch naßchemisches Ätzen zu erzeugen, bzw. durch verbinden zweier zuvor einzeln fertig bearbeiteter Scheiben. Als Verbindungstechnik zum Verbinden der einzeln bearbeiteten Scheiben kommen dabei ein Waferbonden (Silicon Fusion Bonding), ein anodisches Bonden oder ein Kleben in Frage. In jedem Fall sind bei herkömmli­ chen Verfahren vor dem Verbinden der einzelnen Scheiben die­ selben vollständig bearbeitet, so daß danach keine Verarbei­ tungsschritte mehr stattfinden müssen, die zu einer Beein­ trächtigung der mechanischen Strukturen führen können.

Beim naßchemischen Unterätzen von Strukturen tritt das Pro­ blem des sogenannten "Sticking" auf, bei dem die freitragen­ de Struktur beim Trocknen der Flüssigkeit durch Kapillar­ kräfte an der benachbarten Oberflächen haften bleibt und so­ mit ihre Beweglichkeit verliert. Kleine Gräben, Löcher und Spalten bereiten überdies Probleme beim Benetzen mit Flüs­ sigkeiten (beispielsweise mit Ätzlösungen, Reinigungswasser, Photolack) und beim Entfernen der Flüssigkeiten, beispiels­ weise durch Blasen, die in Ecken haften bleiben können. Beim Abschleudern können Tropfen zurückbleiben, die beim Ein­ trocknen Ränder erzeugen. Auch die Reinigung durch Bürsten ist problematisch, da die beweglichen Strukturen dabei abge­ brochen werden können. Andererseits ist jedoch eine reine Oberfläche der Strukturen notwendig, um die Herstellungsver­ fahren zum Erzeugen der Auswertestrukturen, wie z. B. ein CMOS-Verfahren, anwenden zu können. Durch die Gefahr der Verschleppung von Partikeln und Kontaminationen kann bei of­ fenen Strukturen die CMOS-Fähigkeit nicht mehr gegeben sein, d. h. bestimmte Prozeßabläufe sind in einer CMOS-Linie nicht erlaubt. Darüberhinaus wird beim Vereinzeln der Chips aus dem Waferverbund mit einer Wafersäge mit Wasser gespült, das in offene Hohlräume eindringen kann, und somit das Problem bezüglich Partikeln und Kontaminationen noch erschweren kann.

Überdies ist es bekannt, membranartige Strukturen durch die Verwendung eines KOH-Rückseitenätzens zu erzeugen, nachdem die elektronischen Komponenten auf der Vorderseite eines Wa­ fers fertiggestellt sind. Durch die bei einer KOH-Ätzung auftretenden schrägen Ätzkanten tritt hier jedoch ein hoher Verlust an Integrationsdichte auf, insbesondere, wenn eine hohe Stückzahl mikro-elektromechanischer Komponenten aus ei­ nem Wafer gebildet wird.

Unterschiedliche Verfahren zum Herstellen von Halbleiter­ druckfühlern sind ferner in der DE 37 43 080 A1 beschrieben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Erzeugen einer mikromechanischen Struktur zu schaffen, das die Verwendung herkömmlicher Standard-Verfah­ ren zum Erzeugen von Auswerteschaltungen in dem gleichen Substrat, in dem die mikromechanische Struktur gebildet ist, ermöglicht, wobei für die resultierenden mikro-elektromecha­ nischen Elemente eine hohe Ausbeute erzielt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Erzeugen einer mikromechanischen Struktur nach Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Erzeugen einer mikromechanischen Struktur für ein mikro-elektromecha­ nisches Element, bei dem zunächst eine erste Zwischen­ schicht, die auf eine erste Hauptoberfläche eines ersten Halbleiterwafers aufgebracht ist, strukturiert wird, um eine Ausnehmung zu erzeugen. Nachfolgend wird der erste Halblei­ terwafer über die erste Zwischenschicht mit einem zweiten Halbleiterwafer derart verbunden, daß durch die Ausnehmung ein hermetisch abgeschlossener Hohlraum definiert wird. Ab­ schließend wird einer der Wafer von einer der ersten Zwi­ schenschicht abgewandten Oberfläche her gedünnt, um eine membranartige Struktur über dem Hohlraum zu erzeugen.

Bei der derart erzeugten mikromechanischen Struktur, bei der der Hohlraum nach dem Dünnen von einem der Wafer weiterhin hermetisch abgeschlossen bleibt, kann nun eine integrierte Schaltung unter Verwendung herkömmlicher Standard-Halblei­ terfertigungsprozesse in dem gedünnten Wafer integriert werden. Dabei bleibt der Hohlraum, der zusammen mit der mem­ branartigen Struktur das mikromechanische Element definiert, stets hermetisch abgeschlossen, so daß die oben beschriebe­ nen Probleme bei der Anwendung beispielsweise eines CMOS-Ver­ fahrens zur Erzeugung einer integrierten Schaltung erfin­ dungsgemäß nicht auftreten. Überdies entfallen aufgrund des hermetisch abgeschlossenen Hohlraums die vorher erwähnten Probleme des Beseitigens der Ätzflüssigkeiten aus den Hohl­ räumen, da aufgrund der hermetischen Abgeschlossenheit wäh­ rend der Herstellung der integrierten Schaltung keine Flüs­ sigkeiten, Gase oder Feststoffe in den Hohlraum eindringen können. Folglich ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen einer mikromechanischen Struktur die Herstel­ lung von mikro-elektromechanischen Elementen, beispielsweise Drucksensoren oder gesteuerten Ventilen, mit einer verrin­ gerten Anzahl von Bearbeitungsschritten, so daß die vorlie­ gende Erfindung eine kostengünstige Herstellung ermöglicht.

Diese Vorteile werden erfindungsgemäß erreicht, indem ein hermetisch abgeschlossener Hohlraum in einer Zwischenschicht gebildet wird, die zum Verbinden zweier Halbleiterwafer ver­ wendet wird. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Er­ findung ist auf beiden Halbleiterwafern eine Zwischenschicht aufgebracht, von denen eine oder beide strukturiert werden, um nach dem Verbinden den Hohlraum zu bilden, wobei es sich bei den zwischenschichten um isolierende oder leitende Schichten handelt, die beispielsweise aus Oxid (thermisch oder TEOS), Polysilizium, Nitrid oder Metall bestehen kön­ nen. Diese zwischenschichten können mittels bekannter Ver­ bindungsverfahren, beispielsweise einem Waferbonden (Silicon Fusion Bonding), einem anodischen Bonden oder einem Kleben, miteinander verbunden werden. Alternativ kann eine größere Anzahl von zwischenschichten zwischen den zu verbindenden Wafern verwendet werden, um damit die Erzeugung eines Hohl­ raums mit Bereichen einer variablen Höhe zu ermöglichen.

Die erfindungsgemäß erzeugten mikromechanischen Strukturen eignen sich insbesondere zum Einsatz in Drucksensoren, bei­ spielsweise Absolutdrucksensoren oder Differenzdrucksenso­ ren. Überdies können mittels des erfindungsgemäßen Verfah­ rens auch mikromechanische Strukturen erzeugt werden, die eine Mehrzahl von voneinander unabhängigen Membranbereichen aufweisen, um damit die Herstellung eines Drucksensorarrays zu ermöglichen. In gleicher Weise ist die vorliegende Erfin­ dung jedoch auch einsetzbar, um mikromechanische Strukturen zur Verwendung in anderen mikro-elektromechanischen Bauele­ menten zu schaffen, beispielsweise elastische Platten von Ventilen oder Pumpen, schwingende Massen von Beschleuni­ gungssensoren, bewegliche Finger oder Cantilever von mikro­ mechanischen Relais und dergleichen.

Weiterbildungen der vorliegenden Anmeldung sind in den ab­ hängigen Ansprüchen dargelegt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a bis 1c schematische Querschnittansichten zur Er­ läuterung eines Ausführungsbeispiels des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 2 eine Querschnittansicht eines elektrisch isolierten Schaltungselements in einem SOI-Substrat.

Bezugnehmend auf die Fig. 1a bis 1c wird nachfolgend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Elements er­ läutert, wobei das Verfahren zum Herstellen der mikromecha­ nischen Struktur eines Drucksensors und nachfolgend zum Er­ zeugen einer integrierten Schaltung in dem Substrat, in dem die Membran des Drucksensors gebildet ist, dient.

Wie in Fig. 1a gezeigt ist, wird zunächst eine auf einen ersten Halbleiterwafer 2 aufgebrachte Zwischenschicht 4 strukturiert, um eine Ausnehmung 6 in derselben zu bilden.

Der Halbleiterwafer 2 wird nachfolgend über die Zwischen­ schicht 4 mit einem zweiten Halbleiterwafer 8 verbunden, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls mit ei­ ner Zwischenschicht 10 versehen ist. Durch das Verbinden der beiden Wafer 2 und 8 wird durch die Ausnehmung 6 ein herme­ tisch abgeschlossener Hohlraum 12 definiert, wie in Fig. 1b zu sehen ist. Nach dem Verbinden der beiden Wafer 2 und 8 wird der erste Wafer 2 von der dem Wafer 8 abgewandten Hauptoberfläche desselben her gedünnt, um oberhalb des Hohl­ raums 12 eine membranartige Struktur 14 zu erzeugen. Dabei bleibt der in der Zwischenschicht 4 gebildete Hohlraum 12 hermetisch abgeschlossen.

Fig. 1b zeigt die durch das erfindungsgemäße Verfahren her­ gestellte mikromechanische Struktur, wobei durch das Her­ stellungsverfahren derselben ermöglicht ist, daß in dem ge­ dünnten Wafer 2, in dem die membranartige Struktur 14 gebil­ det ist, integrierte Schaltungsstrukturen 16 mittels her­ kömmlicher Standard-Halbleiterprozesse erzeugt werden, die zur Auswertung von durch die Membran 14 erzeugten Signalen dienen kann. Dadurch wird aus der mikromechanischen Struktur die in Fig. 1c gezeigte mikro-elektromechanische Struktur, bei der in einem Halbleiterwafer 2 zum einen eine mikrome­ chanische gefertigte Membran 14 als auch eine integrierte Schaltung 16, die beispielsweise mittels herkömmlicher CMOS-Techniken hergestellt ist, gebildet ist. Das erfin­ dungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Struktur ermöglicht diese Herstellung eines mikro-elektrome­ chanischen Elements unter Verwendung herkömmlicher Stan­ dard-Halbleiterfertigungsprozesse, beispielsweise CMOS-Pro­ zesse, da bis zur Vollendung der integrierten Schaltung der Hohlraum 12 stets hermetisch verschlossen bleibt. Somit er­ möglicht die vorliegende Erfindung die kostengünstige Her­ stellung von mikro-elektromechanischen Elementen mit einer, verglichen mit herkömmlichen Verfahren, reduzierten Anzahl von Verfahrensschritten.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Material für die Halbleiterwafer vorzugsweise Silizium verwendet, wobei die Zwischenschicht, bzw. die Zwischenschichten 4 und 10 in Fig. 1, vorzugsweise aus einem Oxid (thermisch oder TEOS), aus Polysilizium, aus einem Nitrid oder aus Metall besteht bzw. bestehen. Hierbei ist anzumerken, daß, obwohl bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel auf beiden Wafern eine Zwischenschicht angeordnet ist, bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren lediglich eine Zwischenschicht notwendig ist, in der die Ausnehmung strukturiert wird. Bei alternati­ ven Ausführungsbeispielen kann eine Mehrzahl von Zwischen­ schichten zwischen den Wafern vorgesehen werden, so daß es möglich ist, durch unterschiedliche Strukturierung der ein­ zelnen Schichten Hohlräume mit Bereichen unterschiedlicher Höhen zu erzeugen. Ferner wäre es alternativ zu dem in Fig. 1 gezeigten Verfahren möglich, auch in der auf das zweite Substrat 8 aufgebrachten Zwischenschicht 10 eine Strukturie­ rung vorzusehen, so daß diese zusammen mit der in der Zwi­ schenschicht 4 vorgesehenen Strukturierung nach dem Verbin­ den der Wafer den Hohlraum definiert. Dabei ist anzumerken, daß eine quasi unbegrenzte Möglichkeit der Strukturierung von Zwischenschichten zum Erzeugen unterschiedlicher Hohl­ räume existiert, solange die Hohlräume nach dem Verbinden der beiden Wafer hermetisch abgeschlossen sind. Die Struk­ turierung zur Erzeugung dieser Hohlräume kann durch bekannte Strukturierungsverfahren, beispielsweise Photolithographie, Naß- bzw. Trocken-Ätzen oder durch selektive Abscheidung er­ folgen.

Die Verbindung der Wafer kann mittels bekannter Verbindungs­ verfahren erfolgen, wobei die beiden Wafer mit der oder den Verbindungsschichten aufeinandergelegt und mittels speziel­ ler Prozesse miteinander verbunden werden, beispielsweise anodischen Bondverfahren, Klebeverfahren oder dem sogenann­ ten Silicon Fusion Bonding. Nach diesem Verbinden entsteht aus den zunächst in der bzw. den Zwischenschichten struktu­ rierten Ausnehmung, bzw. den Ausnehmungen, ein hermetisch abgeschlossener Hohlraum 12, wie er in Fig. 1b gezeigt ist. Im Anschluß wird einer der beiden Halbleiterwafer auf eine vorgegebene Dicke gedünnt, so daß über dem Hohlraum eine membranartige Struktur entsteht. Dabei kann der zu dünnende Wafer vorzugsweise aus einem SOI-Material (Silicon on Isola­ tor) bestehen, wodurch ein exaktes Dünnen erleichtert wird. Durch dieses Dünnen wird oberhalb der strukturierten Berei­ che, d. h. über den Hohlräumen, eine sensorspezifische Zone bzw. eine Membran erzeugt, während die übrige Fläche des ge­ dünnten Wafers für die Integration elektronischer Schaltun­ gen dienen kann.

Die nach diesem Verfahren hergestellten mechanischen Struk­ turen, von denen beispielhaft eine in Fig. 1b gezeigt ist, weisen jetzt noch eine nach oben geschlossene und planare Oberfläche und in der Tiefe einen oder mehrere hermetisch abgeschlossene Hohlräume auf. Damit kann der gedünnte Wafer mit den üblichen CMOS-Technologien bearbeitet werden.

Die Form der hermetisch abgeschlossenen Hohlräume ist im Grundriß beliebig, im einfachsten Fall rechteckig, vieleckig oder rund, und kann langgestreckte und gewundene Kanäle ent­ halten oder aus mehreren isolierten oder mit Kanälen verbun­ denen Strukturen bestehen. Die Höhe der Hohlräume ist durch die Dicke der strukturierten Schicht gegeben, wie in Fig. 1a gezeigt ist, und damit im einfachsten Fall einheitlich. Durch eine mehrfache Strukturierung einer einzelnen Schicht oder durch eine Strukturierung mehrere Schichten kann je­ doch, wie bereits oben erwähnt wurde, die Höhe der Hohlräume beliebig variiert werden, das heißt, es können Hohlräume mit Bereichen unterschiedlicher Höhe erzeugt werden.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen einer mikromechanischen Struktur wird der Schritt des Verbindens der beiden Wafer in einem Vakuum durchgeführt, so daß bei möglichen nachfolgenden Hochtemperaturprozessen kein Überdruck durch die thermische Expansion eines in den hermetisch abgeschlossen Hohlräumen enthaltenen Gases entsteht. Somit kann eine Beschädigung der über dem oder den Hohlräumen erzeugten membranartigen Struk­ turen vermieden werden, da beispielsweise einem Unterdruck von 1 bar im kalten Zustand, der beispielsweise bei einem Vakuum in dem Hohlraum vorliegt, leichter zu widerstehen ist, als einem Überdruck von 3 bar in einem Diffusionsofen bei beispielsweise 1100°C, wenn die Verbindung der Wafer nicht in einem Vakuum stattfindet. Je nach Anwendung der er­ findungsgemäß erzeugten mikromechanischen Struktur ist es jedoch auch möglich, den Hohlraum mit einem speziellen Gas bei einem beliebigen Druck zu füllen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen einer mikrome­ chanischen Struktur eignet sich insbesondere zur Herstellung mikromechanischer Teile unterschiedlicher Drucksensoren. Das Sensorsignal solcher Drucksensoren kann auf unterschiedliche Weise erzeugt werden, beispielsweise mittels integrierter piezoelektrischer Widerstände auf, in oder neben der erfin­ dungsgemäß erzeugten Membran, oder mittels kapazitiver Meß­ verfahren durch das Anbringen einer beweglichen Elektrode auf der Membran und einer entsprechenden Gegenelektrode. Nach dem Fertigstellen der mikro-elektromechanischen Ele­ mente unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen einer mikromechanischen Struktur können die noch im Waferverbund befindlichen Elemente vereinzelt werden, um dadurch einzelne Sensorelemente zu erzeugen. Beispielsweise zeigt Fig. 1c einen Absolutdrucksensor, bei dem der Hohl­ raum 12 hermetisch abgeschlossen bleibt, so daß durch den Sensor ein auf die Außenseite der Membran 14 wirkender Druck erfaßt werden kann.

Alternativ können durch das erfindungsgemäße Verfahren je­ doch auch mikromechanische Strukturen für Differenzdruck­ sensoren oder Drucksensorarrays erzeugt werden.

Beispielsweise kann eine mikromechanische Struktur für einen Differenzdrucksensor erzeugt werden, indem der unter der membranartigen Struktur angeordnete Hohlraum mit einer Öff­ nung versehen wird, die den Hohlraum mit der Umwelt verbin­ det. Dadurch können auf den beiden Seiten der Membran unter­ schiedliche Drücke angelegt werden, so daß das Ausgangssi­ gnal des durch den Hohlraum und die Membran gebildeten Sen­ sors die Differenz zwischen diesen Drücken anzeigt. Zum Her­ stellen einer mikromechanischen Struktur für einen solchen Differenzdrucksensor wird oder werden vor dem Verbinden der beiden Wafer in dem Wafer, der später nicht gedünnt wird, eine oder mehrere vertikale Öffnungen gebildet, die den Wa­ fer nicht vollständig durchdringen. Diese Öffnungen können vorzugsweise geätzt werden. Nach dem Verbinden der Wafer ist diese Öffnung direkt mit dem Sensorhohlraum verbunden oder kann auch über einen Kanal mit dem Hohlraum verbunden sein. Nach der vollständigen Herstellung des mikro-elektromecha­ nischen Elements, d. h. nach dem Integrieren der integrierten Schaltung in dem gedünnten Wafer, wird diese vergrabene Öff­ nung durch den nicht gedünnten Wafer geöffnet. Dieses Öffnen kann beispielsweise durch einen weiteren Ätzprozeß oder durch einen Dünnprozeß von der Rückseite her durchgeführt werden.

Alternativ kann ein Differenzdrucksensor realisiert werden, indem bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwei Hohlräume mit jeweils zugeordneten Membranen in der oder den Zwischen­ schichten strukturiert werden, die über einen oder mehrere vertikale oder laterale Kanäle miteinander verbunden sind. Die vertikalen Kanäle, die vorzugsweise eine geringere Höhe aufweisen als die Hohlräume, können durch unterschiedliches Strukturieren einer Zwischenschicht oder durch Strukturieren einer Mehrzahl von Zwischenschichten erzeugt werden. Einer der Hohlräume wird dann wiederum nach dem Erzeugen der in­ tegrierten Schaltung in dem Wafer nach außen geöffnet, um das Anlegen eines Druckes an die Unterseite der Membran zu ermöglichen, so daß ein Differenzdruck zwischen Unterseite und Oberseite der Membran erfaßt werden kann. Daneben ist es möglich, daß zwei oder mehr Sensoren, die jeweils aus Hohl­ raum und zugeordneter Membran bestehen, einen oder mehrere Differenzverstärker ansteuern.

Die Erzeugung einer Mehrzahl von Hohlräumen mit zugeordneten Membranen kann ferner genutzt werden, um ein Drucksensor­ array, das eine hohe Auflösung bietet, zu realisieren. Dazu werden beispielsweise mehrere Hohlräume in einer Matrix ne­ beneinander in einer oder mehreren Zwischenschichten struk­ turiert, so daß sich nach dem Verbinden der Wafer ein Druck­ sensorarray ergibt. Nach dem Herstellen der mikromechani­ schen Struktur für das Drucksensorarray auf die erfindungs­ gemäße Art und Weise wird dann eine entsprechend angepaßte integrierte Schaltung in dem gedünnten Wafer erzeugt. Diese integrierte Schaltung kann beispielsweise angepaßt sein, um zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Sensoren bzw. zur Er­ zielung eines höheren Sensorsignals die Sensorsignale zu addieren. Dabei wird bei dem für das System höchsten spezi­ fizierten Druck beispielsweise nur das Signal eines Sensors auf der Matrix verarbeitet, während bei abnehmendem Druck das zu verarbeitende Signal durch die Addition der Signale mehrerer Sensoren aus der Matrix erhöht wird. Dabei kann es notwendig sein, daß jedes einzelne Sensorelement für sich kalibriert werden muß, um eine Fehleraddition zu vermeiden. Enthält die integrierte Schaltung einen Mikrocontroler, exi­ stiert die Möglichkeit, das System selbstkalibrierend aufzu­ bauen. Beispielsweise kann von einem Mikrocontroler ein automatischer Nullabgleich gesteuert werden. Das Sensorsi­ gnal kann dann über eine integrierte Datenausgabekomponente, beispielsweise eine I²C-Schnittstelle, ausgelesen werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen einer mi­ kromechanischen Struktur ist es überdies auch möglich, hoch­ temperaturtaugliche integrierte Sensoren herzustellen. Eine solche Hochtemperaturfestigkeit kann bei nach den oben be­ schriebenen Verfahren hergestellten Differenzdrucksensoren und Drucksensorarrays beispielsweise durch designtechnische Maßnahmen erreicht werden, indem die sensitiven Elemente "gekapselt" werden, was beispielsweise durch ein Trench-Pro­ zeßmodul oder durch Ausführung der Piezowiderstände in strukturiertem Polysilizium erreicht werden kann. Durch die Erweiterung des Standardprozesses mit einem Trenchmodul wird die Umhüllung einer elektronischen Schaltungskomponente oder eines mikromechanisch gebildeten Sensors mit einer isolie­ renden Schicht, z. B. einer Siliziumdioxid-Schicht, gewähr­ leistet.

In gleicher Weise kann eine Hochtemperaturfestigkeit der in­ tegrierten Schaltung durch designtechnische Maßnahme er­ reicht werden. Die allseitige elektrische Isolation des Transistors reduziert das Volumen aus dem thermisch gene­ rierte Minoritätsladungsträger in das aktive Gebiet diffun­ dieren können und zu einem erhöhten Leckstrom führen. Diese Maßnahme ermöglicht also den Betrieb des Transistors auch bei hoher Temperatur. Beispielsweise ist in Fig. 2 ein SOI-Transistor im Querschnitt dargestellt, der durch ein "Trench-Prozeßmodul" gekapselt und somit elektrisch isoliert ist. Die elektrische Isolation des SOI-Transistors, der schematisch mit einem Source-Anschluß S, einem Gate-Anschluß G und einem Drain-Anschluß D in einer p-Typ Siliziumschicht gezeigt ist, wird zum einen durch die Isolatorschicht 30 des SOI-Substrats, das aus einer Trägerschicht 32, der Isolator­ schicht 30 und einer auf der Isolatorschicht angeordneten Siliziumschicht 34 besteht, gebildet. Ferner ist der SOI-Transistor von Gräben 36, die als Trenches bezeichnet wer­ den, umgeben, die den SOI-Transistor elektrisch isolieren. Auf der Oberfläche der Siliziumschicht 34 ist eine Passivie­ rungsschicht 38 vorgesehen, die entweder zusammen mit dem Füllen der Gräben 36 oder danach aufgebracht wird.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit Verfahren zum Er­ zeugen mikromechanischer Strukturen für mikro-elektromecha­ nische Elemente, bei denen sämtliche Hohlräume der mikrome­ chanischen Strukturen nach dem Erzeugen derselben hermetisch abgeschlossen sind, während eine nach oben geschlossen und planare Oberfläche geliefert wird, so daß die Wafer von oben unter Verwendung üblicher CMOS-Technologien bearbeitet wer­ den können. Somit sind erfindungsgemäß Probleme, die bei herkömmlichen Verfahren durch das Reinigen von Waferoberflä­ chen bzw. das Eindringen von Flüssigkeiten in Hohlräume und die Verschleppung von Partikeln und Kontaminationen bewirkt werden, beseitigt. Damit schafft die vorliegende Erfindung ein wenig aufwendiges Verfahren, das die Herstellung von mi­ kromechanischen Elementen kostengünstig und mit hoher Aus­ beute ermöglicht.

Claims (12)

1. Verfahren zum Erzeugen einer mikromechanischen Struktur für ein mikro-elektromechanisches Element, mit folgen­ den Schritten:

• a) Strukturieren einer ersten Zwischenschicht (4), die auf eine erste Hauptoberfläche eines ersten Halbleiterwafers (2) aufgebracht ist, um eine Aus­ nehmung (6) zu erzeugen;
• b) Verbinden des ersten Halbleiterwafers (2) über die erste Zwischenschicht (4) mit einem zweiten Halb­ leiterwafer (8), derart, daß durch die Ausnehmung (6) ein hermetisch abgeschlossener Hohlraum (12) definiert wird; und
• c) Dünnen von einem der Wafer (2) von einer der er­ sten Zwischenschicht (4) abgewandten Oberfläche her, um eine membranartige Struktur (14) über dem Hohlraum (12) zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem auf die Hauptober­ fläche des zweiten Halbleiterwafers (8), der über die Zwischenschicht (4) mit dem ersten Halbleiterwafer (2) verbunden wird, vor dem Verbinden eine zweite Zwischen­ schicht (10) aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die zweite Zwischen­ schicht strukturiert wird, derart, daß nach dem Verbin­ den die Strukturierung der zweiten Zwischenschicht und die Ausnehmung in der ersten Zwischenschicht den Hohl­ raum definieren.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zusätzlich zu der ersten Zwischenschicht (4) weitere Zwischenschichten zwischen den beiden Halbleiterwafern (2, 8) vorgesehen werden, die vor dem Verbinden der beiden Halbleiterwafer strukturiert werden, um einen Hohlraum mit Bereichen variabler Höhe zu erzeugen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der erste und der zweite Wafer (2, 8) aus Silizium beste­ hen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die eine oder die mehreren Zwischenschichten (4, 10) aus einem Oxid, aus Polysilizium, aus einem Nitrid oder aus Tetraethylorthosilikat bestehen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die eine oder die mehreren Zwischenschichten (4, 10) derart strukturiert werden, daß nach dem Verbinden der beiden Wafer mehrere, durch Kanäle verbundene, nach außen her­ metisch abgeschlossene Hohlräume definiert sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem nach dem Schritt c) eine integrierte Schaltung (16) in dem gedünnten Halbleiterwafer (2) erzeugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die integrierte Schaltung unter Verwendung von Standard-Halbleiterpro­ zessen erzeugt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem elektrisch isolierende Gräben (36) in dem gedünnten Halbleiterwafer gebildet werden, um elektrisch vonein­ ander isolierte Bereiche in dem gedünnten Halbleiter­ wafer zu erzeugen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Verbinden im Schritt b) in einem Vakuum durchge­ führt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem als erster und/oder zweiter Wafer ein SOI-Wafer verwen­ det wird.