EP1899260A1 - Verfahren zur herstellung eines mikromechanischen bauelements sowie mikromechanisches bauelement - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines mikromechanischen bauelements sowie mikromechanisches bauelement

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EP1899260A1
EP1899260A1 EP06754905A EP06754905A EP1899260A1 EP 1899260 A1 EP1899260 A1 EP 1899260A1 EP 06754905 A EP06754905 A EP 06754905A EP 06754905 A EP06754905 A EP 06754905A EP 1899260 A1 EP1899260 A1 EP 1899260A1
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EP
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layer
substrate
doping
angle
micromechanical component
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EP06754905A
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Hans Artmann
Arnim Hoechst
Andrea Urban
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00436—Shaping materials, i.e. techniques for structuring the substrate or the layers on the substrate
    • B81C1/00555—Achieving a desired geometry, i.e. controlling etch rates, anisotropy or selectivity
    • B81C1/00595—Control etch selectivity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/03—Static structures
    • B81B2203/0315—Cavities
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24479—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including variation in thickness
    • Y10T428/24562—Interlaminar spaces

Definitions

  • the invention describes a method for producing a micromechanical component which has a cavity in a substrate and a micromechanical component produced by this method.
  • the present invention describes a micromechanical method for producing a cavity in a substrate or a micromechanical component produced by this method.
  • a first layer is applied or deposited on a substrate in a first step. This can be done by one Deposition process done with in-situ doping. Alternatively, the layer may be created by implantation or doping of the substrate directly in the substrate surface. The doping can take place or be limited over the entire membrane region, so that the regions in which the etching front is to be found after the etching process have a doping which deviates from the substrate. In general, the doping in the first layer can be homogeneous or gradual. Subsequently, at least one second layer is applied to the first layer. An access hole is created in this second layer.
  • material of the first layer and of the substrate can be dissolved out, so that a cavity is produced below at least part of the second layer in the substrate.
  • This second layer above the cavern can be used below as a membrane.
  • the essence of the invention consists in the fact that the material of the first layer is chosen such that the dissolution of the material of the first layer creates a transitional edge in the first layer which has a predeterminable angle between the substrate and the second layer.
  • the advantage of a predeterminable angle of the transition edge is that a non-perpendicular angle between the substrate material and the second layer or membrane can be produced. Due to the non-perpendicular angle, the Schichtschreibseinkopplung can be changed and minimized in the membrane.
  • the angle of the transition edge is predetermined by the doping of the material of the first layer.
  • the material of the first layer has a higher or lower doping level and / or a different doping type and / or a gradient compared to the material of the substrate.
  • the material is dissolved out by a gas phase etching.
  • a gas phase etching with ClF 3 or other halogen compounds such as XeF 2 , BrF 3 is provided.
  • a development of the invention generally uses an isotropic etching process for dissolving out the material.
  • a semiconductor material in particular silicon, is provided as material for the substrate and for the first layer.
  • a membrane layer can be understood.
  • one or more functional layers are applied to the first layer. Typical functional layers are, for example
  • Conductor tracks, layers with piezoresistive resistors, evaluation circuits and / or other electrical and / or mechanical layers which are customary in microsystem technology.
  • an insulating layer is applied to the first layer.
  • a plurality of said layers are deposited successively on the substrate or the first layer.
  • FIG. 1 to 3 show schematically the erfmdungswashe manufacturing method.
  • FIG. 4 shows an alternative generation of two layers which react differently to an etching process.
  • a silicon wafer 100 is used as the substrate for producing a micromechanical component.
  • a silicon layer 110 is epitaxially grown epi with a conventional micromechanical process, see FIG. 1.
  • the material in the first layer 110 is covered by a silicon layer 110 - A -
  • Substrate 100 to provide different doping can be provided, for example, that the material of the first layer 110 can be provided with a higher doping, but also with a lower doping depending on the etching process used.
  • a typical thickness of the first layer 110 is provided at 1 .mu.m to 10 .mu.m, although other layer thicknesses may well be used.
  • a second layer 120 is applied to the first layer 110.
  • This second layer 120 is then patterned so that at least access through the second layer 120 to the first layer 110 is possible through an access hole 130.
  • the membrane layer can be produced above the cavern 140 still to be produced.
  • the second layer 120 is generally intended to stand for various layers that are mounted above the cavern 140.
  • functional layers are conceivable, such as, for example, membrane layers, interconnects, evaluation circuits, piezoresistive resistors or other electrical and / or mechanical usable layers that can be produced using micromechanical production methods.
  • an insulating layer to be applied first to the first layer 110, on which all further layers and functions necessary for the micromechanical component are deposited in the further manufacturing process.
  • the access holes 130 are used both for dissolving out the material from the first layer 110 and the material of the substrate 100.
  • a plurality of access holes 130 are arranged side by side.
  • the distance between the access holes 130 to each other can be matched to the etching medium (gaseous or liquid), which is used to dissolve out the material.
  • the material is removed from the substrate 100 and the first layer 110 through the access openings 130 by means of a gas-phase etching process.
  • a gas phase etching process ClF 3 has proven itself. In general, however, any etching gases are suitable that used
  • etch edge 150 is formed.
  • this angle 160 of the etching flank or the transition flank 150 can be predetermined.
  • an area 112 in the substrate 100 is initially produced by means of an implantation or a doping process.
  • This region 112 can be present in the substrate 100 more or less extensively.
  • the area 112, however, is characterized in that it forms part of the upper border of the later cavern 140 and has the transition edge 150 after the etching process.
  • the region 112 encloses the entire edge of the cavern 140, wherein it may also be provided that the region 112 consists of individual, non-interconnected partial regions.
  • the region 112 includes the subsequently created access holes through which the material of the substrate 100 is released.

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein mikromechanisches Verfahren zur Herstellung einer Kaverne in einem Substrat beziehungsweise ein mit diesem Verfahren hergestelltes mikromechanisches Bauelement beschrieben. In diesem Verfahren wird in einem ersten Schritt eine erste Schicht auf oder in einem Substrat erzeugt. Anschließend wird auf die erste Schicht wenigstens eine zweite Schicht aufgebracht. In diese zweite Schicht wird ein Zugangsloch erzeugt. Durch dieses Zugangsloch kann Material der ersten Schicht und des Substrats herausgelöst werden, so dass eine Kaverne unterhalb wenigstens eines Teils der zweiten Schicht im Substrat erzeugt wird. Diese zweite Schicht oberhalb der Kaverne kann im folgenden als Membran verwendet werden. Darüber hinaus besteht jedoch auch die Möglichkeit, weitere Schichten auf die zweite Schicht abzuscheiden, die erst als ganzes die Membran bilden. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass das Material der ersten Schicht derart gewählt wird, dass durch das Herauslösen des Materials der ersten Schicht eine Übergangskante in der ersten Schicht erzeugt wird, die einen vorgebbaren Winkel zwischen dem Substrat und der zweiten Schicht aufweist.

Description

Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements sowie mikromechanisches Bauelement
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements, das eine Kaverne in einem Substrat aufweist sowie ein mit diesem Verfahren hergestelltes mikromechanisches Bauelement.
Stand der Technik
In der Mikrosystemtechnik sind unterschiedliche Membransensoren bekannt. Dabei wird in einer bevorzugten Herstellung eines derartigen Membransensors zunächst eine Membranschicht auf ein Substrat aufgebracht, bevor aus dem Substrat Material herausgelöst wird, um eine Kaverne unterhalb der Membran zu erzeugen. Typischerweise werden dabei Prozesse der Oberflächenmikromechanik (OMM) verwendet. So ist beispielsweise bekannt, mit einem (isotrop) ätzenden Gas das Substratmaterial unterhalb des Membranbereichs zu herauszuätzen. Bedingt durch den isotropen Ätzprozess ergibt sich dabei ein senkrechter Winkel zwischen Substratmaterial und Membran.
Vorteile der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein mikromechanisches Verfahren zur Herstellung einer Kaverne in einem Substrat beziehungsweise ein mit diesem Verfahren hergestelltes mikromechanisches Bauelement beschrieben. In diesem Verfahren wird in einem ersten Schritt eine erste Schicht auf ein Substrat aufgebracht bzw. abgeschieden. Dies kann durch ein Abscheidungsprozess mit in-situ Dotierung geschehen. Alternativ kann die Schicht durch eine Implantation oder ein Dotierung des Substrats direkt in der Substratoberfläche erzeugt werden. Die Dotierung kann über den gesamten Membranbereich erfolgen oder begrenzt sein, so dass die Bereiche, in denen die Ätzfront nach dem Ätzprozess zu finden ist, eine vom Substrat abweichende Dotierung aufweisen. Generell kann die Dotierung in der ersten Schicht homogen oder graduell erfolgen. Anschließend wird auf die erste Schicht wenigstens eine zweite Schicht aufgebracht. In diese zweite Schicht wird ein Zugangsloch erzeugt. Durch dieses Zugangsloch kann Material der ersten Schicht und des Substrats herausgelöst werden, so dass eine Kaverne unterhalb wenigstens eines Teils der zweiten Schicht im Substrat erzeugt wird. Diese zweite Schicht oberhalb der Kaverne kann im folgenden als Membran verwendet werden. Darüber hinaus besteht jedoch auch die Möglichkeit, weitere Schichten auf die zweite Schicht abzuscheiden, die erst als ganzes die Membran bilden. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass das Material der ersten Schicht derart gewählt wird, dass durch das Herauslösen des Materials der ersten Schicht eine Übergangskante in der ersten Schicht erzeugt wird, die einen vorgebbaren Winkel zwischen dem Substrat und der zweiten Schicht aufweist.
Der Vorteil eines vorgebbaren Winkels der Übergangskante besteht darin, dass ein nicht senkrechter Winkel zwischen Substratmaterial und zweiter Schicht bzw. Membran erzeugt werden kann. Durch den nicht senkrechten Winkel kann die Schichtspannungseinkopplung in die Membran verändert und minimiert werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Winkel der Übergangskante durch die Dotierung des Materials der ersten Schicht vorgegeben wird. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Material der ersten Schicht im Vergleich zum Material des Substrats einen höheren oder niedrigeren Dotierungsgrad und/oder einen anderen Dotierungstyp und/oder einen Gradienten aufweist.
Insgesamt kann mit dem erfmdungsgemäßen Verfahren ein Membransensor in Oberflächenmikromechanik hergestellt werden, wobei ein isotroper Ätzprozess verwendet wird, der durch die Wahl der Materialien des Substrats und der ersten Schicht den Winkel der Übergangsflanke (=Ätzflanke) zwischen Substrat und zweiter Schicht bzw. Membran vorgibt.
Vorteilhafterweise wird das Material durch eine Gasphasenätzung herausgelöst. Dabei ist insbesondere eine Gasphasenätzung mit ClF3 oder anderen Halogen Verbindungen wie z.B. XeF2, BrF3 vorgesehen. Eine Weiterbildung der Erfindung benutzt allgemein einen isotropen Ätzprozess zur Herauslösung des Materials.
Vorteilhafterweise wird als Material für das Substrat und für die erste Schicht ein Halbleitermaterial insbesondere Silizium vorgesehen.
Auf die erste Schicht können vorteilhafterweise unterschiedliche Schichten aufgebracht werden. So kann unter der zweiten Schicht in einem besonderen Ausführungsbeispiel eine Membranschicht verstanden werden. Weiterhin ist denkbar, dass auf die erste Schicht eine oder mehrere Funktionsschichten aufgebracht werden. Typische Funktionsschichten sind beispielsweise
Leiterbahnen, Schichten mit piezorezistiven Widerständen, Auswerteschaltungen und/oder andere in der Mikrosystemtechnik übliche elektrische und/oder mechanisch wirkende Schichten. Darüber hinaus kann jedoch auch vorgesehen sein, dass auf die erste Schicht eine Isolationsschicht aufgebracht wird. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass mehrere der genannten Schichten aufeinander folgend auf das Substrat beziehungsweise die erste Schicht abgeschieden werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen beziehungsweise aus den abhängigen Patentansprüchen.
Zeichnungen
Die Figuren 1 bis 3 zeigen schematisch das erfmdungsgemäße Herstellungsverfahren. In der Figur 4 ist eine alternative Erzeugung zweier Schichten gezeigt, die unterschiedlich auf einen Ätzvorgang reagieren.
Ausführungsbeispiel
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements ein Siliziumwafer 100 als Substrat verwendet. Auf diesem Siliziumwafer 100 wird mit einem gängigen mikromechanischen Verfahren eine Siliziumschicht 110 epi taktisch aufgewachsen siehe Figur 1. Um unterschiedliche Ätzraten in dem Substrat 100 und der ersten Schicht 110 zu erreichen, ist vorgesehen, das Material in der ersten Schicht 110 mit einer vom - A -
Substrat 100 abweichenden Dotierung zu versehen. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Material der ersten Schicht 110 mit einer höheren Dotierung, aber auch mit einer niedrigeren Dotierung je nach verwendetem Ätzprozess versehen werden kann. Eine typische Dicke der ersten Schicht 110 ist mit 1 μm bis 10 μm vorgesehen, wobei durchaus auch andere Schichtdicken Verwendung finden könnten.
Wie in Figur 2 dargestellt, wird auf die erste Schicht 110 eine zweite Schicht 120 aufgebracht. Diese zweite Schicht 120 wird anschließend strukturiert, so dass wenigstens durch ein Zugangsloch 130 ein Zugang durch die zweite Schicht 120 auf die erste Schicht 110 ermöglicht wird. Durch die zweite Schicht 120 kann beispielsweise die Membranschicht über der noch herzustellenden Kaverne 140 erzeugt werden. Darüber hinaus soll die zweite Schicht 120 ganz allgemein für verschiedene Schichten stehen, die oberhalb der Kaverne 140 angebracht sind. Denkbar sind hierbei Funktionsschichten, wie sie beispielsweise durch Membranschichten, Leiterbahnen, Auswerteschaltungen, piezorezistive Widerstände oder sonstige mit mikromechanischen Herstellungsverfahren erzeugbare elektrische und/oder mechanische verwendbare Schichten. Es ist jedoch auch möglich, dass auf die erste Schicht 110 zunächst eine Isolationsschicht aufgebracht wird, auf der im weiteren Herstellungsverfahren alle weiteren für das mikromechanische Bauelement notwendigen Schichten und Funktionen abgeschieden werden.
Die Zugangslöcher 130 dienen sowohl zum Herauslösen des Materials aus der ersten Schicht 110 als auch des Materials des Substrats 100. Für ausgedehnte Kavernen oder zur Beschleunigung des Ätzprozessesprozesses kann ebenfalls vorgesehen sein, dass mehrere Zugangslöcher 130 nebeneinander angeordnet sind. Der Abstand der Zugangslöcher 130 zueinander kann dabei auf das Ätzmedium (gasförmig oder flüssig), welches zur Herauslösung des Materials verwendet wird, abgestimmt sein.
Im nächsten Schritt zur Herstellung der Kaverne in dem Substrat wird gemäß Figur 3A das Material aus dem Substrat 100 und der ersten Schicht 110 durch die Zugangsöffnungen 130 mittels eines Gasphasenätzprozesses herausgelöst. Als bevorzugter Gasphasenätzprozess hat sich dabei ClF3 bewährt. Generell sind jedoch jegliche Ätzgase geeignet, die das verwendete
Halbleitermaterial, beziehungsweise das Silizium isotrop für verschiedene Dotierungen unterschiedlich schnell ätzen. Aufgrund der unterschiedlichen Ätzraten im Substrat 100 und dem epitaktisch aufgebrachten Material der ersten Schicht 110 entsteht eine Ätzflanke 150. In der Detailansicht der Figur 3B ist erkennbar, dass die unterschiedlichen Ätzraten des Substrats 100 und der ersten Schicht 110 in einer Übergangskante 150 (=Ätzflanke) resultieren, die einen Winkel 160 zur Senkrechten der aufgebrachten ersten Schicht 110 aufweist. Durch geeignete Wahl der Materialien, des Dotierungsgrads, des Dotierungstyps, des Dotierprofils bzw. des Gradienten, des Ätzgases und der Ätzbedingungen (z.B. Temperatur und Konzentration) kann dieser Winkel 160 der Ätzflanke beziehungsweise der Übergangsflanke 150 vorgegeben werden. Durch die Wahl des Winkels 160 der Übergangsflanke 150 kann die Schichtspannungseinkopplung in die zweite Schicht 120, bzw. in die Membran, verändert und minimiert werden. Somit ist eine stabilere Ausgestaltung eines mikromechanischen Bauelements mit einer Kaverne möglich.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, direkt in das Substrat die erste Schicht 112 einzubringen, wie es in Figur 4 dargestellt ist. Dabei wird mittels eines Implantations- oder eines Dotierungsverfahrens zunächst ein Bereich 112 in dem Substrat 100 erzeugt. Dieser Bereich 112 kann dabei mehr oder weniger ausgedehnt in dem Substrat 100 vorliegen. Der Bereich 112 zeichnet sich jedoch dadurch aus, dass er einen Teil der oberen Einfassung der späteren Kaverne 140 bildet und nach dem Ätzvorgang die Übergangskante 150 aufweist. Vorzugsweise schließt der Bereich 112 den gesamten Rand der Kaverne 140 ein, wobei auch vorgesehen sein kann, dass der Bereich 112 aus einzelnen, nicht miteinander verbundenen Teilbereichen besteht. Maßgeblich ist jedoch, dass der Bereich 112 die nachfolgend erzeugten Zugangslöcher einschließt, durch die das Material des Substrats 100 herausgelöst wird.

Claims

Ansprüche
1. Mikromechanisches Verfahren zur Herstellung einer Kaverne in einem Substrat mit den Schritten
- Erzeugen einer ersten Schicht (110, 112) auf oder in einem Substrat (100), und
- Aufbringen wenigstens einer zweiten Schicht (120) auf die erste Schicht (110, 112), und - Erzeugen eines Zugangslochs (130) in der zweiten Schicht (120) und
- Herauslösen von Material der ersten Schicht (110, 112) und des Substrats 100 durch das Zugangsloch (130) zur Erzeugung einer Kaverne (140), dadurch gekennzeichnet, dass durch das Herauslösen des Materials der ersten Schicht (110, 112) eine Übergangskante (150) mit vorgebbaren Winkel (160) zwischen der zweiten Schicht (120) und dem Substrat (100) gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel durch die Dotierung des Materials der ersten Schicht, insbesondere in Relation zur Substratorientierung, vorgegeben wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Winkel in Abhängigkeit vom
- Dotierungsgrad und/oder
- Dotierungstyp und/oder
- Dotierungsprofil bzw. Dotierungsgradienten vorgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (112) als dotierter Bereich im Substrat (100) ausgebildet ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Übergangskante (150) nach Herauslösen des Materials in der ersten Schicht gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Materials durch eine Gasphasenätzung herausgelöst wird, wobei insbesondere eine Gasphasenätzung mit ClF3 oder einer anderen Halogen Verbindung wie z.B. XeF2 oder BrF3 vorgesehen ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material durch einen isotropen Ätzprozess herausgelöst wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für das Substrat und für die erste Schicht ein Halbleitermaterial insbesondere Silizium vorgesehen ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite Schicht eine Membranschicht, eine Funktionsschicht, eine Leiterbahn, ein piezoresistiven Widerstand und/oder eine Isolationsschicht aufgebracht wird.
8. Mikromechanisches Bauelement mit
- einem Substrat (100), - eine ersten Schicht (110),
- einer zweiten Schicht (120) und
- einer Kaverne (140), die durch das Substrat (100), der ersten Schicht (110) und der zweiten Schicht (120) begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (110) eine Übergangskante (150) mit einem Winkel (160) zwischen der zweiten Schicht (120) und dem Substrat (100) bildet, wobei vorgesehen ist, dass der Winkel (160) vom Material der ersten Schicht (110) und des Substrats (100) abhängt.
9. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet, dass das Material der ersten Schicht und des Substrats einen unterschiedlichen Dotierungsgrad und/oder einen unterschiedlichen Dotierungstyp und/oder ein unterschiedliches Dotierungsprofil bzw. einen unterschiedlichen Dotierungsgradienten aufweist.
10. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für das Substrat und für die erste Schicht ein Halbleitermaterial insbesondere Silizium vorgesehen ist.
11. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht eine Membranschicht, eine Funktionsschicht, eine Leiterbahn, einen piezoresistiven Widerstand und/oder eine Isolationsschicht aufweist.
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