DE19939318A1

DE19939318A1 - Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements

Info

Publication number: DE19939318A1
Application number: DE19939318A
Authority: DE
Inventors: Michael Offenberg; Udo Bischof
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-08-19
Filing date: 1999-08-19
Publication date: 2001-02-22
Also published as: US6368885B1; JP2001105399A

Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechnischen Bauelements, insbesondere eines oberflächenmikromechanischen Drehratensensors, mit den Schritten: Bereitstellen eines Substrats (1) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS); Bilden einer mikromechanischen Struktur (B1, B2, B3) auf der Vorderseite (VS); Aufbringen einer Schutzschicht (S) auf der mikromechanischen Struktur (B1, B2, B3) auf der Vorderseite (VS); Bilden einer mikromechanischen Struktur (B4) auf der Rückseite (RS), wobei zumindest zeitweise ein Lagern auf der mikromechanischen Struktur (B1, B2, B3) auf der Vorderseite (VS) erfolgt; Entfernen der Schutzschicht (S) auf der Vorderseite (VS); und optionelles Weiterbearbeiten der mikromechanischen Struktur (B1, B2, B3) auf der Vorderseite (VS) und/oder der mikromechanischen Struktur (B4) auf der Rückseite (RS).

Description

STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her stellung eines mikromechanischen Bauelements, insbesondere eines oberflächenmikromechanischen Drehratensensors, mit den Schritten: Bilden einer mikromechanischen Struktur auf der Vorderseite und auf der Rückseite.

Obwohl prinzipiell auf beliebige mikromechanische Bauele mente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf diesen be kannten oberflächenmikromechanischen Drehratensensor näher erläutert.

Bei der Herstellung von mikromechanischen Bauelementen kann neben der Vorderseite eines Wafers, z. B. aus Silizium, auch die Rückseite bearbeitet werden, um eine mikromechanische Struktur darauf zu erstellen. Wenn sich dabei auf der Vor derseite des Wafers bereits mikromechanische Strukturen oder Schichten befinden, können diese durch Ablegen des Wa fers auf einer Gerätehalterung beschädigt werden bzw. durch Partikel kontaminiert werden. Dadurch kann die Funktionsfä higkeit des fertiggestellten Bauelements negativ beein flusst werden.

Die DE 195 39 049 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Coriolis-Drehratensensors mit federnd an einem Sub strat aufgehängten, schwingenden Trägermassen sowie An triebsmitteln zur Anregung einer planaren Schwingung der Trägermassen und Auswertemitteln zum Erfassen einer Corio lis-Beschleunigung. Es ist vorgesehen, daß die schwingenden Trägermassen sowie die Antriebsmittel und integrierte An schläge in einem gemeinsamen Arbeitsgang mittels Plasmaät zens aus einem Silizium-Wafer strukturiert werden.

Im speziellen Fall des Drehratensensors, welcher aus der DE 195 39 049 A1 bekannt ist, sind sowohl oberflächen- wie auch volumenmikromechanische Arbeitsschritte erforderlich. Dabei wird der Wafer für die rückwärtige Prozessierung mit der bereits vorbehandelten Vorderseite auf Gerätehalterun gen abgelegt. Etwa vorhandene Partikel in diesen Geräten können an der strukturierten Oberfläche der Vorderseite haften bleiben und bei späteren Ätzschritten auf die darun terliegenden Schichten übertragen werden. Durch die nach folgenden Prozeßschritte können frei bewegliche Partikel entstehen, die in dem betreffenden mikromechanischen Bau element ein Zuverlässigkeitsproblem darstellen.

Aus der DE 44 42 033 C2 ist ebenfalls ein Drehratensensor bekannt, bei dessen Herstellung Vorderseiten- und Rücksei tenprozesse an einem Halbleitersubstrat ausgeführt werden müssen.

Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines bekannten mikromechanischen Drehratensensors, der nach dem üblichen Verfahren hergestellt wird.

In Fig. 4 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Si-Substrat, 2 ein unteres Oxid, 3 eine vergrabene Leiterbahn aus Polysilizi um, 4 ein oberes Oxid, 6 einen Bondrahmen aus Epitaxie- Polysilizium, 7 ein Bondpad aus Aluminium, 9 ein Abdicht glas bzw. Seal-Glas, 10 eine Si-Schutzkappe, 100 einen Si- Wafer, 20 einen Schwinger, 30 eine Kammstruktur, VS eine Vorderseite und RS eine Rückseite.

Bei der üblichen Technik werden insbesondere auf der Vor derseite VS mikromechanische Strukturen aus der 10 µm dic ken Schicht 6 aus Polysilizium durch Trenchen (Grabenbil dung) und Entfernen der darunterliegenden Opferschicht (Oxid 2, 4) freigelegt.

Auf der Rückseite erfolgt ein tiefes Ätzen in den Si-Wafer 1. Bei dem Aufbringen und Strukturieren der dazu erforder lichen Ätzmaske ist bereits zumindest ein Teil der Vorder seitenstrukturen bei diesem Ätzschritt Vorhanden, und der Si-Wafer muß auf seiner Vorderseite abgelegt werden. Das führt häufig zu Verschmutzungen und entsprechenden Ausbeu teeinbußen.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des An spruchs 1 weist gegenüber dem bekannten Lösungsansatz den Vorteil auf, daß durch eine einfache Modifikation des be kannten Verfahrens, nämlich lediglich durch Hinzufügung ei nes Abscheidungs- und eines Ätzprozesses, die Zuverlässig keit und Funktionstüchtigkeit des mikromechanischen Bauele ments wesentlich erhöht werden kann und eine Verringerung der Partikelkontamination bei der doppelseitigen Bearbei tung von Halbleiter-Wafern bzw. Substraten für mikromecha nische Bauelemente erzielbar ist.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee be steht darin, bei der Prozessierung von mikromechanischen Strukturen durch eine temporäre Schutzschicht die Vorder seite eines Wafers bzw. Substrats während der Rückseiten prozessierung zu schützen und zu geeigneter Zeit wieder zu entfernen, um so die Defektdichte zu verringern. Kern der vorliegenden Erfindung ist also die Einführung einer Schutzschicht auf der Vorderseite eines Substrats, die Par tikel während der Rückseitenprozessierung aufnimmt und im Anschluß gemeinsam mit den Partikeln rückstandsfrei und se lektiv über den bereits deponierten Schichten bzw. Struktu ren entfernt werden kann.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbil dungen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen Verfahrens.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird die Schutz schicht unmittelbar nach Bilden der mikromechanischen Struktur auf der Rückseiteseite entfernt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Schutzschicht nach Bilden der mikromechanischen Struktur auf der Rückseite belassen und als Zusatzmaske für das Wei terbearbeiten der mikromechanischen Struktur auf der Vor derseite verwendet. Dies hat den Vorteil der Ausdehnung des Schutzes auf spätere Vorderseitenprozesse.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung findet ein Strukturieren der Schutzschicht auf der Vorderseite statt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird ein se lektives Entfernen der Schutzschicht durch einen isotropen Naß- oder Trockenätzprozeß durchgeführt. Dies hat den Vor teil eines optimalen Lift-Off-Verhaltens.

ZEICHNUNGEN

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert.

Es zeigen:

Fig. 1-3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Anwendung auf einen mikromechanischen Drehra tensensor; und

Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung des be kannten mikromechanischen Drehratensensors, der nach dem üblichen Verfahren hergestellt wird.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In Fig. 1 bis 3 bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 4 gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.

Wie in. Fig. 1 schematisch angedeutet, werden zunächst drei mikromechanische Strukturbereiche B1, B2, B3 auf der Vor derseite VS des Si-Wafers 1 hergestellt.

Dabei kann es sich im Zusammenhang mit Fig. 4 z. B. um fol gende Schritte handeln.

Auf dem bereitgestellten Si-Substrat 1 findet zunächst das Bilden der Opferschicht 2, 4 mit der darin vergrabenen strukturierten Leiterbahnschicht 3 statt.

Dazu erfolgt ein Oxidieren des Substrats 1 zum Bilden der ersten Oxidschicht 2 und anschließend ein Abscheiden und Strukturieren der Leiterbahnschicht 3 auf der ersten Oxid schicht 2. Hierauf geschieht die Abscheidung der zweiten Oxidschicht 4 auf der strukturierten Leiterbahnschicht 3 und der umgebenden ersten Oxidschicht 2.

Dann erfolgt die Abscheidung einer Schutzschicht S auf den vorderseitigen Strukturbereichen B1, B2, B3, welche vorlie gend eine Aluminiumschicht mit einer Dicke im Mikrometerbe reich ist.

Eine Schutzschicht, welche zweckmäßigerweise verwendbar ist, sollte die folgenden Eigenschaften aufweisen:

- Temperaturstabilität bis zur höchsten Temperatur bei der Rückseitenprozessierung, beispielsweise üblicherweise 350
- keine Kontamination des Prozesses und der darin ver wendeten Anlagen oder des Substrats durch die Schutz schicht;
- selektive Entfernbarkeit nach Abschluß der Rückseiten prozessessierung gegenüber den bereits auf dem Wafer be findlichen Schichten;
- isotrope Entfernbarkeit, um die Partikelentfernbarkeit durch den Lift-Off zu gewähreisten.

Im vorliegenden Fall des Drehratensensors wird der Wafer im Rückseitenprozeß bis auf 350°C erwärmt. Als Material bietet sich daher Aluminium für die Schutzschicht S an, das kompa tibel zu IC-Prozessen ist. Außerdem ist es ein sehr dukti les Material, das mechanische Belastungen durch das Hand ling der Wafer aufnimmt, z. B. Kratzer, und die darunterlie genden Schichten effektiv schützt. Weiterhin ist es selek tiv gegenüber den sich auf dem Wafer befindlichen Schichten entfernbar (hier Polysilizium, Oxid, Nitrid).

Dann erfolgt das Maskieren mittels einer Maske M sowie an schließend das Ätzen der Rückseite des Si-Wafers 1, wobei zumindest zeitweise ein Lagern auf der mikromechanischen Struktur B1, B2, B3 auf der Vorderseite VS erfolgt.

Hierbei kann es aufgrund der Schutzschicht S zu keinen Be schädigungen kommen.

Nach der Prozessierung der Rückseite und Fertigstellung der rückseitigen mikromechanischen Struktur B4 kann die Schutz schicht S vorzugsweise in einem Naßätzverfahren entfernt werden, wobei Partikel auf der Oberfläche unterätzt und ab gehoben werden, d. h. durch einen Lift-Off entfernt werden. Dazu kann auch ein Trockenätzverfahren verwendet werden, jedoch sollte das Ätzverfahren vorzugsweise isotrop wirken, um zu gewährleisten, daß die Schutzschicht S vollständig entfernt wird.

Darauf erfolgen das Bilden des Kontaktlochs und das Bilden des Bondpadsockels in an sich bekannter Art und Weise, näm lich durch Ätzen des Kontaktlochs, Abscheiden einer Epita xie-Polysiliziumschicht, Abscheiden und Strukturieren einer Bondpad-Metallschicht und Strukturieren der Epitaxie- Polysiliziumschicht zum Bilden des Bondpadsockels. Dabei kann im übrigen auch eine anders als durch Epitaxie abge schiedene Polysiliziumschicht verwendet werden.

Dabei werden beim Strukturieren der Epitaxie-Polysilizium schicht gleichzeitig mit dem Bondpadsockel 11 die (in Fig. 4 gezeigte) Sensorkammstruktur 30 und die Sensorsockel struktur 6 gebildet.

Schließlich erfolgt das Ätzen der Opferschicht 2, 4, wo durch die Sensorkammstruktur 30 mit Ausnahme des Veranke rungsbereichs freihängend gemacht wird, sowie das Anbringen der Sensorkappe 10 auf der Sensorsockelstruktur 6, was in der in Fig. 4 gezeigten Struktur resultiert.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise mo difizierbar.

Insbesondere läßt sich die erfindungsgemäße Schutzschicht nicht nur auf mikromechanische Drehratensensoren anwenden, sondern beliebige mikromechanische Bauelemente. Die Wahl der Materialien für die einzelnen Schichten ist nicht auf die angegebenen Materialien beschränkt. Insbesondere ist die Erfindung nicht nur für Siliziumbauelemente, sondern auch für Bauelemente aus anderen mikromechanischen Materia lien verwendbar.

Auch kann die Schutzschicht länger als bis zur Fertigstel lung der rückseitigen Struktur auf der Vorderseite des Sub strats verbleiben und sogar als Zusatzmaske für weitere Vorderseitenprozeßschritte verwendet werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Si-Substrat

2

unteres Oxid

3

vergrabene Leiterbahn aus Polysilizium

4

obere Oxid

6

Bondrahmen aus Epitaxie-Polysilizium

7

Bondpad aus Aluminium

9

Abdichtglas bzw. Seal-Glas

10

Si-Schutzkappe

100

Si-Wafer

20

Schwinger

30

Kammstruktur
VS, RS Vorderseite, Rückseite
S Schutzschicht
B1-B4 mikromechanische Strukturelemente

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bau elements, insbesondere eines oberflächenmikromechanischen Drehratensensors, mit den Schritten:
Bereitstellen eines Substrats (1) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS);
Bilden einer mikromechanischen Struktur (B1, B2, B3) auf der Vorderseite (VS);
Aufbringen einer Schutzschicht (S) auf der mikromechani schen Struktur (B1, B2, B3) auf der Vorderseite (VS);
Bilden einer mikromechanischen Struktur (B4) auf der Rück seiteseite (RS), wobei zumindest zeitweise ein Lagern auf der mikromechanischen Struktur (B1, B2, B3) auf der Vorder seite (VS) erfolgt;
Entfernen der Schutzschicht (S) auf der Vorderseite (VS); und
optionelles Weiterbearbeiten der mikromechanischen Struktur (B1, B2, B3) auf der Vorderseite (VS) und/oder der mikrome chanischen Struktur (B4) auf der Rückseiteseite (RS).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (S) unmittelbar nach Bilden der mikrome chanischen Struktur (B4) auf der Rückseiteseite (RS) ent fernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (S) nach Bilden der mikromechanischen Struktur (B4) auf der Rückseiteseite (RS) belassen wird und als Zusatzmaske für das Weiterbearbeiten der mikromechani schen Struktur (B1, B2, B3) auf der Vorderseite (VS) ver wendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch den Schritt des Strukturierens der Schutzschicht (S) auf der Vorderseite (VS).

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet durch den Schritt des selektiven Entfernens der Schutzschicht (S) durch einen isotropen Naß- oder Troc kenätzprozeß.