DE60225402T2

DE60225402T2 - Bauelement mit variabler Kapazität und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE60225402T2
Application number: DE60225402T
Authority: DE
Inventors: Gilles Delapierre
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2001-10-17
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2022-10-16
Also published as: US6825491B2; FR2830978A1; FR2830978B1; DE60225402D1; US20030085450A1; EP1308972B1; EP1308972A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit integrierter variabler elektrischer Kapazität und ein Kollektivherstellungsverfahren solcher Vorrichtungen.
Unter "Vorrichtung mit variabler elektrischer Kapazität" versteht man beliebige Vorrichtung oder Komponente, die einen oder mehrere integrierte Kondensatoren umfasst, deren elektrische Kapazität verändert werden kann.
Solche Vorrichtungen werden zum Beispiel zur Realisierung von Resonanzfiltern verwendet, die auf verschiedene Frequenzen abstimmbar sein müssen.
Eine besondere Anwendung der Vorrichtungen mit variabler Kapazität ist die Realisierung von Funk-Telekommunikationseinrichtungen. Der integrierte Charakter der variablen Kapazitäten wird durch die Miniaturisierungsgebote der betreffenden Einrichtungen diktiert.
Stand der Technik
Eine Beschreibung des Stands der Technik liefert das Dokument 1, dessen Referenzen am Ende der vorliegenden Beschreibung genannt werden. Elementare Elemente können in den Dokumenten (2) bis (4) gefunden werden, deren Referenzen ebenfalls am Ende der Beschreibung genannt werden.
Eine integrierte elektrischen Kapazität umfasst generell einen festen Belag und einen beweglichen Belag, die sich gegenüberstehen und dabei gegenseitig isoliert sind. Der bewegliche Belag kann durch eine Membran getragen oder gebildet werden. Die Beweglichkeit des Belags kann auf dem flexiblen und verformbaren Charakter der Membran oder der Tatsache beruhen, dass diese letztere durch flexible Einrichtungen wie etwa Trägern mit einer festen Auflage verbunden ist. Die Verschiebung des beweglichen Belags hat die Wirkung, den Abstand der sich gegenüberstehenden Beläge und damit die Kapazität des durch die Beläge gebildeten Kondensators zu verändern.
Man kennt im Wesentlichen drei Arten von Antriebsmitteln zur Betätigung der Verschiebung des beweglichen Belags. Man unterscheidet elektrostatische, piezoelektrische und thermische Einrichtungen, wobei die Letzteren auf dem Prinzip der differentiellen Wärmeausdehnung beruhen (Bimetall).
Von diesen Einrichtungen wird generell die elektrostatische Betätigung bevorzugt. Der Vorteil dieser Betätigungsart liegt in der Einfachheit ihrer Realisierung und ihrem geringen Stromverbrauch. Die elektrostatischen Betätigungseinrichtungen arbeiten mit Elektroden, zwischen denen durch die Anwendung einer Potentialdifferenz elektrostatische Kräfte erzeugt werden. Diese Kräfte werden zur Verschiebung des beweglichen Belags benutzt.
Bei stark miniaturisierten Vorrichtungen ist es jedoch schwierig, die zur Erzeugung der elektrostatischen Kräfte notwendige Steuerspannung zu liefern. Diese liegt in der Größenordnung von 10 bis 100 Volt.
Eine zur Begrenzung der Steuerspannung mögliche Lösung besteht darin, die Träger des beweglichen Belags nachgiebiger zu machen. Eine höhere Flexibilität der Träger ermöglicht eine niedrigere Spannung.
Jedoch wird die Vorrichtung dann auch empfindlicher gegenüber Beschleunigungen. Man kann sich diesbezüglich auf die Dokumente (2) und (3) beziehen, die vorschlagen, die Empfindlichkeit eines beweglichen Belags gegenüber Beschleunigungen für die Realisierung eines Beschleunigungsmessers zu nutzen.
Bei den Vorrichtungen der vorliegenden Beschreibung haben die Beschleunigungen einschließlich der Schwerkraft jedoch die Wirkung, durch Verschiebungen des beweglichen Belags unkontrollierte Kapazitätsveränderungen zu verursachen. Dieses Phänomen ist besonders störend bei tragbaren Geräten, die starken und wiederholten Beschleunigungen ausgesetzt sind.
Eine Reduzierung des unerwünschten Effekts ist möglich, indem man bewegliche Beläge in Form von sehr dünnen Membranen oder durch solche Membranen getragene Beläge benutzt. Ihr geringes Gewicht macht sie weniger anfällig gegenüber Beschleunigungen.
Die Verwendung dünner Membranen ist jedoch mit anderen Schwierigkeiten verbunden. Zum Beispiel können Eigenresonanzschwingungen der Membranen mit niedriger Frequenz Instabilitäten der Kapazität erzeugen. Außerdem sind die sehr dünnen Membranen brüchig und deformieren sich im Laufe der Zeit. Daraus resultiert insbesondere eine Abweichung der Kapazität im Ruhezustand, das heißt der Kapazität ohne angewandtes elektrisches Feld.
Das Dokument US 6,110,791 zeigt einen Kondensator mit einer mit einer Rippe versehenen Membran, wobei die Membran dielektrisch ist.
Das Dokument US 6,034,414 zeigt einen variablen Kondensator mit einer einen beweglichen Belag bildenden Membran, aber ohne Rippe.
Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat den Zweck, eine Vorrichtung mit integrierter variabler Kapazität vorzuschlagen, welche die oben genannten Begrenzungen und Schwierigkeiten nicht aufweist.
Eine Aufgabe besteht insbesondere darin, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die wenig empfindlich ist gegenüber Beschleunigungen, eine gute zeitliche Stabilität gewährleistet und gut steuerbar ist mit einer niedrigen Spannung, und dies bei geringem Stromverbrauch.
Eine andere Aufgabe ist es, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die in tragbaren Telekommunikationsgeräten verwendet werden kann.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Realisierungsverfahren einer solchen Vorrichtung vorzuschlagen.
Schließlich hat die Erfindung noch die Aufgabe, ein Verfahren vorzuschlagen, das an die Simultanherstellung von großen Serien von Vorrichtungen mit variabler Kapazität angepasst ist.
Um diese Aufgaben zu erfüllen betrifft die Erfindung noch genauer eine integrierte Vorrichtung von variabler Kapazität mit mindestens einer einen beweglichen Belag bildenden Membran und wenigstens einer mindestens einem festen Belag gegenüberstehenden Hauptseite. Erfindungskonform ist die Membran fest verbunden ist mit mindestens einer Versteifungsrippe, die in einer zu der genannten Hauptseite senkrechten Richtung emporragt. Vorzugsweise ist die Rippe in einer zu der Hauptseite parallelen Richtung so dünn wie möglich.
Die betrachtet die Membran als einen beweglichen Belag, wenn wenigstens ein Teil der Membran, der sich dem festen Belag nähern oder sich von ihm entfernen kann, aus einem leitfähigen Material ist, oder wenn die Membran in diesem Teil mit einer Schicht aus einem leitfähigen Material versehen ist, die einen oder mehrere Beläge bildet. Mit anderen Worten bildet oder trägt wenigstens ein Teil der Membran einen Belag.
Man betrachtet das die Membran bildende Material dann als leitend, wenn dieses Material genügend Strom leitet, um einen Kondensatorbelag zu bilden. Dies schließt folglich die Wahl von Halbleitermaterial nicht aus.
Die Verschiebung des beweglichen Belags kann durch Verformung der Membran stattfinden, die dann wenigstens einen flexiblen Teil umfasst, und/oder indem man einen oder mehrere Träger der Membran verformt.
Die Rippe ermöglicht, der Membran und folglich dem beweglichen Belag eine gute Steifigkeit zu verleihen, trotz seiner Dünnheit und folglich seiner Leichtigkeit. Sie ermöglicht auf diese Weise, dünnere Membranen als bei den bekannten Vorrichtungen zu realisieren. Die derart versteifte Membran hat ein besseres Langzeitverhalten, eine bessere Stabilität, und ist dabei relativ unempfindlich gegenüber Beschleunigungen.
Die Rippe befindet sich auf wenigstens einer der Hauptseiten, das heißt einer der Seiten mit größerer Fläche. Diese Charakteristik ermöglicht, die Versteifungsfunktion der Rippe oder Rippen zu optimieren, beeinträchtig aber weder die Form noch die Ausrichtung der Membran.
Gemäß einem speziellen Aspekt der Erfindung kann die Vorrichtung ein die Membran und eine oder mehrere feste Beläge tragendes Substrat umfassen.
Auch hier geht man wieder davon aus, dass das Substrat einen festen Belag bildet, wenn wenigstens ein Teil des Substrats aus einem leitenden Belag-fähigen Material ist, oder wenn das Substrat eine oder mehrere leitende, Elektroden bildende Schichten umfasst und auf diese Weise den (oder die) ortfesten Belag (Beläge) bildet.
Bei einer speziellen Realisierung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einen ersten Teil umfassen, der einer ersten Hauptseite der Membran gegenüberstehend angeordnet ist, und einen zweiten Teil, der fest mit dem ersten Teil verbunden ist und einer zweiten Hauptseite der Membran gegenüberstehend angeordnet ist, wobei wenigstens einer der beiden Teile, der erste oder der zweite, einen festen Belag bildet.
In dem Fall, wo die Membran eine plane Membran ist, kann das Substrat zwei feste Beläge umfassen, beiderseits der Membran angeordnet, ihren beiden Hauptseiten gegenüberstehend. Vorteilhafterweise kann einer der festen Beläge zusammen mit dem beweglichen Belag dazu benutzt werden, eine Antriebseinrichtung für die elektrostatische Betätigung zur Verschiebung der Membran zu bilden. Der zweite feste Belag kann dann ausschließlich der Bildung einer variablen Kapazität dienen, zusammen mit dem beweglichen Belag.
Zu präzisieren ist, dass ein und derselbe Satz aus festem und beweglichem Belag gleichzeitig als variable Kapazität und als elektrostatische Antriebseinrichtung benutzt werden kann.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einer Vorrichtung von variabler Kapazität wie folgt:

a) man realisiert ein Substrat mit mindestens einer dünnen ersten Belagschicht, verbunden mit einem massiven Teil durch eine vergrabene isolierende Schicht,
b) man bildet auf der dünnen ersten Belagschicht eine Ätzsperrschicht, wobei die Ätzsperrschicht mindestens eine Befestigungsöffnung aufweist, die in einem Teil der dünnen Belagschicht mündet, der dazu bestimmt ist, einen beweglichen Belag zu bilden,
c) man erzeugt wenigstens eine die Ätzsperrschicht bedeckende Versteifungsschicht, wobei man in der Befestigungsöffnung einen Kontakt bzw. eine Bindung mit der dünnen ersten Schicht herstellt,
d) man praktiziert eine selektive Ätzung der steifen Schicht und realisiert dabei mindestens eine Versteifungsrippe, die sich über der Befestigungsöffnung und in dem Teil der dünnen Belagschicht ausdehnt, der dazu bestimmt ist, einen beweglichen Belag zu bilden,
e) man befreit den genannten Teil durch lokale Eliminierung der Ätzsperrschicht und der vergrabenen isolierenden Schicht, um den Belag beweglich zu machen.

Unter "Belagschicht" versteht man eine Schicht aus einem leitenden, halbleitenden oder resistiven Material, fähig einen oder mehrere Kondensatorbeläge zu bilden.
Bei einer speziellen Realisierungsart des Verfahrens kann man eine Ätzsperrschicht aus einem elektrisch isolierenden Material und eine Versteifungsschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material benutzen. Man lässt dann in Schritt d) einen Teil der Versteifungsschicht stehen, der sich über dem genannten Teil der einen beweglichen Belag bildenden dünnen Schicht befindet und man befreit die genannten Teile der Versteifungsschicht und der dünnen Belagschicht gegenseitig.
Die Befreiung der Belagschicht von der Versteifungsschicht ermöglicht, die Membran auszubilden. Sie kann zum Beispiel stattfinden, indem man eine Opfer-Zwischenschicht lokal eliminiert. Dieser Aspekt wird weiter unten detaillierter beschrieben.
Das Substrat, oder genauer der massive Teil des Substrats (Substratträger genannt), kann eventuell als fester Belag benutzt werden, wenn er nicht isolierend ist.
Alternativ kann man in Schritt a) ein Substrat verwenden, das außerdem unter der ersten Belagschicht eine zweite, vergrabene Belagschicht umfasst, die elektrisch isoliert ist von der ersten Belagschicht. In diesem Fall kann man wenigstens einen Teil dieser dem beweglichen Belag gegenüberstehenden Schicht stehenlassen, um einen festen Belag zu bilden.
Wieder eine andere Möglichkeit besteht darin, in dem massiven Teil des Substrats (Substratträger) durch Ionenimplantation eine leitende Zone auszubilden, die einen festen Belag bildet.
Die selektive Eliminierung eines Opferteils der vergrabenen Schicht kann stattfinden, indem man eine oder vorzugsweise mehrere Zugangsöffnungen zu dieser Schicht realisiert, so dass man sie Ätzmitteln aussetzen kann. Diese Operation kann sehr erleichtert werden, wenn man sogar schon vor dem Schritt b) eine oder mehrere Ätzöffnungen in der ersten Belagschicht vorsieht.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, nur erläuternden und keinesfalls einschränkenden Beschreibung hervor, die sich auf die Figuren der beigefügten Zeichnungen bezieht.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die 1 ist ein schematischer und vereinfachter Schnitt einer erfindungskonformen Vorrichtung mit variabler Kapazität.
Die 2 ist eine ebenfalls vereinfachte Draufsicht einer anderen erfindungskonformen Vorrichtung mit variabler Kapazität.
Die 3 bis 9 sind vereinfachte schematische Schnitte eines Substrats, die aufeinanderfolgende Herstellungsschritte einer Vorrichtung mit variabler Kapazität gemäß dem Verfahren der Erfindung zeigen.
Die 10 und 11 sind schematische Schritte von Substraten, unterschiedlich zu dem der 3 und ebenfalls zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbar.
Die 12 und 13 sind vereinfachte schematische Schnitte eines Substrats, welche die Herstellungsschritte einer Vorrichtung mit variabler Kapazität nach dem erfindungsgemäßen Verfahren veranschaulichen und eine Variante darstellen in Bezug auf die Schritte der 7 bis 9.
Die 14 ist ein vereinfachter und schematischer Schnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit variabler Kapazität, hergestellt nach dem durch die 12 und 13 veranschaulichten Verfahren.
Detaillierte Beschreibung von Realisierungsarten der Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung tragen identische, ähnliche oder äquivalente Teil der verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen, um den Bezug zwischen den Figuren zu erleichtern. Außerdem, um die Figuren anschaulicher zu machen, sind nicht alle Elemente in einem einheitlichen Maßstab dargestellt.
Die 1 zeigt eine erfindungskonforme Vorrichtung mit variabler Kapazität.
Diese umfasst eine Membran 12 aus einem elektrisch leitfähigen Material. Diese wird durch eine Trennschicht 22 aus einem dielektrischen Material gehalten und von einem Substrat bzw. Substratträger 20, dem sie gegenübersteht, getrennt. Der Substratträger 20 ist ebenfalls aus einem elektrisch leitfähigen Material. Er bildet mit der Membran die Beläge eines Kondensators mit variabler Kapazität. Die Kapazität kann verändert werden, indem man auf die Membran einen Druck ausübt, unter dessen Wirkung sie sich leicht verformt und sich dabei dem Substratträger nähert oder sich von ihm entfernt.
Die Membran umfasst auf ihrer vom Substratträger abgewandten Seite eine Vielzahl von Lamellen, die ebenso viele Versteifungsrippen 32 bilden. Die Lamellen können auf der Membran angebracht oder aus einem Stück mit ihr sein.
Die Lamellen 32 ermöglichen, die Steifigkeit der Membran zu erhöhen und folglich ihre Dicke auf sehr niedrige Werte zu reduzieren. Die Dicke der Membran kann kleiner sein als diejenige, die notwendig wäre, wenn die Membran keine Rippen aufweisen würde, also selbsttragend wäre.
Die 2 ist eine Draufsicht einer anderen erfindungsgemäßen Vorrichtung mit variabler Kapazität. In dieser Figur bildet die Membran 12 auch einen beweglichen Belag eines Kondensators. Die Beweglichkeit des Belags resultiert nicht aus der Flexibilität der Membran, sondern aus derjenigen der Träger 13, mittels denen die Membran an dem Substratträger 20 aufgehängt ist.
Die Membran 12 umfasst eine kreuzförmige Rippe 32, die sich gemäß den Diagonalen von einer ihrer Hauptseiten erstreckt. Die entgegengesetzte Hauptseite ist einem nicht sichtbaren Teil des Substrats zugewandt, der den festen Belag bildet.
Die 3 zeigt ein zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbares Substrat. Das Substrat 20 umfasst eine massiven Teil 22 aus Silicium und eine dünne Oberflächenschicht 10 aus vorzugsweise monokristallinem Silicium.
Die dünne Schicht 10 ist mit dem massiven Teil 22 mittels einer isolierenden vergrabenen Schicht 24 verbunden. Es handelt sich in dem dargestellten Beispiel um eine Siliciumoxidschicht.
Ein wie in der 3 dargestelltes Substrat ist als solches bekannt. Es handelt sich zum Beispiel um eine Substrat des Typs SOI (Silicon On Insulator). Solche Substrate werden üblicherweise durch das Übertragen einer dünnen Siliciumschicht auf ein vorher oxidiertes Siliciumplättchen.
Zu präzisieren ist, dass ein anderes Substrat, das eine leitfähige Oberflächenschicht aufweist oder mit einem leitenden Film überzogen und von dem massiven Teil isoliert ist, auch verwendet werden kann. Man kann zum Beispiel als dünne Schicht eine Kupfer- oder Aluminiumschicht vorsehen und zur Bildung der vergrabenen Schicht dielektrische Schichten aus Polymer oder Glas (PSG). Der massive Teil des Substrats kann je nach Realisierung halbleitend, isolierend oder sogar leitfähig sein.
Die 4 zeigt die Realisierung von Öffnungen 11 in der dünnen Oberflächenschicht 10. Die Öffnungen sind in einem zentralen Teil der dünnen Oberflächenschicht angebracht, in dem später eine Membran der Vorrichtung ausgebildet wird. Der zentrale Teil ist von einem Bereich ohne Öffnungen in der dünnen Oberflächenschicht umgeben.
Die Öffnungen 11 können durch selektive Ätzung des Siliciums gemäß einer Maske mit Stopp auf dem darunterliegenden Siliciumoxid realisiert werden. Die Maske ist nicht dargestellt.
Die 5 zeigt die Abscheidung einer neuen Zwischenschicht 13 aus Siliciumoxid, welche die dünne Oberflächenschicht 10 bedeckt und die vorher angebrachten Öffnungen 11 verschließt. Die Zwischenschicht 13 kann durch eine andere Schicht ersetzt werden, die aus einem isolierenden Material ist und selektiv geätzt werden kann in Bezug auf das Material der dünnen Oberflächenschicht.
Die 6 zeigt die Realisierung einer Befestigungsöffnung 15 in der Zwischenschicht 13, die eine Zone der dünnen Oberflächenschicht 10 bloßlegt. Man trägt hier Sorge, dass die Befestigungsöffnung nicht zusammenfällt mit einer vorher in der darunterliegenden Oberflächenschicht angebrachten Öffnung. Die Befestigungsöffnung 15 dient dem Zweck, auf der Membran eine Versteifungsrippe zu befestigen. Es können auch mehrere Befestigungsöffnungen vorgesehen werden. Sie werden im Wesentliche in einem zentralen Teil angebracht, wo später eine Membran befreit oder frei gemacht werden soll.
Die 7 zeigt die Abscheidung einer dicken Schicht aus polykristallinem Silicium 30. Die Dicke dieser Schicht kann größer als die der Schicht 10 gewählt werden; sie legt die Dicke einer später ausgebildeten Rippe fest. Die dicke Schicht 30, auch als "Versteifungsschicht" bezeichnet, bedeckt die Zwischenschicht 13 und fixiert sich in der Befestigungsöffnung 15 auf der dünnen Oberflächenschicht 10.
Die 8 zeigt das Ergebnis einer selektiven Ätzung der Versteifungsschicht 30 in Form einer Rippe 32. Diese Rippe ist fest mit der dünnen Oberflächenschicht 10 verbunden, durch die Befestigungsöffnung hindurch, und kann sich teilweise auf der Zwischenschicht 13 ausdehnen. Die Ätzung der dicken Schicht 30, selektiv in Bezug auf das Siliciumoxid, bedient sich einer nicht dargestellten Ätzmaske. Diese legt die Dimensionen und den Ort der Rippe 32 fest.
Eine letzte isotrope und selektive Ätzung des Siliciumoxids in Bezug auf das Silicium der dünnen Oberflächenschicht 10 und der Rippe 32 ermöglicht, die Zwischenschicht 13 zu eliminieren. Dieselbe Ätzung ermöglicht auch, die darunterliegende vergrabene Schicht 22 anzugreifen. Diese Ätzung ist möglich dank der Öffnungen 11, die vorher in der dünnen Oberflächenschicht realisiert wurden. Der isotrope Charakter der Ätzung ermöglicht, das Siliciumoxid auch in Bereichen zu beseitigen, die die Öffnungen 11 umgeben, bis ein Teil der dünnen Oberflächenschicht 10 frei gemacht ist, um eine Membran 12 zu bilden.
Die Membran 12, frei gemacht durch die partielle Eliminierung der darunterliegenden Oxidschicht, kann verformt werden und bildet einen beweglichen Belag. Der massive Teil des Halbleitersubstrats 22 bildet der Membran gegenüber einen festen Belag.
In dem die Membran umgebenden Randbereich beschützt die Membran lokal die darunterliegende Oxidschicht während der Ätzung, da die dünne Oberflächenschicht hier keine Öffnungen aufweist. Der Rest der isolierenden Oxidschicht 24 ermöglicht, die Membran aufzuhängen und ihr und mit dem massiven Teil des Substrats zu verbinden. Die durch den Rest der Oxidschicht 24 gebildete Verbindung ist eine mechanische Verbindung und keine elektrische Verbindung. Es sei präzisiert, dass die Öffnungen 11 in der dünnen Oberflächenschicht 10 eventuell durch eine andere Art von Zugangsleitung ersetzt werden könnten, um eine Befreiungsätzung der Membran zu ermöglichen.
Die vorangehende Beschreibung veranschaulicht eine sehr rudimentäre Anwendungsmöglichkeit der Erfindung, bei der das Substrat, oder noch genauer sein massiver Teil (Substratträger) 22, als Ganzes einen Belag des Kondensators mit variabler Kapazität bildet.
Eine solche Realisierung der Vorrichtung birgt das Risiko eventueller elektrischer Isolationsschwierigkeiten, wenn andere Komponenten in demselben Substrat ausgebildet werden müssen. Eine Möglichkeit, dass das Substrat seine Funktion als exklusiv mechanischer Träger erfüllt, besteht darin, aus ihm einen festen elektrisch isolierten Belag zu realisieren.
Die 10 zeigt ein zu diesem Zweck verwendbares Substrat. Das Substrat der 10 umfasst einen massiven Teil (Substratträger) 22, eine erste vergrabene Oxidschicht 24 und eine dünne Oberflächenschicht aus Silicium 10. Diese Teile entsprechen denen der 3. Das Substrat der 10 umfasst außerdem eine zweite Siliciumoxidschicht 26 und eine dünne vergrabene Siliciumschicht 28, in dieser Reihenfolge zwischen dem massiven Teil und der ersten vergrabenen Schicht 24 angeordnet. Die zweite Siliciumoxidschicht 26 isoliert die dünne vergrabene Schicht von dem massiven Teil des Substrats. Ein solches Substrat kann man leicht mit einem SOI-Substrat realisieren, indem man diesem eine Oxidschicht und dann eine dünne Siliciumschicht hinzufügt. Die zweite dünne Siliciumschicht kann zum Beispiel dorthin übertragen werden.
Eine Vorrichtung mit variabler Kapazität kann mit diesem Substrat gemäß dem oben beschriebenen Verfahren realisiert werden. Die vergrabene Siliciumschicht (28) spielt dann bei der Ätzung des Siliciumoxids der ersten vergrabenen Oxidschicht bei der Befreiung der Membran die Rolle der Ätzsperrschicht. Bei der endgültig erhaltenen Vorrichtung spielt die vergrabene Siliciumschicht 28 dann die Rolle des festen Belags.
Die 11 zeigt noch einen anderen Substrattyp. Es handelt sich um ein der 3 entsprechendes Substrat mit einer dünnen Oberflächenschicht 10 aus monokristallinem oder polykristallinem Silicium, zum Beispiel des Typs SOI.
In dem massiven Teil des Substrats ist eine dotierte Zone 29 ausgebildet, unter der vergrabenen Schicht. Die benutzten Dotierungsverunreinigungen sind von einem Leitfähigkeitstyp, der dem des massiven Teils entgegengesetzt ist. Die Vorrichtung mit variabler Kapazität wird anschließend realisiert wie oben beschrieben.
Die dotierte Zone 29 wird als fester Belag benutzt und bildet mit dem Rest des massiven Teil eine Diode. Sie wird in einer Sperr-Richtung gepolt, um jedem Stromverlust entgegenzuwirken.
Die 12 zeigt einen Schritt einer Variante des Verfahrens, der nach dem mit Bezug auf die 7 beschriebenen Schritt stattfindet.
Die dicke Siliciumschicht 30 wird entsprechend einer Maske geätzt, um Gräben 33 zu realisieren. Die Gräben 33 durchqueren die dicke Siliciumschicht und begrenzen die Versteifungsrippe(n) 32. Der restliche Teil der dicken Schicht 30 wird jedoch stehengelassen.
Die 13 zeigt die Struktur nach einer Ausätzung des Siliciumoxids der vergrabenen Oxidschicht 24 und der Zwischenschicht 13 durch die Gräben 33 hindurch. Diese in Bezug auf das Silicium selektive Ätzung ermöglicht, die Membran 12 sowohl von dem massiven Teil 22 des Substrats 20 als auch von der dicken Siliciumschicht 30 frei zu machen. Die anisotrope Ätzung ermöglicht nämlich auch die lokale Eliminierung der Zwischenschicht 13 in dem Bereich der Membran. Der Rest der Zwischenschicht 13 ermöglicht, die Membran auf Distanz von der dicken Versteifungsschicht 30 zu halten und von ihr elektrisch zu isolieren.
Man erhält eine doppelte variable Kapazität. Eine erste variable Kapazität bilden der massive Teil 22 des Substrats und die Membran, und die zweite variable Kapazität bilden die Membran und der restliche Teil der Versteifungsschicht 30. Diese Letztere, wenn sie ausreichend dick ist, bildet nämlich einen festen Belag. Eine Bewegung der Membran bewirkt eine Modifizierung dieser beiden Kapazitäten in umgekehrter Richtung.
Zur Herstellung von Steuereinrichtungen der variablen Kapazität ist es möglich, einen der festen Beläge zu benutzen und dort eine elektrostatische Verschiebungs- oder Ablenkungsspannung der Membran anzulegen. Dies veranschaulicht die Darstellung eines zwischen der Membran und dem restlichen Teil der dicken Schicht geschalteter Spannungsgenerators. Der restliche Teil der dicken Schicht bildet dann eine Steuerelektrode und der massive Teil des Substrats eine Signalelektrode.
Die 14 zeigt eine zu der Vorrichtung der 13 konforme Vorrichtung, erhalten mit einem zu dem Substrat der 11 konformen Substrat. Sie umfasst eine Elektrode 29, integriert in das Substrat und dort einen festen Belag bildend. Eine Implantationsmaske ermöglicht, die Elektrode 29 in einem Bereich der Membran zu implantieren, der dem durch den restlichen Teil der Versteifungsschicht 30 gebildeten anderen festen Belag nicht gegenübersteht. Eine mit der 14 konforme Vorrichtung ermöglicht, eventuelle Einflüsse zwischen dem durch die Elektrode 29 gebildeten festen Belag und dem durch den restlichen Teil der Versteifungsschicht 30 gebildeten Belag zu reduzieren.
Die obige Beschreibung ist auf die Darstellung einfacher Realisierungsbeispiele beschränkt, jedoch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit verschiedenen Belagformen realisiert werden. Zudem kann das erfindungsgemäße Verfahren zur kollektiven Herstellung einer großen Anzahl gleicher oder nicht gleicher Vorrichtungen mit variabler Kapazität auf einem einzigen Substrat angewendet werden.
GENANNTE DOKUMENTE

(1) TOPICAL REVIEW – "RF MENS from a device perspective von J. JASON Yao J. Micromech. Microeng. 10(2000) R9–R38
(2) US-A-4 653 326
(3) US-A-5 495 761
(4) US-A-5 576 250

Claims

Integriertes Bauelement von variabler Kapazität mit mindestens einer einen beweglichen Belag bildenden Membran (12) und wenigstens einer mindestens einem festen Belag (22, 30) gegenüberstehenden Hauptseite dadurch gekennzeichnet, dass die Membran fest verbunden ist mit mindestens einer Versteifungsrippe (32), die in einer zu der genannten Hauptseite senkrechten Richtung emporragt.
Bauelement nach Anspruch 1 mit einem Membranträgersubstrat (22), wobei das Substrat wenigstens einen festen Belag bildet.
Bauelement nach Anspruch 2, bei dem das Substrat eine einen elektrisch leitfähigen festen Belag bildende Schicht (28, 29) aufweist.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem das Substrat einen ersten Teil (22, 29) umfasst, der einer ersten Hauptseite der Membran (12) gegenüberstehend angeordnet ist, und einen zweiten Teil (30), der fest mit dem ersten Teil verbunden ist und einer zweiten Hauptseite der Membran gegenüberstehend angeordnet ist, wobei wenigstens einer der beiden Teile, entweder der erste oder der zweite, einen festen Belag bildet.
Bauelement nach Anspruch 4, bei dem der zweite Teil (30) eine starre elektrisch leitfähige Schicht ist.
Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Bauelements von variabler Kapazität wie folgt: a) man realisiert ein Substrat (20) mit mindestens einer dünnen ersten Belagschicht (10), verbunden mit einem massiven Teil (22) durch eine vergrabene Schicht (24), b) man bildet auf der dünnen ersten Belagschicht eine Ätzsperrschicht (13), wobei die Ätzsperrschicht (13) mindestens eine Befestigungsöffnung (15) aufweist, die in dem Teil der dünnen Belagschicht (10) mündet, der dazu bestimmt ist, einen beweglichen Belag zu bilden, c) man erzeugt wenigstens eine die Ätzsperrschicht bedeckende Versteifungsschicht (30), wobei man in der Befestigungsöffnung (15) einen Kontakt bzw. eine Bindung mit der dünnen ersten Schicht (10) herstellt, d) man praktiziert eine selektive Ätzung der steifen Schicht (30) und realisiert dabei mindestens eine Versteifungsrippe (32), die sich über der Befestigungsöffnung und in dem Teil der dünnen Belagschicht ausdehnt, der dazu bestimmt ist, einen beweglichen Belag zu bilden, e) man befreit den genannten Teil durch lokale Eliminierung der Ätzsperrschicht (13) und der vergrabenen Schicht (24), um den Belag (12) beweglich zu machen.
Verfahren nach Anspruch 6, in dem man eine Ätzsperrschicht (13) aus einem elektrisch isolierenden Material und eine Versteifungsschicht (30) aus einem elektrisch leitfähigen Material benutzt und während des Schritts d) einen Teil der Versteifungsschicht (30) bestehen lässt, der sich über der dünnen Belagschicht (10) erstreckt, die dazu bestimmt ist, einen beweglichen Belag zu bilden, und man die genannten Teile der Versteifungsschicht und der dünnen Belagschicht wechselseitig frei macht.
Verfahren nach Anspruch 6, in dem man ein Substrat realisiert, das außerdem unter der ersten Belagschicht (10) eine vergrabene, von der ersten Belagschicht elektrisch isolierte zweite Belagschicht (28) umfasst, und man wenigstens einen dem beweglichen Belag (12) gegenüberstehenden Teil dieser Schicht bestehen lässt, um einen festen Belag zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 6, in dem man in dem massiven Teil (22) des Substrats durch Ionenimplantation eine leitfähige Zone (29) realisiert, die einen festen Belag bildet.
Verfahren nach Anspruch 6, in dem man vor dem Schritt b) in der dünnen ersten Schicht mindestens eine Ätzöffnung (11) schafft, zur späteren selektiven Eliminierung der darunterliegenden vergrabenen Schicht.