EP4554891A1 - Verfahren zur herstellung eines schichtaufbaus für eine mems-vorrichtung und mems-vorrichtung mit einem derartigen schichtaufbau - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines schichtaufbaus für eine mems-vorrichtung und mems-vorrichtung mit einem derartigen schichtaufbau

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EP4554891A1
EP4554891A1 EP23742038.5A EP23742038A EP4554891A1 EP 4554891 A1 EP4554891 A1 EP 4554891A1 EP 23742038 A EP23742038 A EP 23742038A EP 4554891 A1 EP4554891 A1 EP 4554891A1
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EP
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layer
functional layer
structured
areas
structured areas
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Withdrawn
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EP23742038.5A
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Frank Senger
Stephan Marauska
Ulrich Hofmann
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Oqmented GmbH
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Oqmented GmbH
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Publication date
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    • B81C2201/0163—Controlling internal stress of deposited layers
    • B81C2201/0169—Controlling internal stress of deposited layers by post-annealing

Definitions

  • the present disclosure relates to a method for producing a layer structure for a MEMS device, a layer structure produced by the method, and a MEMS device comprising the layer structure.
  • a generic method for producing a layer structure for a MEMS device and a generic MEMS device that includes the layer structure are known, for example, from US 2009/0185253 Al.
  • so-called high-rate etching is usually used when structuring a mechanically effective functional layer (often referred to as a device layer) of the layer structure of the MEMS (micro-electro-mechanical system). or reactive ion deep etching (Deep Reactive Ion Etching or DRIE for short) is used to form the deep trenches in the functional layer, in particular, for example, around the movable or vibrating bodies and the corresponding spring structure that the movable or vibrating body holds, to be formed or worked out in the functional layer.
  • DRIE reactive ion deep etching
  • the present disclosure relates to a method for producing a layer structure for a MEMS device, a layer structure produced by the method, and a MEMS device comprising the layer structure, in particular a vacuum-packed MEMS mirror device.
  • a method for producing a layer structure for a MEMS device and a layer structure that is produced by means of the method according to the independent claims as well as a MEMS device that includes the layer structure, in particular a vacuum-packed MEMS Mirror device proposed.
  • the dependent claims relate to some exemplary preferred embodiments.
  • a method for producing a layer structure for a MEMS device comprising: providing a layer structure that includes a substrate layer and/or a functional layer ; Application of a piezoelectric layer, for example on and/or above the functional layer, in particular on a side opposite the substrate layer the functional layer, ie particularly preferably on a side of the functional layer opposite the substrate layer; and/or structuring the piezoelectric layer, in particular for forming structured areas of the piezoelectric layer.
  • an electrode layer (bottom electrode layer) can also be provided between the functional layer and the piezoelectric layer, which can form a bottom electrode, for example made of metal (e.g. molybdenum), which electrically contacts the piezoelectric layer from below.
  • the method can also include applying an electrode layer to the functional layer before applying the piezoelectric layer, wherein the piezoelectric layer can be applied to the electrode layer.
  • the functional layer e.g. in doped regions
  • the functional layer can be at least partially electrically conductive, so that the functional layer can at least partially provide a bottom electrode for the piezoelectric layer.
  • the method may include structuring the functional layer, particularly preferably for forming structured areas and/or trenches (i.e., for example, trenches surrounding the structured areas) in the functional layer, in particular preferably, if appropriate, using high-rate etching or deep reactive ion etching Ion Etching or DRIE for short).
  • structuring the functional layer particularly preferably for forming structured areas and/or trenches (i.e., for example, trenches surrounding the structured areas) in the functional layer, in particular preferably, if appropriate, using high-rate etching or deep reactive ion etching Ion Etching or DRIE for short).
  • the method can preferably further comprise annealing of structured areas of the functional layer or of trenches in the structured areas (e.g. particularly preferably for at least partial smoothing of side walls of the trenches in the functional layer and/or for rounding off corners of the trenches in the functional layer), preferably at temperatures essentially greater than or equal to 700 ° C.
  • the annealing of structured areas of the functional layer can be carried out to at least partially smooth side walls of the trenches in the functional layer and/or to round off corners of the trenches in the functional layer.
  • the term smoothing of side walls of the trenches in the structured areas of the functional layer means in particular that the unevenness and/or surface effects or defects that occur on the side walls during the structuring of the Functional layer arise due to the process, are reduced, so that relative to the state of the side wall surfaces after structuring of the functional layer, seen after healing, there are smoother side wall surfaces, up to a possibly completely smooth and / or crystal defect-free side wall.
  • the side wall surfaces can preferably have a roughness essentially less than or equal to 50 nm, preferably in particular a roughness essentially less than or equal to 30 nm and particularly preferably in particular a roughness essentially less than or equal to 1Onm.
  • the annealing of structured areas of the functional layer can preferably be carried out at temperatures substantially greater than or equal to 800 ° C. In some preferred embodiments, the annealing of structured areas of the functional layer can be carried out at temperatures substantially less than or equal to 1400°C, particularly preferably at temperatures substantially less than or equal to 1350°C, particularly preferably at temperatures substantially less than or equal to 1250°C or substantially less than or equal to 1200°C.
  • the temperatures in the annealing step or preferably in the entire production process should not exceed 1400 ° C, particularly preferably 1350 ° C, since the melting point of silicon is approximately 1410 ° C, as the substrate layer and / or the functional layer typically May include silicon.
  • a high-temperature annealing step e.g. by hydrogen annealing and/or by sacrificial oxidation according to exemplary embodiments
  • a high-temperature annealing step makes it possible to successfully and advantageously at least partially smooth any structured or possibly deeply etched side walls of the structured functional layer in order to avoid any damage during the etching process (e.g. DRIE) to smooth out defects and roughness (e.g. superficial scallops, superficial nose structures, surface corrugations, side wall breakthroughs and atomic defects, etc.) on the surface of the side walls and/or to round off any right-angled corners created during etching.
  • DRIE etching process
  • defects and roughness e.g. superficial scallops, superficial nose structures, surface corrugations, side wall breakthroughs and atomic defects, etc.
  • this advantageously leads to a significantly increased stability or fracture stability of the movable elements of the layer structure and / or the MEMS device, which comprises such a layer structure, with higher breaking limits and in particular the spring structure formed from the functional layer with increased Break limits, which means that early breaks can be avoided overall.
  • the breaking limits of the movable or vibrating parts of the functional layer or in particular of the spring structure formed in the functional layer can be at least doubled, or even increased fivefold or tenfold.
  • the occurrence of fractures in the deflection structures or the spring structure can advantageously be significantly reduced and in particular larger deflection angles or deflection amplitudes can be made possible, at which breaks in the deflection structures or the spring structure would already occur in components manufactured according to the prior art.
  • the annealing of structured areas of the functional layer may preferably include hydrogen annealing, particularly preferably at temperatures of substantially greater than or equal to 900° C. and/or substantially less than or equal to 1350° C., particularly preferably at temperatures of im Substantially greater than or equal to 1000°C and/or substantially less than or equal to 1250°C (or, for example, substantially less than or equal to 1200°C).
  • the annealing of structured areas of the functional layer may preferably include oxidizing side walls of the trenches in the functional layer, preferably at temperatures substantially greater than or equal to 700° C., in particular at substantially greater than or equal to 800° C., and/or or at substantially less than or equal to 1250°C (or, for example, substantially less than or equal to 1200°C).
  • the annealing of structured areas of the functional layer can preferably further comprise removing an oxidation layer formed on side walls of the trenches in the functional layer, for example in particular removing an oxidation layer that is formed on side walls of the trenches in the functional layer, particularly preferably by etching ( e.g. etching back the sacrificial oxidation layer).
  • the method may preferably further comprise: applying an electrode layer, preferably after annealing of structured areas of the functional layer to form an electrode structure for the structured areas of the piezoelectric layer and / or to form a mirror and / or a mirror layer on one or more structured areas of the functional layer.
  • the electrode layer can serve as a top electrode of the piezoelectric layer.
  • the electrode layer can also be used as rewiring (routing) and/or as a bond pad (e.g. for electrical connection to a bottom electrode).
  • the high-temperature-stable electrode layer can serve as a top electrode of the piezoelectric layer.
  • the high-temperature-stable electrode layer can also be used as rewiring (routing) and/or as a bond pad (e.g. for electrical connection to a bottom electrode).
  • the material of the electrode layer or the high-temperature-stable electrode layer may comprise an electrically conductively doped silicon, in particular doped polycrystalline silicon.
  • the material of the electrode layer or high-temperature-stable electrode layer can be a high-temperature-stable metal, a high-temperature-stable metal alloy or metal compound, particularly preferably a high-melting metal, particularly preferably platinum, molybdenum (melting point at approximately 2623 ° C) and / or a high-temperature stable molybdenum alloy and / or molybdenum compound, tungsten (melting point at approximately 3422 ° C) and / or a high-temperature stable tungsten alloy and / or tungsten compound, in particular tungsten titanium and / or tungsten carbide.
  • a high-melting metal particularly preferably platinum, molybdenum (melting point at approximately 2623 ° C) and / or a high-temperature stable molybdenum alloy and / or molybdenum compound, tungsten (melting point at approximately 3422 ° C) and / or a high-temperature stable tungsten alloy and / or
  • the method may preferably further comprise: applying a further layer, preferably after annealing structured areas of the functional layer, to form a mirror and/or a mirror layer on one or more structured areas of the functional layer.
  • the method may preferably further comprise: applying a dielectric layer, in particular at least on the structured areas of the piezoelectric layer.
  • the dielectric layer can be applied after applying and/or structuring the piezoelectric layer.
  • the application of the dielectric layer can preferably take place before the annealing of structured areas of the functional layer.
  • the application of the dielectric layer can also take place after structured areas of the functional layer have healed.
  • the structured areas of the piezoelectric layer can preferably be encapsulated between the functional layer and the dielectric layer applied to the structured areas of the piezoelectric layer, particularly preferably if the application of the dielectric layer takes place before the annealing of structured areas of the functional layer .
  • a layer structure according to exemplary embodiments with structured areas of the piezoelectric layer encapsulated under a high-temperature stable layer requires the integration of one or more high-temperature annealing steps (such as hydrogen annealing of deeply etched surfaces ( e.g. at approx. 1000 ° C - 1250 ° C) and / or sacrificial oxidation, e.g. at approx.
  • 800 ° C - 1250 ° C, with etching back of the sacrificial oxide layer can be improved, in particular also with less high-temperature stable piezoelectric materials and in particular also with less chemically resistant piezoelectric materials that can be protected by encapsulating aggressive media, such as oxygen (e.g. in a sacrificial oxidation annealing step) and/or hydrogen (e.g. in a hydrogen annealing annealing step).
  • aggressive media such as oxygen (e.g. in a sacrificial oxidation annealing step) and/or hydrogen (e.g. in a hydrogen annealing annealing step).
  • the method can preferably further comprise: applying a dielectric layer at least on the structured areas of the piezoelectric layer, before annealing structured areas of the functional layer and particularly preferably before applying an electrode layer, preferably such that the structured areas of the piezoelectric Layer can be encapsulated between the functional layer and the dielectric layer applied to the structured areas of the piezoelectric layer.
  • the piezoelectric layer can also be protected by encapsulation under the electrode layer made of high-temperature-stable material or high-temperature-stable metal (see versions with exemplary high-temperature-stable electrode layer).
  • the structured areas of the piezoelectric layer can preferably be encapsulated between the functional layer and the high-temperature-stable electrode layer applied to the structured areas of the piezoelectric layer (optionally with an intermediate or partially intermediate dielectric layer), particularly preferably when the application of the high-temperature stable Electrode layer takes place before the healing of structured areas of the functional layer.
  • the method can preferably further comprise: applying and/or structuring the high-temperature-stable electrode layer, particularly preferably before the annealing of structured areas of the functional layer, preferably in such a way that the structured areas of the piezoelectric layer are between the functional layer and the applied high-temperature-stable electrode layer (optionally with an intermediate or partially intermediate dielectric layer) can be encapsulated.
  • the method may preferably further comprise: structuring and/or opening areas of the dielectric layer, preferably during or before structuring the functional layer, in particular preferably such that the structured areas of the piezoelectric layer are between the functional layer and the structured areas remain encapsulated in the dielectric layer applied to the piezoelectric layer.
  • the material of the piezoelectric layer can comprise a ferroelectric and/or piezoelectric material, particularly preferably aluminum nitride (AIN), aluminum scandium nitride (AlScN), lead zirconate titanate (PZT) and/or niobium doped PZT (PZT-Nb).
  • AIN aluminum nitride
  • AlScN aluminum scandium nitride
  • PZT lead zirconate titanate
  • PZT-Nb niobium doped PZT
  • the method may preferably further comprise: applying a dielectric layer at least to the structured areas of the piezoelectric layer after the annealing of structured areas of the functional layer. In some preferred embodiments, the method may preferably further comprise: patterning and/or opening regions of the dielectric layer.
  • the material of the piezoelectric layer can comprise a high-temperature stable ferroelectric and/or piezoelectric material, particularly preferably aluminum nitride (AIN) and/or aluminum scandium nitride (AlScN).
  • AIN aluminum nitride
  • AlScN aluminum scandium nitride
  • the structured areas of the functional layer may comprise one or more movable elements, which are preferably formed in the functional layer, and/or a spring structure, which is preferably formed in the functional layer, the spring structure particularly preferably comprising the one or more movable ones can hold elements.
  • the one or more movable elements of the structured areas of the functional layer can comprise a mirror support element, wherein the mirror can preferably be arranged on the mirror support element.
  • the spring structure of the structured areas of the functional layer can hold the mirror support element with mirror.
  • the spring structure in the functional layer can preferably be designed such that the mirror support element with mirror is held swingable about one or two axes, in particular oscillation and/or torsion axes, particularly preferably for a two-dimensional Lissajous scanning movement of the mirror support element with mirror.
  • the spring structure can comprise springs, particularly preferably bending and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis (e.g. torsional vibrations).
  • springs particularly preferably bending and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis (e.g. torsional vibrations).
  • patterning the functional layer may include high rate etching and/or deep reactive ion etching.
  • a layer structure produced by means of the method according to at least one of the above exemplary embodiments is further proposed.
  • the layer structure may comprise: a substrate layer, a structured functional layer, a structured piezoelectric layer preferably on a side of the functional layer that is opposite the substrate layer, i.e. in particular on a side of the functional layer opposite the substrate layer, and / or a dielectric layer preferably at least on the structured areas of the piezoelectric layer.
  • the structured areas of the piezoelectric layer can preferably be encapsulated between the functional layer and the dielectric layer, which is preferably applied to the structured areas of the piezoelectric layer.
  • an electrode layer can also be provided between the functional layer and the piezoelectric layer, which can form a bottom electrode, for example made of metal (e.g. molybdenum), which electrically contacts the piezoelectric layer from below.
  • metal e.g. molybdenum
  • trenches in the functional layer can preferably be healed in structured areas of the functional layer, in particular on side walls of the trenches, and in particular preferably have smoothed side walls and/or rounded corners.
  • trenches in the functional layer in structured areas of the functional layer may preferably have smoothed side walls and/or rounded corners and/or the side walls and/or structured areas of the functional layer may have rounded corners.
  • a surface roughness of side walls of the trenches in the functional layer in structured areas of the functional layer can be substantially less than or equal to 50 nm, in particular substantially less than or equal to 30 nm, particularly preferably less than or equal to 1Onm
  • a MEMS device in particular a MEMS mirror device or vacuum-packed MEMS mirror device, is further proposed, comprising a layer structure produced by the method according to at least one of the above exemplary embodiments.
  • FIG. 1 shows an exemplary flowchart of a method for producing a layer structure for a MEMS device according to a background example
  • Figs. 2A-2C show exemplary sectional views of the layer structure during the manufacturing process according to an exemplary manufacturing sequence based on the method according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows an exemplary flowchart of a method for producing a layer structure for a MEMS device according to exemplary embodiments of the present disclosure
  • Figs. 4A-4B show exemplary sectional views of the layer structure during the manufacturing process according to an exemplary manufacturing sequence based on the method according to FIG. 3,
  • FIG. 5 shows an exemplary sectional view of a MEMS device manufactured according to the exemplary manufacturing sequence of FIGS. 4A-4B,
  • Figs. 6A-6B show exemplary sectional views of the layer structure during the manufacturing process according to a further exemplary manufacturing sequence based on the method according to FIG. 3,
  • Fig. 7 shows an exemplary sectional view of one according to the exemplary manufacturing sequence of Figs. 6A-6B manufactured MEMS device
  • FIG. 8 shows an exemplary flowchart of a method for producing a layer structure for a MEMS device according to further exemplary embodiments of the present disclosure
  • Figs. 9A-9B show exemplary sectional views of the layer structure during the manufacturing process according to an exemplary manufacturing sequence based on the method according to FIG. 8, 10 shows an exemplary sectional view of one according to the exemplary manufacturing sequence of FIGS. 9A-9B manufactured MEMS device,
  • FIG. 11 shows an exemplary flowchart of a method for producing a layer structure for a MEMS device according to further exemplary embodiments of the present disclosure
  • Figs. 12A-12B show exemplary sectional views of the layer structure during the manufacturing process according to an exemplary manufacturing sequence based on the method according to FIG. 11, and
  • high-temperature stable materials or a material property “high-temperature stable”.
  • high-temperature stable material or a material property “high-temperature stable”.
  • the term “high-temperature stable” material or the material property “high-temperature stable” is intended to mean that such materials have temperatures greater than or equal to substantially 1200° C., particularly preferably greater than or equal to substantially 1250° C. or substantially greater 1250 ° C, and in particular a melting point greater than or equal to essentially 1200 ° C, in particular greater than or equal to substantially 1250°C or substantially greater than 1250°C, particularly preferably greater than or equal to substantially 1400°C.
  • FIGS. 1 and figs. 2A-2C describes a background example that is intended to facilitate understanding of the exemplary embodiments described below and the advantages.
  • Figs. 1 and Figs. 2A-2C is not actually state of the art that is already publicly known.
  • a generic method from the prior art can be found, for example, in US 2009/0185253 Al.
  • any described technical details and/or features of the method, the manufacturing sequence, the layer structure and in particular regarding individual steps and/or layers of the layer structure and/or their possible materials can also contain corresponding details and /or features of the exemplary embodiments described below, unless a difference is explicitly pointed out.
  • steps S101 to S104 of FIG. 1 as well as the manufacturing sequence (i) to (iv) of FIG. 2A and their description are always for the exemplary embodiments of FIGS. 3 to 10 are to be used and the steps S101 to S103 of FIG. 1 as well as the manufacturing sequence (i) to (iii) of FIG. 2A and their description also for the exemplary embodiments of FIGS. 11 to 13 should be used.
  • FIG. 1 shows an exemplary flowchart of a method for producing a layer structure for a MEMS device according to a background example and FIGS. 2A-2C show exemplary sectional views of the layer structure during the manufacturing process according to an exemplary manufacturing sequence based on the method according to FIG. 1.
  • a layer structure which includes a substrate layer 1 and a functional layer 3 (often referred to as a device layer).
  • a corresponding exemplary layer structure also underlies the layer structure shown in FIG. 2A (i).
  • the layer structure according to FIG. 2A (i) includes, for example, an intermediate layer 2 (eg a passivation layer), which is arranged, for example, between the substrate layer 1 and the functional layer 3, with the functional layer 3 being formed on the intermediate layer 2, for example.
  • a piezoelectric layer 4 is applied to the functional layer 3.
  • 2A (i) thus comprises, for example, a piezoelectric layer 4, which is formed on the functional layer 3, according to steps S101 and S102, with the piezoelectric layer 4, for example, in step S102 according to Fig. 1 on the layer structure above the functional layer 3 is applied.
  • the piezoelectric layer 4, which is applied on or above the functional layer 3, is structured by way of example; see also Fig. 2A (ii).
  • a dielectric layer 5 is applied by way of example; see also Fig. 2A (iii). 2A (iii), the dielectric layer 5 is applied, for example, to areas of the piezoelectric layer 4 and is further applied, for example, to areas of the functional layer 3 that are open after the piezoelectric layer 4 has been structured.
  • the applied dielectric layer 5 can be opened in selected areas. According to Fig. 2A (iv), for example, in area 5b, the dielectric layer 5 is opened towards the functional layer 3, in particular before application of an electrode layer (see below), in order to provide an area 5b intended for a later bond pad.
  • an electrode layer 6 is applied to the dielectric layer 5, which can optionally have been previously opened in areas (eg opened area 5b for a later bond pad); see also Fig. 2A (v).
  • the electrode layer 6 is applied, the area 5b previously opened in the dielectric layer 5 is also filled with the material of the electrode layer 6 to form a bond pad.
  • the electrode layer 6, which is applied on or above the dielectric layer 5, is structured by way of example; see also Fig. 2A (vi).
  • a bond pad 6b is formed with the material of the electrode layer 6, which has electrical contact to the top of the functional layer 3 (and / or in exemplary embodiments to a bottom electrode, which with the underside of the structured areas of the piezoelectric layer 4 can be electrically connected).
  • step S106 of structuring the electrode layer 6 the desired structure of the upper electrode (top electrode) for the upper electrical contacting of the piezoelectric layer 4 is formed. Furthermore, by way of example, in step S106 of structuring the electrode layer 6, a mirror 6a (mirror layer with a reflective surface) is formed in the middle of the layer structure according to FIG. 2A (vi) using the material of the electrode layer 6.
  • a mirror 6a mirror layer with a reflective surface
  • the electrode layer can comprise metal, in particular aluminum, so that the surface of the electrode layer 6 already has a reflective surface and is suitable for forming the mirror 6a.
  • a non-reflective or a non-metallic electrode layer e.g. doped polycrystalline silicon
  • a further, for example metallic, mirror layer e.g. as a thin-layer metal film, e.g. with a layer thickness of essentially greater than or equal to 100 nm and/or substantially less than or equal to 2000 nm
  • a further, for example metallic, mirror layer e.g. as a thin-layer metal film, e.g. with a layer thickness of essentially greater than or equal to 100 nm and/or substantially less than or equal to 2000 nm
  • the dielectric layer 5 is opened in areas 5a towards the functional layer 3, see also FIG. 2B (vii). These are in particular areas 5a of the dielectric layer 5 that can be opened, in which the underlying functional layer 3 is structured to form the mechanically effective structures of the MEMS device.
  • mechanically effective is to be understood here in particular as meaning that the mechanically effective layer or the at least one mechanically effective functional layer (device layer) of the MEMS layer structure preferably forms the layer that is designed for this purpose in accordance with its structuring or is formed, an oscillatory movement, in particular a one-dimensional or two-dimensional one Oscillatory movement, or in such a way that one or more structures or bodies formed in the mechanically effective layer or mechanically effective functional layer can carry out an oscillatory movement, in particular a one-dimensional or two-dimensional oscillation movement (e.g. around an oscillation/torsion axis or around two, preferably transverse or, in particular, perpendicular to one another, oscillation/torsion axes, in particular, for example, for Lissajous scanning movements).
  • a one-dimensional or two-dimensional oscillation movement e.g. around an oscillation/torsion axis or around two, preferably transverse or, in particular, perpendicular to one another, oscillation/tor
  • the holding and/or spring structure for the movable structures or bodies of the mechanically effective layer or mechanically effective functional layer can preferably also be formed in this mechanically effective layer or mechanically effective functional layer.
  • the spring structure can comprise springs, particularly preferably bending and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis (e.g. torsional vibrations).
  • the formation of the mechanically effective layer or mechanically effective functional layer can preferably include the resonance frequency or resonance frequencies of the MEMS, the deflection amplitudes and / or any dynamic deformations (e.g. in a holding and / or formed in the mechanically effective layer or mechanically effective functional layer determine spring structure).
  • the functional layer 3 is structured in areas 3a, see also FIG. 2B (viii).
  • the mechanically effective structures of the MEMS device are formed in the functional layer.
  • so-called high-rate etching or deep reactive ion etching is usually used when structuring the functional layer 3 in step S108 in order to create the deep trenches the functional layer 3 (e.g. areas 3a in Fig. 2B (viii)) to train.
  • DRIE deep reactive ion etching
  • process-related damage or unevenness occurs on the etched side walls in the structured areas of the functional layer, in particular so-called scallops (i.e. e.g. surface corrugations, surface nose structures, etc.); see, for example, the unevenness indicated by black dots in the areas 3a in Fig. 2B (ix)) or, for example, any side wall breakthroughs and/or atomic defects.
  • the mask used for structuring causes a direct transfer into the material of the functional layer 3 (usually silicon) and therefore the structures created usually have right-angled corners.
  • the occurrence of fractures in the deflection structures or the spring structure can advantageously be significantly reduced and in particular larger deflection angles or deflection amplitudes can be made possible, at which breaks in the deflection structures or the spring structure would already occur in components manufactured according to the prior art.
  • the layer structure is opened at the back in order to expose the functional layer 3 on the side that is opposite the piezoelectric layer 4; see also Fig. 2B (ix), in which, for example, the substrate layer 1 is opened at the back towards the intermediate layer 2, and Fig. 2B (x), in which, for example, the intermediate layer 2 is opened at the back towards the functional layer 3.
  • the layer structure produced is provided as an example in a vacuum-packed MEMS device 100 according to FIG. 2B (xi).
  • the layer structure was hermetically sealed from above with a translucent dome element 7 (eg a glass dome) and from below with a base body element 8 under a vacuum atmosphere.
  • a vacuum-packed MEMS mirror device 100 e.g. a MEMS mirror scanner
  • a MEMS mirror scanner which includes the layer structure produced
  • piezoelectrically deflectable or controllable mirror 6a see e.g. Fig. 2B (xi).
  • exemplary embodiments preferably provide a healing step, in particular for annealing structured areas of the functional layer, at temperatures essentially greater than or equal to 700 ° C.
  • the annealing of structured areas of the functional layer can be carried out to at least partially smooth side walls of the trenches in the functional layer and/or to round off corners of the trenches in the functional layer.
  • Smoothing of side walls of the trenches in the structured areas of the functional layer is to be understood here in particular as meaning that the unevenness and/or surface effects or defects that arise on the side walls as a result of the process when structuring the functional layer are reduced, so that relative to the state of the side wall surfaces after structuring the functional layer seen after annealing, smoother side wall surfaces are present, up to a possibly completely smooth and / or crystal defect-free side wall.
  • the side wall surfaces can have a substantially roughness after annealing less than or equal to 50nm, preferably in particular essentially less than or equal to 30nm and particularly preferably in particular essentially less than or equal to 1Onm.
  • the annealing of structured areas of the functional layer can preferably be carried out at temperatures substantially greater than or equal to 800 ° C. In some preferred embodiments, the annealing of structured areas of the functional layer can be carried out at temperatures substantially less than or equal to 1400°C, particularly preferably at temperatures substantially less than or equal to 1350°C. In some exemplary embodiments, the temperatures in the annealing step or preferably in the entire production process should not exceed 1400 ° C, particularly preferably 1350 ° C, since the melting point of silicon is approximately 1410 ° C, as the substrate layer and / or the functional layer typically May include silicon.
  • FIG. 3 shows an exemplary flowchart of a method for producing a layer structure for a MEMS device according to exemplary embodiments of the present disclosure.
  • the first steps of the method according to FIG. 3 correspond, for example, to steps S101 to S104 of the method according to FIG. 1 or to the exemplary production sequence (i) to (v) according to FIG. 2A.
  • the following Figs. 4A-4B exemplary sectional views of the layer structure during the manufacturing process according to an exemplary manufacturing sequence based on the method according to FIG. 3.
  • a layer structure that includes the substrate layer 1 and the functional layer 3 is provided in an exemplary step S301 (e.g. analogous to S101 in Fig. 1).
  • the piezoelectric layer 4 is applied to the functional layer 3.
  • the substrate layer 1 can be made of silicon or comprise silicon, for example.
  • the substrate layer 1 can be provided, for example, as an SCS wafer (SCS, English: single-crystal silicon), that is, for example, as a crystalline bulk silicon substrate.
  • the substrate layer can also be provided by means of an SOI wafer, which can already include the substrate layer 1 and, for example, also the functional layer 3 and/or the intermediate layer(s) 2.
  • SOI wafers can include a handling wafer, which is made, for example, from crystalline bulk Silicon substrate can consist, for example, followed by an intermediate layer (typically, for example, a silicon oxide with approx. 100 - 2000 nm), but can also consist of other preferably dielectric layers, such as silicon nitride, silicon oxynitride or aluminum oxide.
  • different intermediate layers can consist of different materials.
  • the functional layer 3 can, for example, be made of silicon or include silicon.
  • the functional layer 3 can have a layer thickness of essentially 5-300 ⁇ m.
  • the functional layer 3 can be present as a pure crystalline substrate, particularly preferably as a single crystal (e.g. SCS), or in further exemplary embodiments it can be applied using epitaxial deposition processes, in particular in polycrystalline form (polycrystal).
  • an electrode layer can also be provided between the functional layer 3 and the piezoelectric layer 4, which can form a bottom electrode, for example made of metal (e.g. molybdenum), which electrically contacts the piezoelectric layer from below.
  • metal e.g. molybdenum
  • Such an exemplary bottom electrode layer under the piezoelectric layer 4 can, in preferred embodiments, be designed to be stable at high temperatures, for example as doped polycrystalline silicon.
  • the functional layer 3 can comprise self-doped polycrystalline silicon or be formed from doped polycrystalline silicon, at least in the areas of the later structured piezoelectric layer 4.
  • the functional layer 3 can, on the one hand, form the mechanically active elements (e.g. mirror support element and/or holding and spring structure) and can also serve as a high-temperature-stable bottom electrode for the piezoelectric layer 4.
  • the piezoelectric layer 4 can preferably comprise piezoelectric material or be formed from piezoelectric material, which preferably has high piezoelectric, pyroelectric and/or ferroelectric constants.
  • the piezoelectric layer 4 may comprise, for example, aluminum nitride (AIN), aluminum scandium nitride (AlScN), lead zirconate titanate (PZT) and/or niobium doped PZT (PZT-Nb).
  • the piezoelectric layer 4 can also include semi-crystalline polymer materials such as PVDF (polyvinylidene fluoride (CF2-CH2)n).
  • the piezoelectric layer 4, which is applied on or above the functional layer 3, is structured, particularly preferably by means of a wet and/or dry etching process.
  • the remaining areas of the piezoelectric layer 4 define the piezoelectric elements and/or drive and/or detection elements (e.g. actuator and/or sensor surfaces) for generating, driving, controlling and/or detecting the movements or Vibrations of the movably held components or elements of the MEMS.
  • drive and/or detection elements e.g. actuator and/or sensor surfaces
  • the dielectric layer 5 is applied as an example.
  • the dielectric layer 5 is applied, for example, to areas of the piezoelectric layer 4 and is further applied, for example, to areas of the functional layer 3 that are open after the piezoelectric layer 4 has been structured.
  • the dielectric layer 5 can, for example, comprise silicon oxide, in particular SiO2, or be formed from silicon oxide, in particular SiO2.
  • the dielectric layer 5 can comprise or be formed from silicon nitride (eg Si 3 N 4 ) and/or aluminum oxide (Al 2 O 3 ), oxynitride and/or silicon nitride (eg SiON).
  • the applied dielectric layer 5 can be opened in selected areas, for example by wet and/or dry etching, for example to provide an area 5b that can be intended for a later bond pad.
  • the applied dielectric layer 5 can also be opened or partially opened over the structured areas of the piezoelectric layer 4.
  • the applied dielectric layer 5 can also be opened or partially opened over the structured areas of the piezoelectric layer 4.
  • the dielectric layer 5 is opened towards the functional layer 3 in areas 5a. These are in particular areas 5a of the dielectric layer 5 that can be opened, in which the underlying functional layer 3 is structured to form the mechanically effective structures of the MEMS device.
  • the remaining areas of the piezoelectric layer 4 remain completely encapsulated by the dielectric layer 5 (see, for example, Fig. 4A (v) and also Fig. 6A (v)), i.e. the remaining areas of the piezoelectric layer 4 are or remain particularly preferably, for example, completely encapsulated between the functional layer 3 and the dielectric layer 5.
  • the layer structure can still be subjected to high-temperature processes (e.g. at over approximately 700 ° C to 1250 ° C) without adversely affecting the encapsulated areas of the piezoelectric layer 4.
  • high-temperature processes e.g. at over approximately 700 ° C to 1250 ° C
  • This advantageously enables, for example, further exemplary embodiments with one or more annealing steps at high temperatures greater than or equal to 700 ° C, such as the processes of sacrificial oxidation described below at, for example, approximately 800 ° C - 1250 ° C (see, for example, the exemplary production sequence according to Fig. 4A -4B) and/or hydrogen annealing, for example at approximately 1000°C-1250°C (see, for example, the exemplary manufacturing sequence according to FIGS. 6A-6B).
  • this encapsulation of the structured areas of the piezoelectric layer 4, for example by means of the dielectric layer, advantageously protects the structured areas of the piezoelectric layer 4 despite the high temperatures in the annealing step and despite the chemically aggressive media (e.g. oxygen or hydrogen). , so that they are not even stable at high temperatures or chemically Resistant piezoelectric materials, such as PZT, can still be used as piezoelectric material (encapsulated in the annealing step). In embodiments using high-temperature stable and/or chemically resistant piezoelectric materials, it is not necessary to encapsulate the structured areas of the piezoelectric layer 4.
  • the functional layer 3 is structured in areas 3a, see also FIG. 4A (v).
  • the mechanically effective structures of the MEMS device are formed in the functional layer 3, preferably by high-rate etching or deep reactive ion etching or DRIE for short.
  • Structuring the functional layer 3 includes, for example, the formation or exposing of the mirror support element formed from the functional layer 3 (under the later applied mirror layer 6a, see e.g. Fig. 5) as well as the holding webs (spring structure), which are formed from the functional layer 3 and as holding Spring structure act, and which can hold the mirror support element so that it can oscillate about one, two or more oscillation and / or torsion axes.
  • the spring structure can comprise springs, particularly preferably bending and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis (e.g. torsional vibrations).
  • the deep reactive ion etching for patterning the functional layer 3 can be performed, for example, using a photolithography mask.
  • the partial opening of the dielectric layer 5 can be carried out separately beforehand or in the same step using the same photolithography mask.
  • the photolithography mask can, for example, then be removed using a plasma or a wet chemical process.
  • all of the patterning steps of the present disclosure can be performed using photolithography masks that can be removed using a plasma or wet chemical process.
  • an annealing step at high temperatures is essentially greater than or equal to 700 ° C carried out to smooth the side walls of the areas 3a of the functional layer 3, which was deep-etched in step S306, and to round off corners of the areas 3a of the functional layer 3.
  • the annealing step S307 may include a step in which the surface of the regions 3a of the functional layer 3 is heated at oxidation temperatures (e.g. temperatures of substantially greater than or equal to 700° C., in particular substantially greater than or equal to 800° C. or more, if necessary. preferably substantially less than or equal to 1250 ° C) are oxidized; see, for example, the oxidation layer 11 shown as an example in Fig. 4A (vi).
  • oxidation temperatures e.g. temperatures of substantially greater than or equal to 700° C., in particular substantially greater than or equal to 800° C. or more, if necessary. preferably substantially less than or equal to 1250 ° C
  • a sacrificial oxidation is carried out as a healing step according to S307 (see, for example, FIG. 4A (vi)).
  • This oxidation or sacrificial oxidation in such exemplary embodiments of the annealing step S307 can cause the surface effects or surface defects created during etching (e.g. unevenness, such as formed noses, waves, so-called scallops, as well as any other surface defects such as crystal defects, etching, side wall breakthroughs and atomic ones Defects, etc.) on the side walls of the deeply etched side walls of the areas 3a of the functional layer 3 are oxidized.
  • unevenness such as formed noses, waves, so-called scallops, as well as any other surface defects such as crystal defects, etching, side wall breakthroughs and atomic ones Defects, etc.
  • the sacrificial oxidation layer 11 can preferably be selectively removed in exemplary embodiments of the annealing step S307 and in such exemplary embodiments of the annealing step S307, after selective removal of the sacrificial oxidation layer 11, advantageously smoothed side walls of the regions 3a of the functional layer 3 remain with reduced unevenness of the side walls and rounded corners; see e.g. Fig. 4A (vii).
  • any etching scallops as well as any other surface defects can be reduced or eliminated, so that smoothed side walls are formed, up to the complete conversion into a completely smooth and/or crystal defect-free side wall .
  • the rectangular structural corners that were created during the structuring of the functional layer can be rounded off (rounded or rounded structural corners).
  • the corresponding layer structure or the MEMS device that comprises the layer structure has advantageously been smoothed after the corresponding annealing step S307 Side walls with reduced unevenness or even smooth and/or crystal defect-free (e.g. completely smoothed) side walls and rounded corners on the structured areas and trenches of the functional layer, so that breaking limits of the movable or vibrating parts of the functional layer or in particular spring structure formed in the functional layer can be significantly increased and the occurrence of early breaks in the spring structure can be successfully reduced.
  • the occurrence of fractures in the deflection structures or the spring structure can advantageously be significantly reduced and in particular larger deflection angles or deflection amplitudes can be made possible, at which breaks in the deflection structures or the spring structure would already occur in components manufactured according to the prior art.
  • the electrode layer 6 is applied, for example, after the annealing step S307; see also Fig.4A (viii).
  • the area 5b, which was previously opened in the dielectric layer 5 is filled with the material of the electrode layer, in particular to form a bond pad.
  • a top electrode layer 6 can be deposited over the entire surface, for example made of metal, in particular aluminum, for example.
  • high-temperature-stable materials in particular, for example, high-temperature-stable metals, can also be used for the electrode layer.
  • the healing step can also take place after the application and/or structuring of the electrode layer and optionally after the rear opening of the layer structure, which preferably comprises high-temperature stable and chemically resistant materials; see, for example, the exemplary embodiments described below according to Figs. 8 to 10.
  • the electrode layer 6, which is applied on or above the dielectric layer 5, is structured by way of example; see also Fig. 4B (ix).
  • a bond pad 6b can be formed with the material of the electrode layer 6, which has electrical contact with the top of the functional layer 3 (and/or in exemplary embodiments with a bottom electrode, the one with the Underside of the structured areas of the piezoelectric layer 4 can be electrically connected).
  • step S309 of structuring the electrode layer 6 the desired structure of the upper electrode (top electrode) for the upper electrical contacting of the piezoelectric layer 4 is formed. Furthermore, in step S309 of structuring the electrode layer 6, a mirror 6a (mirror layer with a reflective surface) is formed, for example, in the middle of the layer structure according to FIG. 4B (iv) using the material of the electrode layer 6.
  • the electrode layer can comprise metal, in particular aluminum, so that the surface of the electrode layer 6 already has a reflective surface and is suitable for forming the mirror 6a.
  • a top electrode layer deposited over the entire surface for example made of metal, in particular for example aluminum, can be structured wet and/or dry chemically via photolithographic steps, for example using spray-coat lithography or alternatively via a lift-off process in which the lithography takes place before the metal deposition.
  • the electrode layer can also be applied using a shadow mask deposition.
  • a non-reflective or a non-metallic electrode layer e.g. doped polycrystalline silicon
  • a further, for example metallic, mirror layer e.g. as a thin-layer metal film, e.g. with a layer thickness of essentially greater than or equal to 100 nm and/or substantially less than or equal to 2000 nm
  • the material of the metallic mirror layer can be selected depending on the desired application for the respective wavelength range, in particular with very good reflection behavior in the wavelength range of the desired application, for example aluminum or silver for visible light (e.g. essentially at wavelengths of 400-700 nm ) or gold for infrared light or infrared radiation (e.g. essentially at wavelengths of 850-2000nm).
  • step S310 of the method according to FIG. 3 (eg analogous to S109 in FIG. 1), the layer structure is opened on the back, for example, in order to expose the functional layer 3 on the side that is opposite the piezoelectric layer 4; see also Fig. 4B (x), in which the substrate layer 1 is an example of the intermediate layer -TI-
  • Fig. 4B (xi) in which, for example, the intermediate layer 2 is opened on the back towards the functional layer 3.
  • the layer structure produced is provided as an example in a vacuum-packed MEMS device 200 according to FIG. 5.
  • the layer structure was hermetically sealed from above with a translucent cover element 7 (e.g. a translucent dome element or a glass dome) and from below with a base body element 8 under a vacuum atmosphere (e.g. vacuum encapsulation).
  • a translucent cover element 7 e.g. a translucent dome element or a glass dome
  • a base body element 8 under a vacuum atmosphere (e.g. vacuum encapsulation).
  • a vacuum atmosphere e.g. vacuum encapsulation
  • differently shaped cover elements or 3D-shaped cover elements are also possible (e.g. angular or planar).
  • the material of the cover elements is preferably translucent, for example glass or other optically transparent materials (e.g. approx. 400-2500 nm), such as borosilicate glass (e.g. Borofloat® BF33 from SCHOTT).
  • Fig. 5 shows an exemplary sectional view of one according to the exemplary manufacturing sequence of Figs. 4A-4B manufactured MEMS device 200. Consequently, a vacuum-packed MEMS mirror device 200 (eg a MEMS mirror scanner), which includes the produced layer structure, with piezoelectrically deflectable or controllable mirror 6a can be provided, the corresponding layer structure or the MEMS - Device 200, which comprises the layer structure, advantageously has smooth or smooth and/or crystal defect-free side walls and rounded corners on the structured areas and trenches of the functional layer, so that breaking limits of the movable or vibrating parts of the functional layer or in particular of the spring structure, which is formed in the functional layer, can be significantly increased and the occurrence of early breaks in the spring structure can be successfully reduced.
  • a vacuum-packed MEMS mirror device 200 eg a MEMS mirror scanner
  • the corresponding layer structure or the MEMS - Device 200 which comprises the layer structure
  • advantageously has smooth or smooth and/or crystal defect-free side walls and rounded corners on the
  • FIGS. 6A-6B show exemplary sectional views of the layer structure during the manufacturing process according to a further exemplary manufacturing sequence based on the method according to FIG. 3. Consequently, the exemplary sequence according to FIGS. 6A-6B is a further exemplary embodiment of the method according to FIG. 3.
  • the first steps of the method according to FIG. 3 again correspond, by way of example, to steps S101 to S104 of the method according to FIG. 1 or to the exemplary production sequence (i) to (v) according to FIG. 2A.
  • Figs. 6A-6B the exemplary manufacturing sequence based on further exemplary embodiments of the method according to FIG. 3.
  • the application of the electrode layer has not yet been carried out, for example, before structuring the functional layer 3, in order to preferably enable a healing step following the structuring of the functional layer 3 at high temperatures above or equal to 700 ° C, which is followed by an electrode layer that has already been applied in the usual way, e.g. made of aluminum, could not withstand.
  • step S306 of the method according to FIG. 3 e.g. analogous to step S108 in FIG. 1
  • the manufacturing sequence according to FIGS. 6A-6B exemplarily structures the functional layer 3 in areas 3a, see Fig. 6A (v).
  • the mechanically effective structures of the MEMS device are formed in the functional layer, preferably by high-rate etching or deep reactive ion etching or DRIE for short.
  • Structuring the functional layer 3 includes, for example, forming or exposing the mirror carrier element under the mirror layer 6a, the mirror carrier element being formed from the functional layer 3, as well as the holding webs (spring structure), which can be formed from the functional layer 3 and can act as a spring system, and which can hold the mirror support element so that it can oscillate about one, two or more oscillation and/or torsion axes.
  • the spring structure can comprise springs, particularly preferably bending and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis (e.g. torsional vibrations).
  • springs particularly preferably bending and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis (e.g. torsional vibrations).
  • an annealing step is carried out at high temperatures essentially greater than or equal to 700° C. in order to smooth the side walls of the areas 3a of the functional layer 3 that were deeply etched in step S306 and to round off corners of the areas 3a of the functional layer 3.
  • the annealing step S307 may include a step in which the surface of the regions 3a of the functional layer 3 is subjected to a step of hydrogen annealing or hydrogen annealing at temperatures of substantially greater than or equal to 1000 ° C and preferably substantially less than or equal to 1250 ° C. Annealing (hydrogen annealing) is subjected (alternatively or in addition to the sacrificial oxidation described above).
  • the surface of the areas 3a of the functional layer 3 at temperatures of substantially greater than or equal to 900 ° C, in particular substantially greater than or equal to 1000 ° C, and preferably substantially smaller or equal to 1350 ° C, in particular substantially less than or equal to 1250 ° C, subjected to a hydrogen annealing step (see e.g. Fig. 6A (vi)).
  • any etching scallops as well as any other surface defects can be reduced or eliminated, so that smoothed side walls are formed, up to the complete conversion into a completely smooth and/or crystal defect-free side wall .
  • the rectangular structural corners that were created during the structuring of the functional layer can be rounded off (rounded or rounded structural corners).
  • the corresponding layer structure or the MEMS device that comprises the layer structure advantageously has smoothed or smooth and/or crystal defect-free side walls and rounded corners on the structured areas and trenches of the functional layer, so that breaking limits of the movable or vibrating parts of the functional layer or in particular the spring structure that is formed in the functional layer can be significantly increased and the occurrence of early breaks in the spring structure can be successfully reduced.
  • the occurrence of fractures in the deflection structures or the spring structure can advantageously be significantly reduced and in particular larger deflection angles or deflection amplitudes can be made possible, at which breaks in the deflection structures or the spring structure would already occur in components manufactured according to the prior art.
  • the electrode layer 6 is applied, for example, after the annealing step S307; see also Fig. 6A (vii).
  • the area 5b previously opened in the dielectric layer 5 is also filled with the material of the electrode layer, in particular, for example, to form a bond pad.
  • an electrode layer 6 (top electrode layer) can be deposited over the entire surface, for example made of metal, in particular aluminum, for example.
  • high-temperature-stable materials in particular, for example, high-temperature-stable metals, can also be used for the electrode layer.
  • the healing step can also take place after the application and/or structuring of the electrode layer and optionally also after the rear opening of the layer structure, which preferably comprises high-temperature stable and chemically resistant materials; see, for example, the exemplary embodiments described below according to Figs. 8 to 10.
  • the electrode layer 6, which is applied on or above the dielectric layer 5, is structured as an example; see also Fig. 6B (viii).
  • a bonding pad 6b is formed with the material of the electrode layer formed, which can provide electrical contact to the top of the functional layer 3.
  • the layer structure is opened on the back, for example, in order to expose the functional layer 3 on the side that is opposite the piezoelectric layer 4; see also Fig. 6B (ix), in which, for example, the substrate layer 1 is opened at the back towards the intermediate layer 2, and Fig. 6B (x), in which, for example, the intermediate layer 2 is opened at the back towards the functional layer 3.
  • the layer structure produced is provided as an example in a vacuum-packed MEMS device 300 according to FIG. 6.
  • the layer structure was hermetically sealed from above with a translucent cover element 7 (e.g. a translucent dome element or a glass dome) (see e.g. Fig. 6B (xi)) and hermetically sealed from below with a base body element 8 under a vacuum atmosphere (e.g. vacuum encapsulation).
  • a translucent cover element 7 e.g. a translucent dome element or a glass dome
  • a base body element 8 under a vacuum atmosphere
  • differently shaped cover elements or 3D-shaped cover elements are also possible (e.g. angular or planar).
  • the material of the cover elements is preferably translucent, for example glass or other optically transparent materials (e.g. approx. 400-2500 nm), such as borosilicate glass (e.g. Borofloat® BF33 from SCHOTT).
  • steps S308 to S311 from above also apply to the manufacturing sequence according to Figs. 6A-6B applicable.
  • FIG. 7 shows an exemplary sectional view of a MEMS device 300, which is constructed according to the exemplary manufacturing sequence of FIGS. 6A-6B can be made. Consequently, a vacuum-packed MEMS mirror device 300 (eg a MEMS mirror scanner), which comprises the layer structure produced, can be provided with piezoelectrically deflectable or controllable mirror 6a, the corresponding layer structure or the MEMS device 300 comprising the layer structure, advantageously has smoothed or smooth and / or crystal defect-free side walls and rounded corners on the structured areas and trenches of the functional layer, so that breaking limits of the movable or vibrating parts of the functional layer or in particular of the spring structure formed in the functional layer are significantly increased and the occurrence of early breaks in the spring structure can be successfully reduced.
  • a vacuum-packed MEMS mirror device 300 eg a MEMS mirror scanner
  • the corresponding layer structure or the MEMS device 300 comprising the layer structure advantageously has smoothed or smooth and / or crystal defect-free side walls and rounded corners on the structured
  • the occurrence of fractures in the deflection structures or The spring structure can advantageously be significantly reduced and in particular larger deflection angles or deflection amplitudes can be made possible, at which breaks in the deflection structures or the spring structure would already occur in components manufactured according to the prior art.
  • FIG. 8 shows an exemplary flowchart of a method for producing a layer structure for a MEMS device according to further exemplary embodiments of the present disclosure.
  • Figs. 9A-9B show exemplary sectional views of the layer structure during the manufacturing process according to an exemplary manufacturing sequence based on the method according to FIG. 8.
  • the first steps of the method according to FIG. 8 initially correspond, by way of example, to steps S101 to S104 of the method according to FIG. 1 or to the exemplary production sequence (i) to (v) according to FIG. 2A.
  • steps S101 to S104 of the method according to FIG. 1 or to the exemplary production sequence (i) to (v) according to FIG. 2A.
  • Fig. 2A (v) the following Figs. 9A-9B exemplary sectional views of the layer structure during the manufacturing process according to an exemplary manufacturing sequence based on the method according to FIG. 8.
  • a layer structure is provided which, for example, already includes the substrate layer 1 and the functional layer 3.
  • the piezoelectric layer 4 is applied to the functional layer 3.
  • the piezoelectric layer 4, which is applied on or above the functional layer 3, is structured as an example.
  • the dielectric layer 5 is applied by way of example.
  • the dielectric layer 5 is applied, for example, to areas of the piezoelectric layer 4 and is further applied, for example, to areas of the functional layer 3 that are opened after the piezoelectric layer 4 has been structured.
  • the applied dielectric layer 5 can be opened in selected areas, for example by one to provide the area 5b intended for a later bond pad.
  • the applied dielectric layer 5 can also be opened or partially opened over the structured areas of the piezoelectric layer 4.
  • steps S301 to S304 from above are also exemplary for the manufacturing sequence according to Figs. 9A-9B can be applied in connection with steps S801 to S804 according to FIG.
  • an electrode layer 9, which can optionally be previously opened in areas, is applied, for example, on the dielectric layer 5; see also Fig. 9A (v).
  • a high-temperature-stable, electrically conductive material is used in step S805 when applying the electrode layer 9.
  • a high-temperature stable material can be used (instead of, for example, aluminum of the electrode layer 6 in FIGS. 2A to 2C) that can withstand temperatures essentially greater than or equal to 700 ° C, in further exemplary embodiments preferably essentially greater than or equal to 800 ° C and preferably can withstand greater than or equal to 1000°C, and in further exemplary embodiments particularly preferably can withstand substantially greater than or equal to 1250°C.
  • a conductive silicon layer can be used as the high-temperature-stable material of the high-temperature-stable electrode layer 9 (e.g. deposited by physical vapor deposition, PVD, deposited by chemical vapor deposition, CVD, or . through plasma-assisted chemical vapor deposition or plasma-enhanced chemical, vapor deposition PECVD, etc.).
  • a doped polysilicon as a (non-metallic) high-temperature-stable material for the high-temperature-stable electrode layer 9 is particularly preferred.
  • a high-temperature-stable metal can alternatively or additionally be used as the material of the high-temperature-stable electrode layer 9 (e.g. molybdenum, platinum, tungsten, tungsten titanium or WTi, tungsten carbide or WC, etc.).
  • Such high-temperature-stable materials for use as the material of the high-temperature-stable electrode layer 9 enable the layer structure to continue to be compatible with a high-temperature-stable process sequence at temperatures essentially greater than or equal to 700 ° C or essentially greater than or equal to 800 ° C, in particular the one already applied Electrode layer 9 can also withstand a later annealing step (eg sacrificial oxidation and/or hydrogen annealing according to the above exemplary embodiments) at temperatures essentially greater than or equal to 700°C, in particular between essentially 700°C and 1250°C.
  • a later annealing step eg sacrificial oxidation and/or hydrogen annealing according to the above exemplary embodiments
  • the dielectric layer 5 is opened in areas 5a towards the functional layer 3, see also FIG. 9A (vii). These are in particular openable areas 5a of the dielectric layer 5, in which the underlying functional layer 3 is structured to form the mechanically effective structures (e.g. the spring structure) of the MEMS device.
  • the mechanically effective structures e.g. the spring structure
  • the remaining areas of the piezoelectric layer 4 remain completely encapsulated by the dielectric layer 5 (see, for example, FIG. 9A (vii)), ie the remaining areas of the piezoelectric layer 4 are or remain particularly preferably exemplary completely encapsulated between the functional layer 3 and the dielectric layer 5.
  • This has the advantage that the layer structure can still be subjected to high-temperature processes at temperatures essentially greater than or equal to 700 ° C, for example at over approximately 700 ° C to 1250 ° C, without affecting the encapsulated areas of the piezoelectric layer 4.
  • This encapsulation of the structured areas of the piezoelectric layer 4, for example by means of the dielectric layer, is able to advantageously protect the structured areas of the piezoelectric layer 4 despite the high temperatures in the annealing step and despite the chemically aggressive media (e.g. oxygen or hydrogen). that even piezoelectric materials that are not stable at high temperatures or not as chemically resistant, such as PZT, can still be used as piezoelectric material (encapsulated in the annealing step). In embodiments using high-temperature stable and/or chemically resistant piezoelectric materials, it is not necessary to encapsulate the structured areas of the piezoelectric layer 4.
  • the chemically aggressive media e.g. oxygen or hydrogen
  • the high-temperature stable electrode layer 9 can also be used to encapsulate the structured regions of the piezoelectric layer 4.
  • the remaining areas of the piezoelectric layer 4 are or remain completely encapsulated by the high-temperature stable electrode layer 9, i.e. the remaining areas of the piezoelectric layer 4 are or remain, particularly preferably, completely between the functional layer 3 and the high-temperature-stable electrode layer 9 (optionally with an intermediate or partially intermediate dielectric layer 5).
  • the layer structure can still be subjected to high-temperature processes at essentially greater than or equal to 700 ° C, for example at over approximately 700 ° C to 1250 ° C, without affecting the encapsulated areas of the piezoelectric layer 4, in particular also Any less chemically resistant piezoelectric materials can be protected by encapsulating aggressive media, such as oxygen (e.g. in a sacrificial oxidation annealing step) and/or hydrogen (e.g. in a hydrogen annealing annealing step).
  • oxygen e.g. in a sacrificial oxidation annealing step
  • hydrogen e.g. in a hydrogen annealing annealing step
  • step S808 of the method according to FIG. 8 e.g. analogous to S108 in FIG. 1
  • the functional layer 3 is structured in areas 3a, see also FIG. 9A (viii).
  • the mechanically effective structures of the MEMS device are formed in the functional layer, preferably by high-rate etching or deep reactive ion etching or DRIE for short.
  • Structuring the functional layer 3 includes, for example, forming or exposing the mirror support element, which is formed from the functional layer 3, as well as the holding webs (spring structure), which are formed from the functional layer 3 and act as a spring system, and which move the mirror support element by one or two or can hold several oscillation and/or torsion axes so that they can oscillate.
  • the spring structure can comprise springs, particularly preferably bending and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis (e.g. torsional vibrations).
  • springs particularly preferably bending and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis (e.g. torsional vibrations).
  • a healing step is carried out at high temperatures essentially greater than or equal to 700 ° C, in particular in order to smooth the side walls of the areas 3a of the functional layer 3 that were deeply etched in step S808 and to round off corners of the areas 3a of the functional layer 3.
  • the annealing step S809 may include a step in which the surface of the regions 3a of the functional layer 3 is at temperatures substantially greater than or equal to 700° C., preferably at temperatures substantially greater than or equal to 800° C. (e.g. at approx. 800°C-1250°C) are oxidized.
  • a sacrificial oxidation can be carried out as a healing step according to S809. This oxidation can cause the surface effects created during etching (e.g.
  • the sacrificial oxidation layer 11 can preferably be removed selectively and, in particular, any etching scallop as well as any surface defects (e.g. crystal defects, etching, side wall breakthroughs and atomic defects, etc.) can be reduced or eliminated, so that smoothed side walls are formed, up to complete transformation into a completely smooth and/or crystal defect-free sidewall.
  • any etching scallop as well as any surface defects (e.g. crystal defects, etching, side wall breakthroughs and atomic defects, etc.) can be reduced or eliminated, so that smoothed side walls are formed, up to complete transformation into a completely smooth and/or crystal defect-free sidewall.
  • the rectangular structural corners that were created during the structuring of the functional layer can be rounded off (rounded or rounded structural corners).
  • advantageously smoothed side walls and rounded structural corners of the side walls of the regions 3a of the functional layer 3 remain; see e.g. Fig. 9B (ix).
  • the annealing step S809 can also again comprise a step in which the surface of the regions 3a of the functional layer 3, for example at temperatures substantially greater than or equal to 1000° C., for example of approximately 1000° C to 1250 ° C, is subjected to a hydrogen annealing step.
  • a step of hydrogen annealing (hydrogen annealing).
  • any etching scallops as well as any surface defects can be reduced or eliminated, so that smoothed side walls are formed, even completely Conversion to a completely smooth and/or crystal defect-free sidewall; see e.g. Fig.
  • the surface effects or surface defects created during etching e.g. formed noses, waves, so-called scallops, etc.
  • the side walls of the deeply etched Side walls of the areas 3a of the functional layer 3 are smoothed (analogous to S307 according to FIG. 3).
  • any etching scallops as well as any other surface defects can be reduced or eliminated, so that smoothed side walls are formed, up to the complete conversion into a completely smooth and/or crystal defect-free side wall .
  • the rectangular structural corners that were created during the structuring of the functional layer can be rounded off (rounded or rounded structural corners).
  • the corresponding layer structure or the MEMS device that comprises the layer structure advantageously has smoothed or smooth and/or crystal defect-free side walls and rounded corners on the structured areas and trenches of the functional layer, so that breaking limits of the movable or vibrating parts of the functional layer or in particular the spring structure formed in the functional layer can be significantly increased and the occurrence of early breaks in the spring structure can be successfully reduced.
  • the occurrence of fractures in the deflection structures or the spring structure can advantageously be significantly reduced and in particular larger deflection angles or deflection amplitudes can be made possible, at which breaks in the deflection structures or the spring structure would already occur in components manufactured according to the prior art
  • the method according to FIG. 8 can therefore include, by way of example, a further step S810 of applying a mirror layer 10 to form the mirror 10a on the mirror carrier element of the functional layer 3; see also, for example, Fig. 9B (x).
  • a simple metal such as aluminum
  • the material of the metallic mirror layer can be selected depending on the desired application for the respective wavelength range, in particular with very good reflection behavior in the wavelength range of the desired application, for example aluminum or silver for visible light (e.g. essentially at wavelengths of 400-700 nm ) or gold for infrared light or infrared radiation (e.g. essentially at wavelengths of 850-2000nm).
  • a conductive material this can also be used, for example, to form the bond pad 10b; see also, for example, Fig. 9B (x).
  • the layer structure is opened at the back, in particular in order to expose the functional layer 3 on the side that is opposite the piezoelectric layer 4; see also Fig. 9B (xi), in which, for example, the substrate layer 1 and the intermediate layer 2 are opened at the back towards the functional layer 3.
  • the layer structure produced is provided as an example in a vacuum-packed MEMS device 400 according to FIG.
  • the layer structure was hermetically sealed from above with a translucent cover element 7 (e.g. a translucent dome element or a glass dome) and hermetically sealed from below with a base body element 8 under a vacuum atmosphere (e.g. vacuum encapsulation).
  • a translucent cover element 7 e.g. a translucent dome element or a glass dome
  • a vacuum atmosphere e.g. vacuum encapsulation
  • cover elements or 3D-shaped cover elements are also possible (eg angular or planar).
  • the material of the cover elements is preferably translucent, for example glass or other optically transparent ones Materials (e.g. approx. 400-2500 nm), such as borosilicate glass (e.g. Borofloat® BF33 from SCHOTT).
  • FIGS. 9A-9B shows an exemplary sectional view of a MEMS device 400 constructed according to the exemplary manufacturing sequence of FIGS. 9A-9B is made. Consequently, a vacuum-packed MEMS mirror device 400 (e.g. a MEMS mirror scanner) can be provided, which comprises the layer structure produced, e.g.
  • the corresponding layer structure or the MEMS device 400 comprising the layer structure , advantageously smoothed or smooth and / or crystal defect-free side walls and rounded corners on the structured areas and trenches of the functional layer, so that breaking limits of the movable or vibrating parts of the functional layer or in particular of the spring structure that is formed in the functional layer are significantly increased and the occurrence of early breaks in the spring structure can be successfully reduced.
  • the breaking limits of the movable or vibrating parts of the functional layer or in particular of the spring structure formed in the functional layer can be at least doubled, or even increased fivefold or tenfold.
  • the occurrence of fractures in the deflection structures or the spring structure can advantageously be significantly reduced and in particular larger deflection angles or deflection amplitudes can be made possible, at which breaks in the deflection structures or the spring structure would already occur in components manufactured according to the prior art.
  • FIG. 11 shows an exemplary flowchart of a method for producing a layer structure for a MEMS device according to further exemplary embodiments of the present disclosure.
  • Figs. 12A-12B show exemplary sectional views of the layer structure during the manufacturing process according to an exemplary manufacturing sequence based on the method according to FIG. 11.
  • the layer structure is provided, which exemplarily includes the substrate layer 1 and the functional layer 3.
  • the piezoelectric layer 4 is applied to the functional layer 3.
  • the piezoelectric layer 4, which is applied on or above the functional layer 3, is structured as an example.
  • steps S301 to S303 from above are also exemplary for the manufacturing sequence according to Figs. 12A-12C can be applied in connection with steps S1101 to S1104 according to FIG. 11.
  • the functional layer 3 is now structured directly before the dielectric layer 5 is applied (step S1104 of FIG. 11) and then, for example, the annealing step S1105 takes place in a state of the layer structure in which in structured areas of the piezoelectric layer 4 are open at the top.
  • a piezoelectric layer 4 made of a high-temperature stable and/or chemically resistant piezoelectric material can preferably be applied in step S1102.
  • the high-temperature stable and/or chemically resistant piezoelectric layer 4 may comprise, for example, aluminum nitride (AIN) and/or aluminum scandium nitride (AlScN).
  • the functional layer 3 is structured in areas 3a, see also FIG. 12A (iii).
  • the mechanically effective structures of the MEMS device are formed in the functional layer, preferably by high-rate etching or deep reactive ion etching or DRIE for short.
  • Structuring the functional layer 3 includes, for example, the formation or exposing of the mirror carrier element (under the later applied mirror layer 6a, see for example FIG. 13), which is formed from the functional layer 3 as an example, as well as the Holding webs (spring structure), which are formed by way of example from the functional layer 3 and can act as a holding spring structure, and which can hold the mirror support element so that it can oscillate about one, two or more oscillation and/or torsion axes.
  • the mirror carrier element under the later applied mirror layer 6a, see for example FIG. 13
  • the Holding webs spring structure
  • the spring structure can comprise springs, particularly preferably bending and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis (e.g. torsional vibrations).
  • springs particularly preferably bending and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis (e.g. torsional vibrations).
  • the deep reactive ion etching for patterning the functional layer 3 can be performed, for example, using a photolithography mask.
  • a healing step is carried out at high temperatures essentially greater than or equal to 700 ° C, in particular in order to smooth the side walls of the areas 3a of the functional layer 3 that were deeply etched in step S1104 and to round off corners of the areas 3a of the functional layer 3.
  • the annealing step S1105 may include a step in which the surface of the regions 3a of the functional layer 3 is at temperatures substantially greater than or equal to 700° C., preferably at temperatures substantially greater than or equal to 800° C. (e.g. at approx. 800°C to 1250°C) are oxidized.
  • a sacrificial oxidation can be carried out as a healing step according to S1105.
  • This oxidation can cause the surface effects created during etching (e.g. unevenness, such as formed noses, waves, so-called scallops, as well as any other surface defects such as crystal defects, etching, side wall breakthroughs and atomic defects, etc.) on the side walls of the deeply etched side walls of the Areas 3a of the functional layer 3 are oxidized.
  • the sacrificial oxidation layer can preferably be removed selectively and, in particular, any etching scallops as well as any surface defects (e.g.
  • crystal defects, etching, side wall breakthroughs and atomic defects, etc. can be reduced or eliminated, so that smoothed side walls are formed, even completely Conversion into one completely smooth and/or crystal defect-free sidewall.
  • the rectangular structural corners that were created during the structuring of the functional layer can be rounded off (rounded or rounded structural corners).
  • advantageously smoothed side walls and rounded structural corners of the side walls of the regions 3a of the functional layer 3 remain; see, for example, Fig. 12A (iv).
  • the annealing step S1105 can in some exemplary embodiments (alternatively or in addition to the surface oxidation) also comprise a step in which the surface of the regions 3a of the functional layer 3, for example at temperatures substantially greater than or equal to 1000° C., for example of approximately 1000° C to 1250 ° C, is subjected to a hydrogen annealing step.
  • An example can be after structuring
  • any etching scallops as well as any surface defects can be reduced or eliminated, so that smoothed side walls are formed, up to the complete transformation into a completely smooth and/or crystal defect-free side wall; see e.g. Fig. 12A (iv).
  • the surface effects or surface defects created during etching e.g. side wall breakthroughs and atomic defects, or also formed noses, waves, so-called scallops, etc.
  • the healing step S1105 advantageously smoothed side walls of the areas 3a of the functional layer 3 with rounded corners remain; see e.g. Fig. 12A (iv).
  • the occurrence of fractures in the deflection structures or the spring structure can advantageously be significantly reduced and in particular larger deflection angles or deflection amplitudes can be made possible, at which breaks in the deflection structures or the spring structure would already occur in components manufactured according to the prior art.
  • a dielectric layer 5 is applied by way of example; see also Fig. 12B (v). 12B (v), the dielectric layer 5 is applied, for example, to areas of the piezoelectric layer 4 and further, for example, to areas of the functional layer 3 that are open after the piezoelectric layer 4 has been structured.
  • an electrode layer 6 is applied, for example, to the dielectric layer 5, which was optionally previously opened in areas; see also Fig.12B (vii).
  • the area 5b, which was previously opened in the dielectric layer 5, is also used, in particular to form a Bond pads, and open areas 3a of the trenches of the functional layer 3 are at least partially filled with the material of the electrode layer 6.
  • the electrode layer 6, which is applied on or above the dielectric layer 5, is structured by way of example; see also Fig. 12B (viii).
  • a bond pad 6b is formed with the material of the electrode layer, which provides electrical contact to the top of the functional layer 3.
  • any material of the electrode layer 6 can be removed again from the opened areas 3a of the trenches of the functional layer 3.
  • step S1109 of structuring the electrode layer 6 the desired structure of the upper electrode (top electrode) for the upper electrical contacting of the piezoelectric layer 4 is formed. Furthermore, by way of example, in step S1109 of structuring the electrode layer 6, for example in the middle of the layer structure, according to FIG. 12B (viii), a mirror 6a (mirror layer with a reflective surface) is formed using the material of the electrode layer 6.
  • the electrode layer can comprise metal, in particular aluminum, so that the surface of the electrode layer 6 already has a reflective surface and is suitable for forming the mirror 6a.
  • a non-reflective or a non-metallic electrode layer e.g. doped polycrystalline silicon
  • a further, for example metallic, mirror layer e.g. as a thin-layer metal film, e.g. with a layer thickness of essentially greater than or equal to 100 nm and/or substantially less than or equal to 2000 nm
  • a further, for example metallic, mirror layer e.g. as a thin-layer metal film, e.g. with a layer thickness of essentially greater than or equal to 100 nm and/or substantially less than or equal to 2000 nm
  • the material of the metallic mirror layer can be selected depending on the desired application for the respective wavelength range, in particular with very good reflection behavior in the wavelength range of the desired application, for example aluminum or silver for visible light (e.g. essentially at wavelengths of 400-700 nm ) or gold for infrared light or infrared radiation (e.g. essentially at wavelengths of 850-2000nm).
  • the layer structure is opened at the back, in particular in order to expose the functional layer 3 on the side that is opposite the piezoelectric layer 4; see also Fig. 12C (ix), in which, by way of example, the substrate layer 1 is opened at the back towards the intermediate layer 2, and Fig. 12C (x), in which, by way of example, the intermediate layer 2 is opened at the back towards the functional layer 3.
  • the layer structure produced is provided as an example in a vacuum-packed MEMS device 500 according to FIG. 13.
  • the layer structure was hermetically sealed from above with a translucent cover element 7 (e.g. a translucent dome element or a glass dome) and from below with a base body element 8 under a vacuum atmosphere (e.g. vacuum encapsulation).
  • a translucent cover element 7 e.g. a translucent dome element or a glass dome
  • a base body element 8 under a vacuum atmosphere (e.g. vacuum encapsulation).
  • a vacuum atmosphere e.g. vacuum encapsulation
  • differently shaped cover elements or 3D-shaped cover elements are also possible (e.g. angular or planar).
  • the material of the cover elements is preferably translucent, for example glass or other optically transparent materials (e.g. approx. 400-2500 nm), such as borosilicate glass (e.g. Borofloat® BF33 from SCHOTT).
  • steps S1106 and S1107 in particular can be carried out analogously to steps S304 and S305 and corresponding descriptions of FIG. 3 and the associated exemplary manufacturing sequences can be applicable by way of example.
  • steps S1108 to Sllll in particular can be carried out analogously to steps S308 to S311 and corresponding descriptions of FIG. 3 and the associated exemplary manufacturing sequences can be applicable by way of example.
  • FIG. 13 shows an exemplary sectional view of a MEMS device 500 constructed according to the exemplary manufacturing sequence of FIGS. 12A-12C is made. Consequently, a vacuum-packed MEMS mirror device 500 (eg a MEMS mirror scanner), which comprises the layer structure produced, in particular with piezoelectrically deflectable or controllable mirror 6a, can be provided, the corresponding layer structure or the MEMS device 500 comprising the layer structure , advantageously smoothed or smooth and / or crystal defect-free side walls and rounded corners on the structured areas and trenches of the functional layer, so that breaking limits of the movable or vibrating parts of the functional layer or in particular of the spring structure that is formed in the functional layer are significantly increased and the occurrence of early breaks in the spring structure can be successfully reduced.
  • a vacuum-packed MEMS mirror device 500 eg a MEMS mirror scanner
  • the corresponding layer structure or the MEMS device 500 comprising the layer structure , advantageously smoothed or smooth and / or crystal defect-free side walls and rounded corners on
  • the breaking limits of the movable or vibrating parts of the functional layer or in particular the spring structure formed in the functional layer can be at least doubled, or even increased fivefold or tenfold.
  • the occurrence of fractures in the deflection structures or the spring structure can advantageously be significantly reduced and in particular larger deflection angles or deflection amplitudes can be made possible, at which breaks in the deflection structures or the spring structure would already occur in components manufactured according to the prior art.
  • a layer structure according to exemplary embodiments with structured areas of the piezoelectric layer encapsulated under a high-temperature stable layer e.g. under a dielectric layer
  • a high-temperature stable layer e.g. under a dielectric layer
  • annealing steps such as hydrogen annealing of deeply etched surfaces, e.g. at approx . 1000°C-1250°C, and/or sacrificial oxidation, e.g. at approx. 800°C-1250°C, with etching back of the sacrificial oxide layer
  • less high-temperature stable and/or less chemically resistant materials are used under the encapsulation (e.g.
  • high-temperature stable and/or chemically resistant materials can also be used for the bottom electrode and/or for the piezoelectric layer, so that such healing steps can also take place without encapsulation.
  • a high-temperature annealing step e.g. by hydrogen annealing and/or by sacrificial oxidation according to exemplary embodiments
  • a high-temperature annealing step makes it possible to successfully and advantageously smooth the deeply etched side walls of the structured functional layer in order to avoid the damage during the etching process (e.g. DRIE) caused errors and roughness (e.g Scallops, side wall breakthroughs and atomic defects, etc.) on the surface and also to round off rectangular corners created during etching.
  • DRIE damage during the etching process
  • roughness e.g Scallops, side wall breakthroughs and atomic defects, etc.
  • roughness values of up to 200 nm and generally over 50 nm usually occur on the deeply etched side walls of the structured functional layer, which are caused by annealing according to the above exemplary embodiments (e.g. by hydrogen annealing and/or by sacrificial oxidation according to exemplary embodiments).
  • annealing e.g. by hydrogen annealing and/or by sacrificial oxidation according to exemplary embodiments
  • the 90° Corners on the deeply etched side walls of the structured functional layer are rounded off (finite corner radius).
  • this advantageously leads to a significantly increased stability or fracture stability of the movable elements of the MEMS device and in particular of the spring structure, which is formed from the functional layer, with increased fracture limits, whereby premature breaks of the spring structure or breaks of the spring structure at low deflection angles are avoided can be.
  • the breaking limits of the movable or vibrating parts of the functional layer or in particular of the spring structure formed in the functional layer can be at least doubled, or even increased fivefold or tenfold.
  • components are manufactured without healed side walls (i.e.
  • the occurrence of fractures in the deflection structures or the spring structure can advantageously be significantly reduced and in particular larger deflection angles or deflection amplitudes can be made possible, at which breaks in the deflection structures or the spring structure would already occur in components manufactured according to the prior art.
  • the layer structure according to exemplary embodiments with advantageously smoothed side walls of the areas 3a of the functional layer 3 with rounded corners has increased resilience and stability or fracture stability. It could be proven that the layers of the layer structure, including the Functional layer 3 with advantageously smoothed side walls and rounded corners lead to the functional layer having improved breaking limits.
  • the original fracture behavior e.g. of silicon
  • the original fracture behavior e.g. of silicon
  • a high elastic modulus value >160 GPa
  • a high hardness ⁇ 10 GPa
  • the higher mechanical breaking limits of the layer structure of the MEMS device advantageously make it possible to increase larger deflection amplitudes of the movable elements (e.g. scanning amplitudes of the oscillating mirror surface).
  • this in turn has an advantage that the MEMS devices according to exemplary embodiments can be dimensioned differently or smaller, i.e. with a more compact design, which in turn enables significant cost savings.
  • higher stress values can advantageously be permitted in the springs, which, according to further exemplary embodiments, advantageously makes it possible to use shortened springs. This means, for example, that with the chip size remaining the same, more space is advantageously available for the mirror plate, so that larger mirror plates can be made possible, whereby higher optical resolutions can be provided.

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung, einen Schichtaufbau, der mittels des Verfahrens hergestellt ist, und eine MEMS-Vorrichtung 200 (300, 400, 500), die den Schichtaufbau umfasst. Für den Schichtaufbau wird im Herstellungsprozess beispielhaft nach dem Strukturieren der Funktionsschicht (3) ein Hochtemperatur-Ausheilungsschritt vorgesehen. Die strukturierten Bereiche und Gräben der Funktionsschicht (3) und insbesondere die Federstruktur, die in der Funktionsschicht (3) ausgebildet ist, weisen nach dem Ausheilungsschritt in Bereichen (3a) geglättete Seitenwände und/oder abgerundete Ecken auf, so dass deren Bruchgrenzen so erhöht werden können und frühzeitige Brüche der Funktionsschicht (3) im Betrieb der MEMS- Vorrichtung 200 (300, 400, 500) vorteilhaft vermieden werden können.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES SCHICHTAUFBAUS FÜR EINE MEMS-VORRICHTUNG UND MEMS-VORRICHTUNG MIT EINEM DERARTIGEN SCHICHTAUFBAU
Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung, einen Schichtaufbau, der mittels des Verfahrens hergestellt ist, und eine MEMS-Vorrichtung, die den Schichtaufbau umfasst.
Hintergrund
Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS- Vorrichtung sowie eine gattungsgemäße MEMS-Vorrichtung, die den Schichtaufbau umfasst, ist beispielsweise aus der US 2009/0185253 Al bekannt.
Bei den im Stand der Technik üblichen Verfahren wird bei der Strukturierung einer mechanisch wirksamen Funktionsschicht (engl. oftmals als Device Layer bezeichnet) des Schichtaufbaus des MEMS (Mikro-Elektro-Mechanisches System, engl. Micro-Electro- Mechanical System) üblicherweise das sogenannte Hochratenätzen bzw. reaktive lonentiefenätzen (engl. Deep Reactive Ion Etching bzw. kurz DRIE) angewendet, um die tiefen Gräben (engl. Trenches) in der Funktionsschicht auszubilden, insbesondere beispielsweise, um die beweglichen bzw. schwingenden Körper und die entsprechende Federstruktur, die die beweglichen bzw. schwingenden Körper hält, in der Funktionsschicht auszubilden bzw. herauszuarbeiten. Dies wird auf dem Gebiet der Herstellung von MEMS-Vorrichtungen manchmal auch als sog. Bosch-Prozess bezeichnet, da es auf einem von der Firma Bosch in den 1990er Jahren entwickelten Verfahren basiert.
Hierbei treten bei Anwendung derartiger Trockenätzverfahren zur Strukturierung der beweglichen bzw. schwingenden Körper und der Federstruktur, die die beweglichen bzw. schwingenden Körper hält, in der Funktionsschicht prozessbedingt an den geätzten Seitenwänden in den strukturierten Bereichen der Funktionsschicht Schädigungen bzw. Unebenheiten auf, insbesondere sog. Scallops (d.h. z.B. oberflächige Wellungen, oberflächige Nasenstrukturen, etc.). Zudem verursacht die Maske, die zur Strukturierung verwendet wird, eine direkte Übertragung in das Material der Funktionsschicht (meist Silizium) und daher weisen die erzeugten Strukturen meist rechtwinklige Ecken auf.
An den Stellen der Oberflächenschädigungen (z.B. sog. Scallops, Notches, Seitenwanddurchbrüche und atomare Defekte etc.) an den Seitenwänden der Gräben (engl. Trenches) der strukturierten Funktionsschicht und an den ausgebildeten rechtwinkligen Ecken treten bei den resonanten Schwingungen hohe Spannungen im MEMS-Aufbau auf, die nachteilig zu frühzeitigen Brüchen an Strukturen der Funktionsschicht führen können.
Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Nachteile ist es ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung bereitzustellen, insbesondere um MEMS-Vorrichtung, die den Schichtaufbau umfasst, mit höheren mechanischen Bruchgrenzen der mechanisch wirkenden Bestandteile des Schichtaufbaus bzw. niedrigerer Bruchanfälligkeit bereitstellen zu können.
Zusammenfassung
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung, einen Schichtaufbau, der mittels des Verfahrens hergestellt ist, und eine MEMS-Vorrichtung, die den Schichtaufbau umfasst, insbesondere eine vakuumgepackte MEMS-Spiegelvorrichtung.
Insbesondere werden zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung und ein Schichtaufbau, der mittels des Verfahrens hergestellt ist, gemäß den unabhängigen Ansprüchen sowie eine MEMS- Vorrichtung, die den Schichtaufbau umfasst, insbesondere eine vakuumgepackte MEMS- Spiegelvorrichtung, vorgeschlagen. Die abhängigen Ansprüche betreffen einige beispielhafte bevorzugte Ausführungsformen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird in einigen Ausführungsbeispielen ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung, insbesondere eine MEMS- Spiegelvorrichtung bzw. eine vakuumgepackte MEMS-Spiegelvorrichtung, vorgeschlagen, umfassend: Bereitstellen eines Schichtaufbaus, der eine Substratschicht und/oder eine Funktionsschicht umfasst; Aufbringen einer piezoelektrischen Schicht, z.B. auf und/oder über der Funktionsschicht, insbesondere auf einer der Substratschicht gegenüberliegenden Seite der Funktionsschicht, d.h. insbesondere bevorzugt auf einer der Substratschicht gegenüberliegenden Seite der Funktionsschicht; und/oder Strukturieren der piezoelektrischen Schicht, insbesondere zum Ausbilden von strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht.
In einigen Ausführungsbeispielen kann zwischen der Funktionsschicht und der piezoelektrischen Schicht noch eine Elektrodenschicht (Bodenelektrodenschicht) vorgesehen sein, die eine die piezoelektrische Schicht von unten elektrisch kontaktierende Bodenelektrode, z.B. aus Metall (z.B. Molybdän), ausbilden kann. In derartigen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren vor Aufbringen der piezoelektrischen Schicht noch ein Aufbringen einer Elektrodenschicht auf der Funktionsschicht umfassen, wobei die piezoelektrische Schicht auf der Elektrodenschicht aufgebracht werden kann. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Funktionsschicht (z.B. in dotierten Bereichen) zumindest teilweise elektrisch leitend ausgebildet sein, so dass die Funktionsschicht zumindest teilweise eine Bodenelektrode für die piezoelektrische Schicht bereitstellen kann.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Verfahren ein Strukturieren der Funktionsschicht umfassen, insbesondere bevorzugt zum Ausbilden von strukturierten Bereichen und/oder Gräben (d.h. z.B. die strukturierten Bereiche umgebende Gräben) in der Funktionsschicht, insbesondere vorzugsweise gegebenenfalls mittels Hochratenätzen bzw. reaktivem lonentiefenätzen (engl. Deep Reactive Ion Etching bzw. kurz DRIE).
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Verfahren vorzugsweise weiterhin ein Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht bzw. von Gräben in den strukturierten Bereichen umfassen (z.B. insbesondere vorzugsweise zur zumindest teilweisen Glättung von Seitenwänden der Gräben in der Funktionsschicht und/oder zur Abrundung von Ecken der Gräben in der Funktionsschicht), vorzugsweise bei Temperaturen im Wesentlichen größer oder gleich 700°C.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht zur zumindest teilweisen Glättung von Seitenwänden der Gräben in der Funktionsschicht und/oder zur Abrundung von Ecken der Gräben in der Funktionsschicht ausgeführt werden.
Unter Glättung von Seitenwänden der Gräben in den strukturierten Bereichen der Funktionsschicht ist hierbei insbesondere zu verstehen, dass die Unebenheiten und/oder Oberflächeneffekte bzw. -defekte, die an den Seitenwänden bei dem Strukturieren der Funktionsschicht prozessbedingt entstehen, verringert werden, so dass relativ zum Zustand der Seitenwandoberflächen nach dem Strukturieren der Funktionsschicht gesehen nach dem Ausheilen glattere Seitenwandoberflächen vorliegen, bis hin zu einer möglicherweise vollständig glatten und/oder kristallfehlerfreien Seitenwand. Bevorzugt können die Seitenwandoberflächen nach dem Ausheilen eine Rauigkeit im Wesentlichen kleiner oder gleich 50nm haben, bevorzugt insbesondere eine Rauigkeit im Wesentlichen kleiner oder gleich 30nm und besonders bevorzugt insbesondere eine Rauigkeit im Wesentlichen kleiner oder gleich lOnm.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht bevorzugt bei Temperaturen im Wesentlichen größer oder gleich 800°C ausgeführt werden. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht bei Temperaturen im Wesentlichen kleiner oder gleich 1400°C ausgeführt werden, insbesondere vorzugsweise bei Temperaturen im Wesentlichen kleiner oder gleich 1350°C, insbesondere bevorzugt bei Temperaturen im Wesentlichen kleiner oder gleich 1250°C oder im Wesentlichen kleiner oder gleich 1200°C.
Bevorzugt sollten in einigen Ausführungsbeispielen die Temperaturen im Ausheilungsschritt bzw. bevorzugt im gesamten Herstellungsverfahren 1400°C, insbesondere bevorzugt 1350°C, nicht überschreiten, da der Schmelzpunkt von Silizium bei ca. 1410°C liegt, da die Substratschicht und/oder die Funktionsschicht typischerweise Silizium umfassen kann.
Hierbei ermöglicht die Integration eines Hochtemperatur-Ausheilungsschritts gemäß Ausführungsbeispielen (z.B. durch Wasserstoff-Annealing und/oder durch eine Opferoxidation gemäß Ausführungsbeispielen) es erfolgreich vorteilhaft, etwaige strukturierte bzw. ggf. tiefengeätzten Seitenwände der strukturierten Funktionsschicht zumindest teilweise zu glätten, um etwaige bei dem Ätzprozess (z.B. DRIE) entstandene Fehler und Rauigkeiten (z.B. oberflächige Scallops, oberflächige Nasenstrukturen, oberflächige Wellungen, Seitenwanddurchbrüche und atomare Defekte, etc.) an der Oberfläche der Seitenwände abzuglätten und/oder auch etwaige beim Ätzen entstandene rechtwinklige Ecken abzurunden.
Dies führt gemäß Ausführungsbeispielen vorteilhaft zu einer signifikant erhöhten Stabilität bzw. Bruchstabilität der beweglichen Elemente des Schichtaufbaus und/oder der MEMS-Vorrichtung, die einen derartigen Schichtaufbau umfasst, mit höheren Bruchgrenzen und insbesondere der aus der Funktionsschicht herausgebildeten Federstruktur mit erhöhten Bruchgrenzen, wodurch insgesamt frühzeitige Brüche vermieden werden können. Im Vergleich zu Verfahren im Stand der Technik ohne Ausheilungsschritt können gemäß Ausführungsbeispielen mit Ausheilungsschritt die Bruchgrenzen der beweglichen bzw. schwingenden Teile der Funktionsschicht bzw. insbesondere der in der Funktionsschicht ausgebildeten Federstruktur mindestens verdoppelt werden, bzw. sogar verfünffacht bzw. verzehnfacht werden. Im Vergleich zum Stand der Technik, d.h. wenn Bauteile ohne ausgeheilte Seitenwände (d.h. insbesondere ohne geglättete Seitenwände und/oder ohne abgerundete Ecken) gefertigt werden, bei denen Brüche insbesondere bereits bei kleineren Auslenkwinkeln bzw. Auslenkamplituden auftreten können, kann das Auftreten von Brüchen der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur vorteilhaft signifikant reduziert werden und insbesondere können auch größere Auslenkwinkel bzw. Auslenkamplituden ermöglicht werden, bei denen bei gemäß Stand der Technik gefertigten Bauteilen bereits Brüche der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur auftreten würden.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht vorzugsweise ein Wasserstoff-Annealing umfassen, insbesondere vorzugsweise bei Temperaturen von im Wesentlichen größer oder gleich 900°C und/oder im Wesentlichen kleiner oder gleich 1350°C, insbesondere bevorzugt bei Temperaturen von im Wesentlichen größer oder gleich 1000°C und/oder im Wesentlichen kleiner oder gleich 1250°C (oder beispielhaft im Wesentlichen kleiner oder gleich 1200°C).
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht vorzugsweise ein Oxidieren von Seitenwänden der Gräben in der Funktionsschicht umfassen, vorzugsweise bei Temperaturen von im Wesentlichen größer oder gleich 700°C, insbesondere bei im Wesentlichen größer oder gleich 800°C, und/oder bei im Wesentlichen kleiner oder gleich 1250°C (oder beispielhaft im Wesentlichen kleiner oder gleich 1200°C).
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht vorzugsweise weiterhin ein Abtragen einer auf Seitenwänden der Gräben in der Funktionsschicht gebildeten Oxidationsschicht umfassen, z.B. insbesondere Abtragen einer Oxidationsschicht, die auf Seitenwänden der Gräben in der Funktionsschicht gebildet ist, insbesondere bevorzugt durch Ätzen (z.B. Rückätzen der Opferoxidationsschicht).
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Verfahren vorzugsweise weiterhin umfassen: Aufbringen einer Elektrodenschicht vorzugsweise nach dem Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht zum Ausbilden einer Elektrodenstruktur für die strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht und/oder zum Ausbilden eines Spiegels und/oder einer Spiegelschicht auf einem oder mehreren strukturierten Bereichen der Funktionsschicht.
Die Elektrodenschicht kann in einigen Ausführungsbeispielen als Topelektrode der piezoelektrischen Schicht dienen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Elektrodenschicht auch als Umverdrahtung (Routing) und/oder als Bondpad (z.B. zur elektrischen Verbindung an eine Bodenelektrode) verwendet werden.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Verfahren vorzugsweise umfassen: Aufbringen einer hochtemperaturstabilen Elektrodenschicht vorzugsweise vor dem Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht zum Ausbilden einer Elektrodenstruktur für die strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht.
Die hochtemperaturstabile Elektrodenschicht kann in einigen Ausführungsbeispielen als Topelektrode der piezoelektrischen Schicht dienen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die hochtemperaturstabile Elektrodenschicht auch als Umverdrahtung (Routing) und/oder als Bondpad (z.B. zur elektrischen Verbindung an eine Bodenelektrode) verwendet werden.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Material der Elektrodenschicht bzw. der hochtemperaturstabilen Elektrodenschicht ein elektrisch leitfähig dotiertes Silizium, insbesondere dotiertes polykristallines Silizium, umfassen.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Material der Elektrodenschicht bzw. hochtemperaturstabilen Elektrodenschicht ein hochtemperaturstabiles Metall, eine hochtemperaturstabile Metalllegierung oder Metallverbindung, insbesondere bevorzugt ein hochschmelzendes Metall, insbesondere bevorzugt Platin, Molybdän (Schmelzpunkt bei ca. 2623°C) und/oder eine hochtemperaturstabile Molybdänlegierung und/oder Molybdänverbindung, Wolfram (Schmelzpunkt bei ca. 3422°C) und/oder eine hochtemperaturstabile Wolframlegierung und/oder Wolframverbindung, insbesondere Wolframtitan und/oder Wolframcarbid, umfassen.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Verfahren vorzugsweise weiterhin umfassen: Aufbringen einer weiteren Schicht vorzugsweise nach dem Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht zum Ausbilden eines Spiegels und/oder einer Spiegelschicht auf einem oder mehreren strukturierten Bereichen der Funktionsschicht. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Verfahren vorzugsweise weiterhin umfassen: Aufbringen einer dielektrischen Schicht, insbesondere zumindest auf den strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Aufbringen der dielektrischen Schicht nach Aufbringen und/oder Strukturieren der piezoelektrischen Schicht erfolgen. In derartigen Ausführungsbeispielen kann das Aufbringen der dielektrischen Schicht bevorzugt vor dem Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht erfolgen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Aufbringen der dielektrischen Schicht auch nach dem Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht erfolgen.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen können die strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht vorzugsweise zwischen der Funktionsschicht und der auf die strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht aufgebrachten dielektrischen Schicht eingekapselt sein bzw. werden, insbesondere bevorzugt wenn das Aufbringen der dielektrischen Schicht vor dem Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht erfolgt.
Vorteilhaft wurde hierbei erkannt, dass die Bereitstellung eines Schichtaufbaus gemäß Ausführungsbeispielen mit unter einer hochtemperaturstabilen Schicht (z.B. unter einer dielektrischen Schicht) eingekapselten, strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht die Integration von einem oder mehreren Hochtemperatur-Ausheilungsschritten (wie z.B. Wasserstoff-Annealing von tiefengeätzten Oberflächen (z.B. bei ca. 1000°C-1250°C) und/oder Opferoxidation, z.B. bei ca. 800°C-1250°C, mit Rückätzung der Opferoxidschicht) verbessert ermöglicht werden kann, insbesondere auch mit weniger hochtemperaturstabilen piezoelektrischen Materialien und insbesondere auch mit weniger chemisch widerstandsfähigen piezoelektrischen Materialien, die durch die Einkapselung von aggressiven Medien, wie z.B. Sauerstoff (z.B. in einem Ausheilungsschritt mit Opferoxidation) und/oder Wasserstoff (z.B. in einem Ausheilungsschritt mit Wasserstoff-Annealing), geschützt werden können.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Verfahren vorzugsweise folglich weiterhin umfassen: Aufbringen einer dielektrischen Schicht zumindest auf den strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht, vor dem Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht und insbesondere bevorzugt vor Aufbringen einer Elektrodenschicht, vorzugsweise derart, dass die strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht zwischen der Funktionsschicht und der auf die strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht aufgebrachten dielektrischen Schicht eingekapselt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die piezoelektrische Schicht in einigen Ausführungsbeispielen auch durch Einkapseln unter der Elektrodenschicht aus hochtemperaturstabilem Material bzw. hochtemperaturstabilem Metall (siehe Ausführungen mit beispielhafter hochtemperaturstabiler Elektrodenschicht) geschützt werden.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen können die strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht vorzugsweise zwischen der Funktionsschicht und der auf die strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht aufgebrachten hochtemperaturstabilen Elektrodenschicht (optional mit dazwischenliegender oder bereichsweise dazwischenliegender dielektrischer Schicht) eingekapselt sein bzw. werden, insbesondere bevorzugt wenn das Aufbringen der hochtemperaturstabilen Elektrodenschicht vor dem Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht erfolgt.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Verfahren vorzugsweise folglich weiterhin umfassen: Aufbringen und/oder Strukturieren der hochtemperaturstabilen Elektrodenschicht, insbesondere bevorzugt vor dem Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht, vorzugsweise derart, dass die strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht zwischen der Funktionsschicht und der aufgebrachten hochtemperaturstabilen Elektrodenschicht (optional mit dazwischenliegender oder bereichsweise dazwischenliegender dielektrischer Schicht) eingekapselt werden.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Verfahren vorzugsweise weiterhin umfassen: Strukturieren und/oder Öffnen von Bereichen der dielektrischen Schicht vorzugsweise während oder vor dem Strukturieren der Funktionsschicht, insbesondere vorzugsweise derart, dass die strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht zwischen der Funktionsschicht und der auf die strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht aufgebrachten dielektrischen Schicht eingekapselt verbleiben.
In Ausführungsbeispielen, in denen die der piezoelektrischen Schicht eingekapselt wird bzw. ist, kann das Material der piezoelektrischen Schicht ein ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfassen, insbesondere bevorzugt Aluminiumnitrid (AIN), Aluminium-Scandium- Nitrid (AlScN), Bleizirkonat-Titanat (PZT) und/oder Niob dotiertes PZT (PZT-Nb).
In einigen anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Verfahren vorzugsweise weiterhin umfassen: Aufbringen einer dielektrischen Schicht zumindest auf den strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht nach dem Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Verfahren vorzugsweise weiterhin umfassen: Strukturieren und/oder Öffnen von Bereichen der dielektrischen Schicht.
In derartigen Ausführungsbeispielen kann das Material der piezoelektrischen Schicht ein hochtemperaturstablies ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfassen, insbesondere bevorzugt Aluminiumnitrid (AIN) und/oder Aluminium-Scandium-Nitrid (AlScN).
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen können die strukturierten Bereiche der Funktionsschicht ein oder mehrere bewegliche Elemente, die vorzugsweise in der Funktionsschicht ausgebildet sind, und/oder eine Federstruktur, die vorzugsweise in der Funktionsschicht ausgebildet ist, umfassen, wobei die Federstruktur insbesondere bevorzugt die einen oder mehreren beweglichen Elemente halten kann.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen können die einen oder mehreren bewegliche Elemente der strukturierten Bereiche der Funktionsschicht ein Spiegelträgerelement umfassen, wobei der Spiegel bevorzugt auf dem Spiegelträgerelement angeordnet sein kann.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Federstruktur der strukturierten Bereiche der Funktionsschicht das Spiegelträgerelement mit Spiegel halten. Die Federstruktur in der Funktionsschicht kann vorzugsweise derart ausgebildet sein, dass das Spiegelträgerelement mit Spiegel um eine oder zwei Achsen, insbesondere Schwing- und/oder Torsionsachsen, schwingbar gehalten wird, insbesondere bevorzugt für eine zweidimensionale Lissajous-Scanbewegung des Spiegelträgerelements mit Spiegel.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die Federstruktur Federn, insbesondere bevorzugt Biege- und/oder Torsionsfedern, umfassen, die bevorzugt dazu ausgelegt sind, das Spiegelträgerelement derart zu halten, dass das Spiegelträgerelement um die jeweilige Schwing- und/oder Torsionsachse eine schwingende Rotationsbewegung um die entsprechende Achse (z.B. Torsionsschwingungen) ausführen kann.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Strukturieren der Funktionsschicht ein Hochratenätzen und/oder reaktives lonentiefenätzen umfassen. Gemäß einem zweiten Aspekt wird in einigen Ausführungsbeispielen weiterhin ein mittels des Verfahrens gemäß zumindest einem der vorstehenden Ausführungsbeispiele hergestellter Schichtaufbau vorgeschlagen.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der Schichtaufbau umfassen: eine Substratschicht, eine strukturierte Funktionsschicht, eine strukturierte piezoelektrische Schicht vorzugsweise auf einer Seite der Funktionsschicht, die der Substratschicht gegenüberliegt, d.h. insbesondere auf einer der Substratschicht gegenüberliegenden Seite der Funktionsschicht, und/oder eine dielektrische Schicht vorzugsweise zumindest auf den strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen können die strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht vorzugsweise zwischen der Funktionsschicht und der vorzugsweise auf die strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht aufgebrachten dielektrischen Schicht eingekapselt sein.
In einigen Ausführungsbeispielen kann zwischen der Funktionsschicht und der piezoelektrischen Schicht noch eine Elektrodenschicht vorgesehen sein, die eine die piezoelektrische Schicht von unten elektrisch kontaktierende Bodenelektrode, z.B. aus Metall (z.B. Molybdän), ausbilden kann.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen können bevorzugt Gräben in der Funktionsschicht in strukturierten Bereichen der Funktionsschicht ausgeheilt sein, insbesondere an Seitenwänden der Gräben und insbesondere bevorzugt geglättete Seitenwände und/oder abgerundete Ecken haben.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen können Gräben in der Funktionsschicht in strukturierten Bereichen der Funktionsschicht vorzugsweise geglättete Seitenwände und/oder abgerundete Ecken haben und/oder die Seitenwände und/oder strukturierte Bereiche der Funktionsschicht können abgerundete Ecken haben.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann eine Oberflächenrauigkeit von Seitenwänden der Gräben in der Funktionsschicht in strukturierten Bereichen der Funktionsschicht im Wesentlichen kleiner oder gleich 50nm sein, insbesondere im Wesentlichen kleiner oder gleich 30nm, insbesondere bevorzugt kleiner oder gleich lOnm
Gemäß einem dritten Aspekt wird in einigen Ausführungsbeispielen weiterhin eine MEMS-Vorrichtung, insbesondere MEMS-Spiegelvorrichtung bzw. vakuumgepackte MEMS- Spiegelvorrichtung, umfassend einen mittels des Verfahrens gemäß zumindest einem der vorstehenden Ausführungsbeispiele hergestellten Schichtaufbau vorgeschlagen. Weitere Aspekte und Ausführungsbeispiele als auch Vorteile und speziellere Ausführungsmöglichkeiten der vorstehend beschriebenen Aspekte und Merkmale können weiterhin den folgenden, jedoch in keinster Weise einschränkend aufzufassenden Beschreibungen und Erläuterungen zu den angehängten Figuren entnommen werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
Fig. 1 zeigt ein beispielhaftes FLussdiagram eines Verfahrens zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung gemäß einem Hintergrundbeispiel,
Figs. 2A-2C zeigen beispielhafte Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus während des Herstellungsverfahrens gemäß einer beispielhaften Herstellungsabfolge auf Grundlage des Verfahrens gemäß Fig. 1,
Fig. 3 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagram eines Verfahrens zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung,
Figs. 4A-4B zeigen beispielhafte Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus während des Herstellungsverfahrens gemäß einer beispielhaften Herstellungsabfolge auf Grundlage des Verfahrens gemäß Fig. 3,
Fig. 5 zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung einer gemäß der beispielhaften Herstellungsabfolge der Figs.4A-4B hergestellten MEMS-Vorrichtung,
Figs. 6A-6B zeigen beispielhafte Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus während des Herstellungsverfahrens gemäß einer weiteren beispielhaften Herstellungsabfolge auf Grundlage des Verfahrens gemäß Fig. 3,
Fig. 7 zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung einer gemäß der beispielhaften Herstellungsabfolge der Figs. 6A-6B hergestellten MEMS-Vorrichtung,
Fig. 8 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagram eines Verfahrens zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung,
Figs. 9A-9B zeigen beispielhafte Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus während des Herstellungsverfahrens gemäß einer beispielhaften Herstellungsabfolge auf Grundlage des Verfahrens gemäß Fig. 8, Fig. 10 zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung einer gemäß der beispielhaften Herstellungsabfolge der Figs. 9A-9B hergestellten MEMS-Vorrichtung,
Fig. 11 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagram eines Verfahrens zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung,
Figs. 12A-12B zeigen beispielhafte Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus während des Herstellungsverfahrens gemäß einer beispielhaften Herstellungsabfolge auf Grundlage des Verfahrens gemäß Fig. 11, und
Fig. 13 zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung einer gemäß der beispielhaften Herstellungsabfolge der Figs. 12A-12C hergestellten MEMS-Vorrichtung.
Detaillierte Beschreibung der Figuren und bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden Beispiele bzw. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Gleiche bzw. ähnliche Elemente in den Figuren können hierbei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein, manchmal allerdings auch mit unterschiedlichen Bezugszeichen.
Es sei hervorgehoben, dass die Gegenstände der vorliegenden Offenbarung jedoch in keinster Weise auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale begrenzt bzw. eingeschränkt sind, sondern weiterhin Modifikationen der Ausführungsbeispiele umfasst, insbesondere diejenigen, die durch Modifikationen der Merkmale der beschriebenen Beispiele bzw. durch Kombination einzelner oder mehrerer der Merkmale der beschriebenen Beispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche umfasst sind.
Hinsichtlich der in dieser Offenbarung verwendeten Begrifflichkeiten sei vermerkt, dass im Folgenden teils von „hochtemperaturstabilen" Materialien bzw. von einer Materialeigenschaft „hochtemperaturstabil" die Rede ist. Im Sinne der vorliegenden Offenbarung soll mit dem Begriff „hochtemperaturstabiles" Material bzw. der Materialeigenschaft „hochtemperaturstabil" ausgedrückt sein, dass derartige Materialien Temperaturen größer oder gleich im Wesentlichen 1200°C, insbesondere bevorzugt größer oder gleich im Wesentlichen 1250°C oder im Wesentlichen größer 1250°C, standhalten und insbesondere einen Schmelzpunkt größer oder gleich im Wesentlichen 1200°C, insbesondere größer oder gleich im Wesentlichen 1250°C oder im Wesentlichen größer 1250°C, insbesondere bevorzugt größer oder gleich im Wesentlichen 1400°C, haben.
Zunächst wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und Figs. 2A-2C ein Hintergrundbeispiel beschrieben, dass das Verständnis der darauffolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele und der Vorteile erleichtern soll. Bei dem den Fig. 1 und Figs. 2A-2C zugrundeliegenden Verfahren handelt es sich jedoch nicht um tatsächlich bereits öffentlich bekannten Stand der Technik. Ein gattungsgemäßes Verfahren aus dem Stand der Technik kann beispielsweise in US 2009/0185253 Al nachgelesen werden.
Auch wenn die folgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und Figs. 2A-2C sich auf ein Hintergrundbeispiel bezieht, so können dennoch etwaig beschriebene technische Details und/oder Merkmale des Verfahrens, der Herstellungsabfolge, des Schichtaufbaus und insbesondere zu einzelnen Schritten und/oder Schichten des Schichtaufbaus und/oder zu deren möglichen Materialien auch entsprechende Details und/oder Merkmale der darauffolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen, es sei denn es wird explizit auf einen Unterschied hingewiesen.
Insbesondere ist zu beachten, dass die Schritte S101 bis S104 der Fig. 1 als auch die Herstellungsabfolge (i) bis (iv) der Fig. 2A und deren Beschreibung stets für die Ausführungsbeispiele der Figs. 3 bis 10 heranzuziehen sind und die Schritte S101 bis S103 der Fig. 1 als auch die Herstellungsabfolge (i) bis (iii) der Fig. 2A und deren Beschreibung auch für die Ausführungsbeispiele der Figs. 11 bis 13 heranzuziehen sind.
Fig. 1 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagram eines Verfahrens zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung gemäß einem Hintergrundbeispiel und Figs. 2A-2C zeigen beispielhafte Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus während des Herstellungsverfahrens gemäß einer beispielhaften Herstellungsabfolge auf Grundlage des Verfahrens gemäß Fig. 1.
Bezugnehmend auf Fig. 1 wird in einem beispielhaften Schritt S101 ein Schichtaufbau bereitgestellt, der eine Substratschicht 1 und eine Funktionsschicht 3 (engl. oftmals als Device Layer bezeichnet) umfasst. Ein entsprechender beispielhafter Schichtaufbau liegt auch dem in Fig. 2A (i) gezeigten Schichtaufbau zugrunde. Der Schichtaufbau gemäß Fig. 2A (i) umfasst beispielhaft eine Zwischenschicht 2 (z.B. eine Passivierungsschicht), die beispielhaft zwischen der Substratschicht 1 und der Funktionsschicht 3 angeordnet ist, wobei auf der Zwischenschicht 2 beispielhaft die Funktionsschicht 3 ausgebildet ist. In einem beispielhaften Schritt S102 des Verfahrens gemäß Fig. 1 wird eine piezoelektrische Schicht 4 auf der Funktionsschicht 3 aufgebracht. Der Schichtaufbau gemäß Fig. 2A (i) umfasst gemäß den Schritten S101 und S102 somit beispielhaft eine piezoelektrische Schicht 4, die auf der Funktionsschicht 3 ausgebildet ist, wobei die piezoelektrische Schicht 4 beispielhaft im Schritt S102 gemäß Fig. 1 auf den Schichtaufbau über der Funktionsschicht 3 aufgebracht wird.
In einem weiteren beispielhaften Schritt S103 des Verfahrens gemäß Fig. 1 wird beispielhaft die piezoelektrische Schicht 4, die auf bzw. über der Funktionsschicht 3 aufgebracht ist, strukturiert; siehe auch Fig. 2A (ii).
In einem weiteren beispielhaften Schritt S104 des Verfahrens gemäß Fig. 1 wird beispielhaft eine dielektrische Schicht 5 aufgebracht; siehe auch Fig. 2A (iii). Die dielektrische Schicht 5 wird gemäß Fig. 2A (iii) beispielhaft auf Bereichen der piezoelektrischen Schicht 4 aufgebracht und wird weiterhin beispielhaft auf Bereichen der Funktionsschicht 3 aufgebracht, die nach Strukturierung der piezoelektrischen Schicht 4 offenen sind.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die aufgebrachte dielektrische Schicht 5 in ausgewählten Bereichen geöffnet werden. Gemäß Fig. 2A (iv) ist beispielsweise im Bereich 5b die dielektrische Schicht 5 zur Funktionsschicht 3 hin geöffnet, insbesondere vor Aufbringen einer Elektrodenschicht (siehe weiter unten), um einen für ein späteres Bondpad vorgesehenen Bereich 5b bereitzustellen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die vorstehenden Aspekte und Merkmale des Hintergrundbeispiels analog auch die anfänglichen Herstellungsschritte der später beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen. Insbesondere beginnen sämtliche später beschriebenen Ausführungsbeispiele der Herstellungsabfolgen gemäß Figs. 4A, 6A und 9A bereits mit einem beispielhaften Schritt (iv), dem ein oder mehrere der Schritte (i) bis (iv) gemäß Fig. 2A vorangegangen sein können.
Wieder bezugnehmend auf Fig. 1 wird in einem weiteren beispielhaften Schritt S105 des Verfahrens beispielhaft eine Elektrodenschicht 6 auf der dielektrischen Schicht 5 aufgebracht, die optional zuvor in Bereichen geöffnet worden sein kann (z.B. geöffneter Bereich 5b für ein späteres Bondpad); siehe auch Fig. 2A (v). Hierbei wird bei dem Aufbringen der Elektrodenschicht 6 beispielhaft auch der zuvor in der dielektrischen Schicht 5 geöffnete Bereich 5b mit dem Material der Elektrodenschicht 6 gefüllt, zur Ausbildung eines Bondpads. In einem weiteren beispielhaften Schritt S106 des Verfahrens gemäß Fig. 1 wird beispielhaft die ELektrodenschicht 6, die auf bzw. über der dielektrischen Schicht 5 aufgebracht ist, strukturiert; siehe auch Fig. 2A (vi). Hierbei wird beispielhaft in dem Bereich 5b, der in der dielektrischen Schicht 5 geöffnet wurde, mit dem Material der Elektrodenschicht 6 ein Bondpad 6b ausgebildet, das einen elektrischen Kontakt zu der Oberseite der Funktionsschicht 3 (und/oder in Ausführungsbeispielen zu einer Bodenelektrode, die mit der Unterseite der strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4 elektrisch verbunden sein kann) bereitstellt.
Im beispielhaften Schritt S106 des Strukturierens der Elektrodenschicht 6 wird die gewünschte Struktur der oben liegenden Elektrode (Topelektrode) für die obere elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Schicht 4 ausgebildet. Weiterhin wird beispielhaft im Schritt S106 des Strukturierens der Elektrodenschicht 6 in der Mitte des Schichtaufbaus gemäß Fig. 2A (vi) mittels des Materials der Elektrodenschicht 6 ein Spiegel 6a (Spiegelschicht mit reflektierender Oberfläche) ausgebildet.
In derartigen Beispielen kann z.B. die Elektrodenschicht Metall, insbesondere Aluminium, umfassen, so dass die Oberfläche der Elektrodenschicht 6 bereits eine reflektierende Oberfläche hat und zur Ausbildung des Spiegels 6a geeignet ist. In weiteren Beispielen ist es möglich, eine nicht-reflektierende bzw. eine nicht-metallische Elektrodenschicht vorzusehen (z.B. dotiertes polykristallines Silizium), wobei dann eine weitere, beispielsweise metallische Spiegelschicht (z.B. als dünnschichtiger Metallfilm, z.B. mit einer Schichtdicke von im Wesentlichen größer oder gleich 100 nm und/oder im Wesentlichen kleiner oder gleich 2000 nm) im Bereich der Schicht 6a aufgebracht werden kann.
In einem weiteren beispielhaften Schritt S107 des Verfahrens gemäß Fig. 1 wird beispielhaft die dielektrischen Schicht 5 in Bereichen 5a zur Funktionsschicht 3 hin geöffnet, siehe auch Fig. 2B (vii). Dies sind insbesondere zu öffnende Bereiche 5a der dielektrischen Schicht 5, in denen die darunter Liegende Funktionsschicht 3 zur Ausbildung der mechanisch wirksamen Strukturen der MEMS-Vorrichtung strukturiert wird.
Unter „mechanisch wirksam" ist hier in Bezug auf ein MEMS insbesondere zu verstehen, dass die mechanisch wirksame Schicht bzw. die zumindest eine mechanisch wirksame Funktionsschicht (engl. Device Layer) des MEMS-Schichtaufbaus bevorzugt diejenige Schicht ausbildet, die entsprechend ihrer Strukturierung dazu ausgelegt bzw. ausgebildet ist, eine Schwingungsbewegung, insbesondere eine eindimensionale oder zweidimensionale Schwingungsbewegung, auszuführen, bzw. derart, dass ein oder mehrere in der mechanisch wirksamen Schicht bzw. mechanisch wirksamen Funktionsschicht ausgebildete Strukturen oder Körper eine Schwingungsbewegung, insbesondere eine eindimensionale oder zweidimensionale Schwingungsbewegung, ausführen können (z.B. um eine Schwing- /Torsionsachse oder um zwei bevorzugt quer bzw. insbesondere senkrecht zueinander stehenden Schwing-/Torsionsachsen, insbesondere z.B. für Lissajous-Scanbewegungen).
Bevorzugt kann hierfür auch die Halte- und/oder Federstruktur für die beweglichen Strukturen oder Körper der mechanisch wirksamen Schicht bzw. mechanisch wirksamen Funktionsschicht in dieser mechanisch wirksamen Schicht bzw. mechanisch wirksamen Funktionsschicht ausgebildet sein. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Federstruktur Federn, insbesondere bevorzugt Biege- und/oder Torsionsfedern, umfassen, die bevorzugt dazu ausgelegt sind, das Spiegelträgerelement derart zu halten, dass das Spiegelträgerelement um die jeweilige Schwing- und/oder Torsionsachse eine schwingende Rotationsbewegung um die entsprechende Achse (z.B. Torsionsschwingungen) ausführen kann.
Weiterhin kann die Ausbildung der mechanisch wirksamen Schicht bzw. mechanisch wirksamen Funktionsschicht bevorzugt die Resonanzfrequenz bzw. Resonanzfrequenzen des MEMS, die Auslenkamplituden und/oder etwaige dynamische Deformationen (z.B. in einer in der mechanisch wirksamen Schicht bzw. mechanisch wirksamen Funktionsschicht ausgebildeten Halte- und/oder Federstruktur) bestimmen.
In einem weiteren beispielhaften Schritt S108 des Verfahrens gemäß Fig. 1 wird beispielhaft die Funktionsschicht 3 in Bereichen 3a strukturiert, siehe auch Fig. 2B (viii). Hierbei werden insbesondere die mechanisch wirksamen Strukturen der MEMS-Vorrichtung in der Funktionsschicht ausgebildet. Dies umfasst beispielsweise das Ausbilden bzw. Freilegen eines Spiegelträgerelements (hier beispielhaft der Bereich der Funktionsschicht 3 unter der Spiegelschicht 6a), das beispielhaft aus mittleren Bereichen der Funktionsschicht 3 gebildet wird, sowie etwaige Haltestege, die aus der Funktionsschicht 3 gebildet werden, wobei die Haltestege beispielhaft als Federstruktur wirken und das Spiegelträgerelement um eine, zwei oder mehrere Schwing- bzw. Torsionsachsen schwingbar halten können.
Bei den im Stand der Technik üblichen Verfahren wird bei der Strukturierung der Funktionsschicht 3 im Schritt S108 üblicherweise das sogenannte Hochratenätzen bzw. reaktive lonentiefenätzen (engl. Deep Reactive Ion Etching bzw. kurz DRIE) angewendet, um die tiefen Gräben (engl. Trenches) in der Funktionsschicht 3 (z.B. Bereiche 3a in Fig. 2B (viii)) auszubilden. Dies wird auf dem Gebiet der Herstellung von MEMS-Vorrichtungen manchmal auch als sog. Bosch-Prozess bezeichnet, da es auf einem von der Firma Bosch in den 1990er Jahren entwickelten Verfahren basiert.
Hierbei tritt bei Anwendung derartiger Trockenätzverfahren zur Strukturierung der schwingenden Körper und haltenden Federstruktur in der Funktionsschicht 3 prozessbedingt an den geätzten Seitenwänden in den strukturierten Bereichen der Funktionsschicht Schädigungen bzw. Unebenheiten auf, insbesondere sog. Scallops (d.h. z.B. oberflächige Wellungen, oberflächige Nasenstrukturen, etc.; siehe z.B. die durch schwarze Punkte angedeuteten Unebenheiten in den Bereichen 3a in Fig. 2B (ix)) oder z.B. auch etwaige Seitenwanddurchbrüche und/oder atomare Defekte. Zudem verursacht die Maske, die zur Strukturierung verwendet wird, eine direkte Übertragung in das Material der Funktionsschicht 3 (meist Silizium) und daher weisen die erzeugten Strukturen meist rechtwinklige Ecken auf.
An den Stellen der Oberflächenschädigungen (wie z.B. sog. Scallops, Seitenwanddurchbrüche und atomare Defekte) an den Seitenwänden der Gräben (engl. Trenches) der strukturierten Funktionsschicht 3 und an den ausgebildeten rechtwinkligen Ecken treten bei den resonanten Schwingungen hohe Spannungen auf, die nachteilig zu frühzeitigen Brüchen an Strukturen der Funktionsschicht 3 führen können. Diese Nachteile können in weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispielen vorteilhaft vermieden werden. Im Vergleich zum Stand der Technik, d.h. wenn Bauteile ohne ausgeheilte Seitenwände (d.h. insbesondere ohne geglättete Seitenwände und/oder ohne abgerundete Ecken) gefertigt werden, bei denen Brüche insbesondere bereits bei kleineren Auslenkwinkeln bzw. Auslenkamplituden auftreten können, kann das Auftreten von Brüchen der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur vorteilhaft signifikant reduziert werden und insbesondere können auch größere Auslenkwinkel bzw. Auslenkamplituden ermöglicht werden, bei denen bei gemäß Stand der Technik gefertigten Bauteilen bereits Brüche der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur auftreten würden.
In einem weiteren beispielhaften Schritt S109 des Verfahrens gemäß Fig. 1 wird beispielhaft der Schichtaufbau rückseitig geöffnet, um die Funktionsschicht 3 auf der Seite, die der piezoelektrischen Schicht 4 gegenüberliegt, freizulegen; siehe auch Fig. 2B (ix), in der beispielhaft die Substratschicht 1 zur Zwischenschicht 2 hin rückseitig geöffnet wird, und Fig. 2B (x), in der beispielhaft die Zwischenschicht 2 zur Funktionsschicht 3 hin rückseitig geöffnet wird. In einem weiteren beispielhaften Schritt S110 des Verfahrens gemäß Fig. 1 wird beispielhaft der hergestellte Schichtaufbau in einer vakuumgepackten MEMS-Vorrichtung 100 gemäß Fig. 2B (xi) bereitgestellt. Hierbei wurde beispielhaft der Schichtaufbau von oben mit einem lichtdurchlässigen Kuppelelement 7 (z.B. eine Glaskuppel) und von unten mit einem Grundkörperelement 8 unter Vakuumatmosphäre hermetisch abgeschlossen.
Somit kann eine vakuumgepackte MEMS-Spiegelvorrichtung 100 (z.B. ein MEMS- Spiegelscanner), die den hergestellten Schichtaufbau umfasst, mit piezoelektrisch auslenkbaren bzw. steuerbaren Spiegel 6a bereitgestellt werden, siehe z.B. Fig. 2B (xi).
Im Folgenden werden verschiedene beispielhafte Ausführungsbeispiele beschrieben. Etwaige Details bzw. beispielhafte Merkmale aus den vorstehenden Beispielen, insbesondere zu einzelnen Verfahrensschritten und Materialien, können auch für die untenstehenden Ausführungsbeispiele analog gelten, es sei denn, es wird explizit auf Unterschiede hingewiesen. Weiterhin können auch Beschreibungen zu Details bzw. beispielhaften Merkmale aus den folgenden Ausführungsbeispielen, insbesondere zu einzelnen Verfahrensschritten und Materialien, auch für andere Ausführungsbeispiele analog gelten, es sei denn, es wird explizit auf Unterschiede hingewiesen.
Im Unterschied zu dem vorstehenden Ausführungsbeispiel sehen Ausführungsbeispiele vorzugsweise einen Ausheilungsschritt, insbesondere zum Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht, bei Temperaturen im Wesentlichen größer oder gleich 700°C vor.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht zur zumindest teilweisen Glättung von Seitenwänden der Gräben in der Funktionsschicht und/oder zur Abrundung von Ecken der Gräben in der Funktionsschicht ausgeführt werden. Unter Glättung von Seitenwänden der Gräben in den strukturierten Bereichen der Funktionsschicht ist hierbei insbesondere zu verstehen, dass die Unebenheiten und/oder Oberflächeneffekte bzw. -defekte, die an den Seitenwänden bei dem Strukturieren der Funktionsschicht prozessbedingt entstehen, verringert werden, so dass relativ zum Zustand der Seitenwandoberflächen nach dem Strukturieren der Funktionsschicht gesehen nach dem Ausheilen glattere Seitenwandoberflächen vorliegen, bis hin zu einer möglicherweise vollständig glatten und/oder kristallfehlerfreien Seitenwand. Bevorzugt können die Seitenwandoberflächen nach dem Ausheilen eine Rauigkeit im Wesentlichen kleiner oder gleich 50nm haben, bevorzugt insbesondere im Wesentlichen kleiner oder gleich 30nm und besonders bevorzugt insbesondere im Wesentlichen kleiner oder gleich lOnm.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht bevorzugt bei Temperaturen im Wesentlichen größer oder gleich 800°C ausgeführt werden. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Ausheilen von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht bei Temperaturen im Wesentlichen kleiner oder gleich 1400°C ausgeführt werden, insbesondere vorzugsweise bei Temperaturen im Wesentlichen kleiner oder gleich 1350°C. Bevorzugt sollten in einigen Ausführungsbeispielen die Temperaturen im Ausheilungsschritt bzw. bevorzugt im gesamten Herstellungsverfahren 1400°C, insbesondere bevorzugt 1350°C, nicht überschreiten, da der Schmelzpunkt von Silizium bei ca. 1410°C liegt, da die Substratschicht und/oder die Funktionsschicht typischerweise Silizium umfassen kann.
Fig. 3 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagram eines Verfahrens zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung.
Die ersten Schritte des Verfahrens gemäß Fig. 3 entsprechen hierbei beispielhaft den Schritten S101 bis S104 des Verfahrens gemäß Fig. 1 bzw. der beispielhaften Herstellungsabfolge (i) bis (v) gemäß Fig. 2A. Im Anschluss an Fig. 2A (v) zeigen die darauffolgenden Figs. 4A-4B beispielhafte Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus während des Herstellungsverfahrens gemäß einer beispielhaften Herstellungsabfolge auf Grundlage des Verfahrens gemäß Fig. 3.
Bezugnehmend auf Fig. 3 und Fig. 2A (i) bis (v) wird in einem beispielhaften Schritt S301 (z.B. analog zu S101 in Fig. 1) ein Schichtaufbau, der die Substratschicht 1 und die Funktionsschicht 3 umfasst, bereitgestellt. Im beispielhaften Schritt S302 (z.B. analog zu S102 in Fig- 1) wird die piezoelektrische Schicht 4 auf der Funktionsschicht 3 aufgebracht.
In Ausführungsbeispielen kann die Substratschicht 1 beispielsweise aus Silizium ausgebildet sein oder Silizium umfassen. In zweckmäßigen Ausführungsbeispielen kann die Substratschicht 1 beispielsweise als SCS-Wafer (SCS, engl.: Single-Crystal-Silicon), d.h. z.B. als kristallines Bulk-Siliziumsubstrat, bereitgestellt werden. Weiterhin kann die Substratschicht auch mittels eines SOI-Wafers bereitgestellt werden, der bereits die Substratschicht 1 und beispielhaft auch die Funktionsschicht 3 und/oder die Zwischenschicht(en) 2 umfassen kann. SOI-Wafer können einen Handlingswafer umfassen, welcher z.B. aus kristallinem Bulk- SiLiziumsubstrat bestehen kann, beispielhaft gefolgt von einer Zwischenschicht (typischerweise z.B. einem Siliziumoxid mit ca. 100 - 2000 nm), kann aber auch aus anderen bevorzugt dielektrischen Schichten bestehen, wie z.B. Siliziumnitrid, Silizium-Oxynitrid oder aber ALuminiumoxid. Insbesondere können verschiedene Zwischenschichten aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Die Zwischenschicht 2 kann somit in Ausführungsbeispielen als Siliziumoxid, insbesondere Siliziumdioxid, vorliegen oder zumindest Siliziumoxid, insbesondere Siliziumdioxid, umfassen. Die Zwischenschicht 2 kann dann beispielsweise durch Nass- und/oder Trockenoxidation hergestellt werden. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Zwischenschicht 2 auch zusätzlich oder alternativ Siliziumnitrid (z.B. Si3N4), Aluminiumoxid (z.B. AI2O3) und/oder Si Lizi um-Oxyn itr id (z.B. SiON) umfassen.
Die Funktionsschicht 3 (engl. Device Layer) kann beispielsweise aus Silizium ausgebildet sein oder Silizium umfassen. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Funktionsschicht 3 eine Schichtdicke von im Wesentlichen 5-300 pm haben. Die Funktionsschicht 3 kann in einigen Ausführungsbeispielen als reines kristallines Substrat vorliegen, insbesondere bevorzugt als Einkristall (z.B. SCS), oder in weiteren Ausführungsbeispielen mittels epitaktischer Abscheideverfahren, insbesondere in poly kristalli ner Form (Polykristall), aufgebracht werden.
In einigen Ausführungsbeispielen kann zwischen der Funktionsschicht 3 und der piezoelektrischen Schicht 4 noch eine Elektrodenschicht vorgesehen sein, die eine die piezoelektrische Schicht von unten elektrisch kontaktierende Bodenelektrode, z.B. aus Metall (z.B. Molybdän), ausbilden kann.
Eine derartige beispielhafte Bodenelektrodenschicht unter der piezoelektrischen Schicht 4 kann in bevorzugten Ausführungsbeispielen hochtemperaturstabil ausgebildet sein, z.B. als dotiertes polykristallines Silizium. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Funktionsschicht 3 zumindest in den Bereichen der später strukturierten piezoelektrische Schicht 4 selbst dotiertes polykristallines Silizium umfassen oder aus dotiertem polykristallinen Silizium ausgebildet sein. In derartigen Ausführungsbeispielen kann die Funktionsschicht 3 einerseits die mechanisch wirksamen Elemente (z.B. Spiegelträgerelement und/oder Halte- und Federstruktur) ausbilden und zudem als hochtemperaturstabile Bodenelektrode für die piezoelektrische Schicht 4 dienen. Die piezoelektrische Schicht 4 kann bevorzugt piezoelektrisches Material umfassen bzw. aus piezoelektrischem Material ausgebildet sein, das bevorzugt hohe piezoelektrische, pyroelektrische und/oder ferroelektrische Konstanten hat.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die piezoelektrische Schicht 4 beispielsweise Aluminiumnitrid (AIN), Aluminium-Scandium-Nitrid (AlScN), Bleizirkonat- Titanat (PZT) und/oder Niob dotiertes PZT (PZT-Nb) umfassen. Die piezoelektrische Schicht 4 kann auch teilkristalline Polymerwerkstoffe wie PVDF (Polyvinylidenfluorid (CF2-CH2)n) umfassen.
Im weiteren beispielhaften Schritt S303 (z.B. analog zu S103 in Fig. 1) wird beispielhaft die piezoelektrische Schicht 4, die auf bzw. über der Funktionsschicht 3 aufgebracht ist, strukturiert, insbesondere bevorzugt mittels eines Nass- und/oder Trockenätzverfahrens.
Die stehenbleibenden Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4 definieren in Ausführungsbeispielen im späteren MEMS-Aufbau die piezoelektrischen Elemente und/oder Antriebs- und/oder Erfassungselemente (z.B. Aktuator- und/oder Sensorflächen) zum Erzeugen, Antreiben, Steuern und/oder Erfassen der Bewegungen bzw. Schwingungen der beweglich gehaltener Bauteile bzw. Elemente des MEMS.
Im weiteren beispielhaften Schritt S304 (z.B. analog zu S104 in Fig. 1) wird beispielhaft die dielektrische Schicht 5 aufgebracht. Die dielektrische Schicht 5 wird beispielhaft auf Bereichen der piezoelektrischen Schicht 4 aufgebracht und wird weiterhin beispielhaft auf Bereichen der Funktionsschicht 3 aufgebracht, die nach Strukturierung der piezoelektrischen Schicht 4 offen vorliegen.
Die dielektrische Schicht 5 kann beispielsweise Siliziumoxid, insbesondere SiO2, umfassen bzw. aus Siliziumoxid, insbesondere SiO2, ausgebildet sein. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die dielektrische Schicht 5 Siliziumnitrid (z.B. Si3N4) und/oder Aluminiumoxid (Al2O3), Oxinitrid und/oder Si Lizi u m-Oxyn itr id (z.B. SiON) umfassen oder daraus ausgebildet sein.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die aufgebrachte dielektrische Schicht 5 in ausgewählten Bereichen geöffnet werden, z.B. durch Nass- und/oder Trockenätzen, beispielsweise um einen Bereich 5b bereitzustellen, der für ein späteres Bondpad vorgesehen sein kann. In einigen Ausführungsbeispielen kann die aufgebrachte dielektrische Schicht 5 auch über den strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht 4 geöffnet oder teilgeöffnet werden. Im Unterschied zu der Abfolge des Hintergrundbeispiels gemäß Fig.1 wird im Verfahren gemäß Fig. 3 das Aufbringen der ELektrodenschicht beispielhaft vor dem Strukturieren der Funktionsschicht 3 noch nicht durchgeführt, um bevorzugt einen Ausheilungsschritt, der auf das Strukturieren der Funktionsschicht 3 folgen kann, bei Hochtemperaturen über ca. 700°C (d.h. bei Temperaturen im Wesentlichen größer oder gleich 700°C) bis möglicherweise ca. 1250°C (d.h. bei Temperaturen im Wesentlichen kleiner oder gleich 1250°C) zu ermöglichen, dem eine bereits üblich aufgebrachte Elektrodenschicht, z.B. aus Aluminium (Schmelzpunkt bei ca. 660°C), nicht standhalten könnte.
Im weiteren beispielhaften Schritt S305 des Verfahrens gemäß Fig. 3 (z.B. analog zu Schritt S107 in Fig. 1) wird beispielhaft die dielektrischen Schicht 5 in Bereichen 5a zur Funktionsschicht 3 hin geöffnet. Dies sind insbesondere zu öffnende Bereiche 5a der dielektrischen Schicht 5, in denen die darunter liegende Funktionsschicht 3 zur Ausbildung der mechanisch wirksamen Strukturen der MEMS-Vorrichtung strukturiert wird.
In einigen besonders zweckmäßigen Ausführungsbeispielen kann hierbei beispielhaft vorgesehen sein, dass die stehengebliebenen Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4 vollständig von der dielektrischen Schicht 5 eingekapselt verbleiben (siehe z.B. Fig. 4A (v) und auch Fig. 6A (v)), d.h. die stehengebliebenen Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4 sind bzw. verbleiben insbesondere bevorzugt beispielhaft vollständig zwischen der Funktionsschicht 3 und der dielektrischen Schicht 5 eingekapselt.
Dies hat den Vorteil, dass der Schichtaufbau ohne nachteilige Beeinträchtigung der eingekapselten Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4 dennoch Hochtemperaturprozessen (z.B. bei über ca. 700°C bis 1250°C) unterzogen werden können. Dies ermöglich beispielsweise vorteilhaft weitere Ausführungsbeispiele mit einem oder mehreren Ausheilungsschritten bei Hochtemperaturen größer oder gleich 700°C, wie z.B. die weiter unten beschriebenen Prozesse der Opferoxidation bei z.B. ca. 800°C-1250°C (siehe z.B. die beispielhafte Herstellungsabfolge gemäß Figs. 4A-4B) und/oder des Wasserstoff-Annealings z.B. bei ca. 1000°C-1250°C (siehe z.B. die beispielhafte Herstellungsabfolge gemäß Figs. 6A-6B).
Es wurde beispielweise erkannt, dass diese Einkapselung der strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4, z.B. mittels der dielektrischen Schicht, trotz der hohen Temperaturen im Ausheilungsschritt und trotz der chemisch aggressiven Medien (z.B. Sauerstoff bzw. Wasserstoff) die strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4 vorteilhaft schützt, so dass sogar nicht hochtemperaturstabile bzw. nicht so chemisch widerstandsfähige piezoelektrische Materialien, wie z.B. PZT, doch noch als (im Ausheilungsschritt eingekapseltes) piezoelektrisches Material weiterhin verwendet werden können. In Ausführungsbeispielen mit der Verwendung von hochtemperaturstabilen und/oder chemisch widerstandsfähigen piezoelektrischen Materialien ist es nicht erforderlich, die strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4 einzukapseln.
Im weiteren beispielhaften Schritt S306 des Verfahrens gemäß Fig. 3 (z.B. analog zu Schritt S108 in Fig. 1) wird beispielhaft die Funktionsschicht 3 in Bereichen 3a strukturiert, siehe auch Fig. 4A (v). Hierbei werden insbesondere die mechanisch wirksamen Strukturen der MEMS-Vorrichtung in der Funktionsschicht 3 ausgebildet, bevorzugt durch Hochratenätzen bzw. reaktives lonentiefenätzen (engl. Deep Reactive Ion Etching bzw. kurz DRIE).
Das Strukturieren der Funktionsschicht 3 umfasst beispielsweise das Ausbilden bzw. Freilegen des aus der Funktionsschicht 3 gebildeten Spiegelträgerelements (unter der später aufgebrachten Spiegelschicht 6a, siehe z.B. Fig. 5) sowie die Haltestege (Federstruktur), die aus der Funktionsschicht 3 gebildet werden und als haltende Federstruktur wirken, und die das Spiegelträgerelement um eine, zwei oder mehrere Schwing- und/oder Torsionsachsen schwingbar halten können. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Federstruktur Federn, insbesondere bevorzugt Biege- und/oder Torsionsfedern, umfassen, die bevorzugt dazu ausgelegt sind, das Spiegelträgerelement derart zu halten, dass das Spiegelträgerelement um die jeweilige Schwing- und/oder Torsionsachse eine schwingende Rotationsbewegung um die entsprechende Achse (z.B. Torsionsschwingungen) ausführen kann.
In einigen Ausführungsbeispielen kann das reaktive lonentiefenätzen zum Strukturieren der Funktionsschicht 3 beispielsweise unter der Verwendung einer Photolithographiemaske durchgeführt werden.
Das bereichsweise Öffnen der dielektrischen Schicht 5 kann separat vorher durchgeführt werden oder im gleichen Schritt unter Verwendung der gleichen Photolithographiemaske. Die Photolithographiemaske kann beispielhaft anschließend mittels eines Plasmas oder eines nasschemischen Verfahrens entfernt werden.
Im Allgemeinen können sämtliche Strukturierungsschritte der vorliegenden Offenbarung mittels Photolithographiemasken durchgeführt werden, die mittels eines Plasmas oder eines nasschemischen Verfahrens entfernt werden können.
Im weiteren beispielhaften Schritt S307 des Verfahrens gemäß Fig. 3 wird beispielhaft ein Ausheilungsschritt bei Hochtemperaturen im Wesentlichen größer oder gleich 700°C ausgeführt, um die Seitenwände der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3, die im Schritt S306 tiefengeätzt wurde, zu glätten und Ecken der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 abzurunden.
Der Ausheilungsschritt S307 kann in einigen Ausführungsbeispielen einen Schritt umfassen, in dem die Oberfläche der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 bei Oxidationstemperaturen (z.B. Temperaturen von im Wesentlichen größer oder gleich 700°C, insbesondere im Wesentlichen größer oder gleich 800°C oder mehr, ggf. bevorzugt im Wesentlichen kleiner oder gleich 1250°C) oxidiert werden; siehe z.B. die beispielhaft dargestellte Oxidationsschicht 11 in Fig. 4A (vi).
Beispielhaft wird in der Herstellungsabfolge gemäß Figs. 4A und 4B nachfolgend auf das Strukturieren S306 der Funktionsschicht 3 als Ausheilungsschritt gemäß S307 eine Opferoxidation durchgeführt (siehe z.B. Fig. 4A (vi)).
Durch diese Oxidation bzw. Opferoxidation in derartigen Ausführungsbeispielen des Ausheilungsschritts S307 können die beim Ätzen entstandenen Oberflächeneffekte bzw. Oberflächendefekte (z.B. Unebenheiten, wie z.B. ausgebildete Nasen, Wellen, sog. Scallops, als auch etwaige weitere Oberflächendefekte wie z.B. Kristalldefekte, Anätzungen, Seitenwanddurchbrüche und atomare Defekte, etc.) auf den Seitenwänden der tiefengeätzten Seitenwände der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 oxidiert werden.
Nach der Opferoxidation kann die Opferoxidationsschicht 11 in Ausführungsbeispielen des Ausheilungsschritts S307 bevorzugt selektiv entfernt werden und in derartigen Ausführungsbeispielen des Ausheilungsschritts S307 verbleiben nach selektivem Entfernen der Opferoxidationsschicht 11 vorteilhaft geglättete Seitenwände der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 mit reduzierten Unebenheiten der Seitenwände und abgerundeten Ecken; siehe z.B. Fig. 4A (vii).
Insbesondere können etwaige Ätzscallops als auch etwaige weitere Oberflächendefekte (z.B. Kristalldefekte, Anätzungen, Seitenwanddurchbrüche und atomare Defekte, etc.) reduziert bzw. beseitigt werden, so dass sich geglättete Seitenwände ausbilden, bis hin zur vollständigen Umwandlung in eine vollständig glatte und/oder kristallfehlerfreie Seitenwand. Zudem können die rechtwinkligen Strukturecken, die im Strukturieren der Funktionsschicht entstanden sind, abgerundet werden (runde bzw. abgerundete Strukturecken).
Der entsprechende Schichtaufbau bzw. die MEMS-Vorrichtung, die den Schichtaufbau umfasst, hat nach dem entsprechenden Ausheilungsschritt S307 vorteilhaft geglättete Seitenwände mit reduzierten Unebenheiten oder gar glatte und/oder kristallfehlerfreie (z.B. vollständig geglättete) Seitenwände und abgerundete Ecken an den strukturierten Bereichen und Gräben der Funktionsschicht, so dass Bruchgrenzen der beweglichen bzw. schwingenden Teile der Funktionsschicht bzw. insbesondere Federstruktur, die in der Funktionsschicht ausgebildet ist, signifikant erhöht werden können und das Auftreten frühzeitiger Brüche der Federstruktur erfolgreich reduziert werden kann. Im Vergleich zum Stand der Technik, d.h. wenn Bauteile ohne ausgeheilte Seitenwände (d.h. insbesondere ohne geglättete Seitenwände und/oder ohne abgerundete Ecken) gefertigt werden, bei denen Brüche insbesondere bereits bei kleineren Auslenkwinkeln bzw. Auslenkamplituden auftreten können, kann das Auftreten von Brüchen der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur vorteilhaft signifikant reduziert werden und insbesondere können auch größere Auslenkwinkel bzw. Auslenkamplituden ermöglicht werden, bei denen bei gemäß Stand der Technik gefertigten Bauteilen bereits Brüche der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur auftreten würden.
In einem weiteren beispielhaften Schritt S308 des Verfahrens gemäß Fig. 3 wird beispielhaft nach dem Ausheilungsschritt S307 die Elektrodenschicht 6 aufgebracht; siehe auch Fig.4A (viii). Hierbei wird beispielhaft auch der Bereich 5b, der zuvor in der dielektrischen Schicht 5 geöffnet wurde, mit dem Material der Elektrodenschicht gefüllt, insbesondere zur Ausbildung eines Bondpads.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann hierbei ganzflächig eine Topelektrodenschicht 6 abgeschieden werden, z.B. aus Metall, insbesondere beispielsweise Aluminium. In weiteren Ausführungsbeispielen können auch hochtemperaturstabile Materialien, insbesondere z.B. hochtemperaturstabile Metalle, für die Elektrodenschicht verwendet werden. In derartigen Ausführungsbeispielen kann der Ausheilungsschritt auch nach dem Aufbringen und /oder Strukturieren der Elektrodenschicht und optional nach dem rückseitigen Öffnen des Schichtaufbaus, der bevorzugt hochtemperaturstabile und chemisch widerstandsfähige Materialien umfasst, erfolgen; siehe beispielsweise die weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiele gemäß Figs. 8 bis 10.
In einem weiteren beispielhaften Schritt S309 des Verfahrens gemäß Fig. 3 wird beispielhaft die Elektrodenschicht 6, die auf bzw. über der dielektrischen Schicht 5 aufgebracht ist, strukturiert; siehe auch Fig. 4B (ix). Hierbei kann weiterhin beispielhaft in dem Bereich 5b, in dem die dielektrische Schicht 5 geöffnet wurde, mit dem Material der Elektrodenschicht 6 ein Bondpad 6b ausgebildet werden, das einen elektrischen Kontakt zu der Oberseite der Funktionsschicht 3 (und/oder in Ausführungsbeispielen zu einer Bodenelektrode, die mit der Unterseite der strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4 elektrisch verbunden sein kann) bereitstellt.
Im beispielhaften Schritt S309 des Strukturierens der Elektrodenschicht 6 wird die gewünschte Struktur der oben liegenden Elektrode (Topelektrode) für die obere elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Schicht 4 ausgebildet. Weiterhin wird beispielhaft im Schritt S309 des Strukturierens der Elektrodenschicht 6 beispielhaft in der Mitte des Schichtaufbaus gemäß Fig. 4B (iv) mittels des Materials der Elektrodenschicht 6 ein Spiegel 6a (Spiegelschicht mit reflektierender Oberfläche) ausgebildet.
In derartigen Ausführungsbeispielen kann z.B. die Elektrodenschicht Metall, insbesondere Aluminium, umfassen, so dass die Oberfläche der Elektrodenschicht 6 bereits eine reflektierende Oberfläche hat und zur Ausbildung des Spiegels 6a geeignet ist. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann hierbei eine ganzflächig abgeschiedene Topelektrodenschicht, z.B. aus Metall, insbesondere beispielsweise Aluminium, über photolithographische Schritte nass- und oder trockenchemisch strukturiert werden, z.B. mittels einer Spray-Coat-Lithografie oder alternativ über einen Lift-Off-Prozess, in dem die Lithografie vor der Metallabscheidung erfolgt. Das Aufbringen der Elektrodenschicht kann in einigen Ausführungsbeispielen auch mittels einer Schattenmaskenabscheidung erfolgen.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist es möglich, eine nicht-reflektierende bzw. eine nicht-metallische Elektrodenschicht vorzusehen (z.B. dotiertes polykristallines Silizium), wobei dann eine weitere, beispielsweise metallische Spiegelschicht (z.B. als dünnschichtiger Metallfilm, z.B. mit einer Schichtdicke von im Wesentlichen größer oder gleich 100 nm und/oder im Wesentlichen kleiner oder gleich 2000 nm) im Bereich der Schicht 6a aufgebracht werden kann. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Material der metallischen Spiegelschicht hierbei je nach gewünschter Anwendung für den jeweiligen Wellenlängenbereich gewählt werden, insbesondere mit sehr gutem Reflexionsverhalten im Wellenlängenbereich der gewünschten Anwendung, beispielweise Aluminium oder Silber für sichtbares Licht (z.B. im Wesentlichen bei Wellenlängen von 400-700nm) oder Gold für Infrarotlicht bzw. Infrarotstrahlung (z.B. im Wesentlichen bei Wellenlängen von 850-2000nm).
In einem weiteren beispielhaften Schritt S310 des Verfahrens gemäß Fig. 3 (z.B. analog zu S109 in Fig. 1) wird beispielhaft der Schichtaufbau rückseitig geöffnet, um die Funktionsschicht 3 auf der Seite, die der piezoelektrischen Schicht 4 gegenüberliegt, freizulegen; siehe auch Fig.4B (x), in der beispielhaft die Substratschicht 1 zur Zwischenschicht - TI -
2 hin rückseitig geöffnet wird (z.B. durch Hochratenätzen bzw. reaktives lonentiefenätzen), und Fig. 4B (xi), in der beispielhaft die Zwischenschicht 2 zur Funktionsschicht 3 hin rückseitig geöffnet wird.
In einem weiteren beispielhaften Schritt S311 des Verfahrens gemäß Fig. 3 (z.B. analog zu S110 in Fig. 1) wird beispielhaft der hergestellte Schichtaufbau in einer vakuumgepackten MEMS-Vorrichtung 200 gemäß Fig. 5 bereitgestellt. Hierbei wurde beispielhaft der Schichtaufbau von oben mit einem Lichtdurchlässigen Abdeckelement 7 (z.B. ein lichtdurchlässiges Kuppelelement bzw. eine Glaskuppel) und von unten mit einem Grundkörperelement 8 unter Vakuumatmosphäre hermetisch abgeschlossen (z.B. Vakuumverkapselung). In weiteren Ausführungsbeispielen sind auch anders geformte Abdeckelemente bzw. 3D-geformte Abdeckelemente möglich (z.B. eckig oder planar). Das Material der Abdeckelemente ist bevorzugt lichtdurchlässig, z.B. Glas bzw. andere optisch transparente Materialien (z.B. ca. 400-2500 nm), wie z.B. Borosilikatglas (z.B. Borofloat® BF33 der Fa. SCHOTT).
Fig. 5 zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung einer gemäß der beispielhaften HerstelLungsabfolge der Figs. 4A-4B hergestellten MEMS-Vorrichtung 200. Folglich kann eine vakuumgepackte MEMS-Spiegelvorrichtung 200 (z.B. ein MEMS-Spiegelscanner), die den hergestellten Schichtaufbau umfasst, mit piezoelektrisch auslenkbaren bzw. steuerbaren Spiegel 6a bereitgestellt werden, wobei der entsprechende Schichtaufbau bzw. die MEMS- Vorrichtung 200, die den Schichtaufbau umfasst, vorteilhaft geglättete bzw. glatte und/oder kristallfehlerfreie Seitenwände und abgerundete Ecken an den strukturierten Bereichen und Gräben der Funktionsschicht hat, so dass Bruchgrenzen der beweglichen bzw. schwingenden Teile der Funktionsschicht bzw. insbesondere der Federstruktur, die in der Funktionsschicht ausgebildet ist, signifikant erhöht werden können und das Auftreten frühzeitiger Brüche der Federstruktur erfolgreich reduziert werden kann. Im Vergleich zum Stand der Technik, d.h. wenn Bauteile ohne ausgeheilte Seitenwände (d.h. insbesondere ohne geglättete Seitenwände und/oder ohne abgerundete Ecken) gefertigt werden, bei denen Brüche insbesondere bereits bei kleineren Auslenkwinkeln bzw. Auslenkamplituden auftreten können, kann das Auftreten von Brüchen der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur vorteilhaft signifikant reduziert werden und insbesondere können auch größere Auslenkwinkel bzw. Auslenkamplituden ermöglicht werden, bei denen bei gemäß Stand der Technik gefertigten Bauteilen bereits Brüche der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur auftreten würden. Figs. 6A-6B zeigen beispielhafte Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus während des Herstellungsverfahrens gemäß einer weiteren beispielhaften Herstellungsabfolge auf Grundlage des Verfahrens gemäß Fig. 3. Folglich handelt es sich bei der beispielhaften Abfolge gemäß Figs. 6A-6B um eine weitere beispielhafte Ausführung des Verfahrens gemäß Fig. 3.
Die ersten Schritte des Verfahrens gemäß Fig. 3 entsprechen erneut beispielhaft den Schritten S101 bis S104 des Verfahrens gemäß Fig. 1 bzw. der beispielhaften Herstellungsabfolge (i) bis (v) gemäß Fig. 2A. Im Anschluss an Fig. 2A (v) illustrieren die Figs. 6A- 6B die beispielhaften Herstellungsabfolge auf Grundlage weiterer Ausführungsbeispiele des Verfahrens gemäß Fig. 3.
Auch hier wird im Unterschied zu der Abfolge des Hintergrundbeispiels gemäß Fig. 1 im Verfahren gemäß Fig. 3 in Verbindung mit Figs. 6A-6B das Aufbringen der Elektrodenschicht beispielhaft vor dem Strukturieren der Funktionsschicht 3 noch nicht durchgeführt, um bevorzugt einen auf das Strukturieren der Funktionsschicht 3 folgenden Ausheilungsschritt bei Hochtemperaturen über im Wesentlichen größer oder gleich 700°C zu ermöglichen, dem eine bereits üblich aufgebrachte Elektrodenschicht, z.B. aus Aluminium, nicht standhalten könnte.
Im beispielhaften Schritt S306 des Verfahrens gemäß Fig. 3 (z.B. analog zu Schritt S108 in Fig. 1) wird auch in der Herstellungsabfolge gemäß Figs. 6A-6B beispielhaft die Funktionsschicht 3 in Bereichen 3a strukturiert, siehe Fig. 6A (v).
Hierbei werden erneut insbesondere die mechanisch wirksamen Strukturen der MEMS- Vorrichtung in der Funktionsschicht ausgebildet, bevorzugt durch Hochratenätzen bzw. reaktives lonentiefenätzen (engl. Deep Reactive Ion Etching bzw. kurz DRIE). Das Strukturieren der Funktionsschicht 3 umfasst beispielsweise das Ausbilden bzw. Freilegen des Spiegelträgerelements unter der Spiegelschicht 6a, wobei das Spiegelträgerelement aus der Funktionsschicht 3 herausgebildet wird, sowie die Haltestege (Federstruktur), die aus der Funktionsschicht 3 herausgebildet werden können und als Federsystem wirken können, und die das Spiegelträgerelement um eine, zwei oder mehrere Schwing- und/oder Torsionsachsen schwingbar halten können. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Federstruktur Federn, insbesondere bevorzugt Biege- und/oder Torsionsfedern, umfassen, die bevorzugt dazu ausgelegt sind, das Spiegelträgerelement derart zu halten, dass das Spiegelträgerelement um die jeweilige Schwing- und/oder Torsionsachse eine schwingende Rotationsbewegung um die entsprechende Achse (z.B. Torsionsschwingungen) ausführen kann. Des Weiteren sind sämtliche Beschreibungen zu den Schritten S301 bis S306 von weiter oben auch für die Herstellungsabfolge gemäß Figs. 6A-6B anwendbar.
Im weiteren beispielhaften Schritt S307 des Verfahrens gemäß Fig. 3 wird auch in der Herstellungsabfolge gemäß Figs. 6A-6B beispielhaft ein Ausheilungsschritt bei Hochtemperaturen über im Wesentlichen größer oder gleich 700°C ausgeführt, um die im Schritt S306 tiefengeätzten Seitenwände der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 zu glätten und Ecken der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 abzurunden.
Der Ausheilungsschritt S307 kann in einigen Ausführungsbeispielen einen Schritt umfassen, in dem die Oberfläche der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 bei Temperaturen von im Wesentlichen größer oder gleich 1000°C und bevorzugt im Wesentlichen kleiner oder gleich 1250°C einem Schritt des Wasserstoffglühens bzw. Wasserstoff-Annealings (engl. Hydrogen- Annealing) unterzogen wird (alternativ oder auch zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Opferoxidation).
Beispielhaft wird in der Herstellungsabfolge gemäß Figs. 6A und 6B nachfolgend auf das Strukturieren S306 der Funktionsschicht 3 als Ausheilungsschritt gemäß S307 die Oberfläche der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 bei Temperaturen von im Wesentlichen größer oder gleich 900°C, insbesondere im Wesentlichen größer oder gleich 1000°C, und bevorzugt im Wesentlichen kleiner oder gleich 1350°C, insbesondere im Wesentlichen kleiner oder gleich 1250°C, einem Schritt des Wasserstoffglühens bzw. Wasserstoff-Annealings (engl. Hydrogen-Annealing) unterzogen (siehe z.B. Fig. 6A (vi)).
Nach dem Wasserstoff-Annealing in derartigen Ausführungsbeispielen des Ausheilungsschritts S307 verbleiben vorteilhaft geglättete Seitenwände der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 mit abgerundeten Ecken; siehe z.B. Fig. 6A (vi).
Durch das Wasserstoff-Annealing bzw. durch den Annealingschritt bilden sich an der Oberfläche der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 geglättete bzw. glatte Seitenwände und abgerundete Ecken aus. Insbesondere können etwaige Ätzscallops als auch etwaige weitere Oberflächendefekte (z.B. Kristalldefekte, Anätzungen, Seitenwanddurchbrüche und atomare Defekte, etc.) reduziert bzw. beseitigt werden, so dass sich geglättete Seitenwände ausbilden, bis hin zur vollständigen Umwandlung in eine vollständig glatte und/oder kristallfehlerfreie Seitenwand. Zudem können die rechtwinkligen Strukturecken, die im Strukturieren der Funktionsschicht entstanden sind, abgerundet werden (runde bzw. abgerundete Strukturecken). Der entsprechende Schichtaufbau bzw. die MEMS-Vorrichtung, die den Schichtaufbau umfasst, hat nach dem entsprechenden Ausheilungsschritt S307 vorteilhaft geglättete bzw. glatte und/oder kristallfehlerfreie Seitenwände und abgerundete Ecken an den strukturierten Bereichen und Gräben der Funktionsschicht, so dass Bruchgrenzen der beweglichen bzw. schwingenden Teile der Funktionsschicht bzw. insbesondere der Federstruktur, die in der Funktionsschicht ausgebildet ist, signifikant erhöht werden können und das Auftreten frühzeitiger Brüche der Federstruktur erfolgreich reduziert werden kann. Im Vergleich zum Stand der Technik, d.h. wenn Bauteile ohne ausgeheilte Seitenwände (d.h. insbesondere ohne geglättete Seitenwände und/oder ohne abgerundete Ecken) gefertigt werden, bei denen Brüche insbesondere bereits bei kleineren Auslenkwinkeln bzw. Auslenkamplituden auftreten können, kann das Auftreten von Brüchen der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur vorteilhaft signifikant reduziert werden und insbesondere können auch größere Auslenkwinkel bzw. Auslenkamplituden ermöglicht werden, bei denen bei gemäß Stand der Technik gefertigten Bauteilen bereits Brüche der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur auftreten würden.
Im beispielhaften Schritt S308 des Verfahrens gemäß Fig. 3 wird beispielhaft nach dem Ausheilungsschritt S307 die Elektrodenschicht 6 aufgebracht; siehe auch Fig. 6A (vii). Hierbei wird beispielhaft auch der zuvor in der dielektrischen Schicht 5 geöffnete Bereich 5b mit dem Material der Elektrodenschicht gefüllt, insbesondere beispielhaft zur Ausbildung eines Bondpads.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann hierbei ganzflächig eine Elektrodenschicht 6 (Topelektrodenschicht) abgeschieden werden, z.B. aus Metall, insbesondere beispielsweise Aluminium. In weiteren Ausführungsbeispielen können auch hochtemperaturstabile Materialien, insbesondere z.B. hochtemperaturstabile Metalle, für die Elektrodenschicht verwendet werden. In derartigen Ausführungsbeispielen kann der Ausheilungsschritt auch nach dem Aufbringen und /oder Strukturieren der Elektrodenschicht und optional dann auch nach dem rückseitigen Öffnen des Schichtaufbaus, der bevorzugt hochtemperaturstabile und chemisch widerstandsfähige Materialien umfasst, erfolgen; siehe beispielsweise die weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiele gemäß Figs. 8 bis 10.
Im weiteren beispielhaften Schritt S309 des Verfahrens gemäß Fig. 3 wird beispielhaft die Elektrodenschicht 6, die auf bzw. über der dielektrischen Schicht 5 aufgebracht ist, strukturiert; siehe auch Fig. 6B (viii). Hierbei wird beispielhaft in dem Bereich 5b, der in der dielektrischen Schicht 5 geöffnet ist, mit dem Material der Elektrodenschicht ein Bondpad 6b ausgebildet, das einen elektrischen Kontakt zu der Oberseite der Funktionsschicht 3 bereitstellen kann.
Im weiteren beispielhaften Schritt S310 des Verfahrens gemäß Fig. 3 (z.B. analog zu S109 in Fig. 1) wird beispielhaft der Schichtaufbau rückseitig geöffnet, um die Funktionsschicht 3 auf Seite, die der piezoelektrischen Schicht 4 gegenüberliegt, freizulegen; siehe auch Fig. 6B (ix), in der beispielhaft die Substratschicht 1 zur Zwischenschicht 2 hin rückseitig geöffnet wird, und Fig. 6B (x), in der beispielhaft die Zwischenschicht 2 zur Funktionsschicht 3 hin rückseitig geöffnet wird.
In einem weiteren beispielhaften Schritt S311 des Verfahrens gemäß Fig. 3 (z.B. analog zu S110 in Fig. 1) wird beispielhaft der hergestellte Schichtaufbau in einer vakuumgepackten MEMS-Vorrichtung 300 gemäß Fig. 6 bereitgestellt. Hierbei wurde beispielhaft der Schichtaufbau von oben mit einem lichtdurchlässigen Abdeckelement 7 (z.B. ein lichtdurchlässiges Kuppelelement bzw. eine Glaskuppel) hermetisch abgeschlossen (siehe z.B. Fig. 6B (xi)) und von unten mit einem Grundkörperelement 8 unter Vakuumatmosphäre hermetisch abgeschlossen (z.B. Vakuumverkapselung). In weiteren Ausführungsbeispielen sind auch anders geformte Abdeckelemente bzw. 3D-geformte Abdeckelemente möglich (z.B. eckig oder planar). Das Material der Abdeckelemente ist bevorzugt lichtdurchlässig, z.B. Glas bzw. andere optisch transparente Materialien (z.B. ca. 400-2500 nm), wie z.B. Borosilikatglas (z.B. Borofloat® BF33 der Fa. SCHOTT).
Des Weiteren sind sämtliche Beschreibungen zu den Schritten S308 bis S311 von weiter oben auch für die Herstellungsabfolge gemäß Figs. 6A-6B anwendbar.
Fig. 7 zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung einer MEMS-Vorrichtung 300, die gemäß der beispielhaften Herstellungsabfolge der Figs. 6A-6B hergestellt werden kann. Folglich kann eine vakuumgepackte MEMS-Spiegelvorrichtung 300 (z.B. ein MEMS- Spiegelscanner), die den hergestellten Schichtaufbau umfasst, mit piezoelektrisch auslenkbaren bzw. steuerbaren Spiegel 6a bereitgestellt werden, wobei der entsprechende Schichtaufbau bzw. die MEMS-Vorrichtung 300, die den Schichtaufbau umfasst, vorteilhaft geglättete bzw. glatte und/oder kristallfehlerfreie Seitenwände und abgerundete Ecken an den strukturierten Bereichen und Gräben der Funktionsschicht hat, so dass Bruchgrenzen der beweglichen bzw. schwingenden Teile der Funktionsschicht bzw. insbesondere der Federstruktur, die in der Funktionsschicht ausgebildet ist, signifikant erhöht werden können und das Auftreten frühzeitiger Brüche der Federstruktur erfolgreich reduziert werden kann. Im Vergleich zum Stand der Technik, d.h. wenn Bauteile ohne ausgeheilte Seitenwände (d.h. insbesondere ohne geglättete Seitenwände und/oder ohne abgerundete Ecken) gefertigt werden, bei denen Brüche insbesondere bereits bei kleineren Auslenkwinkeln bzw. Auslenkamplituden auftreten können, kann das Auftreten von Brüchen der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur vorteilhaft signifikant reduziert werden und insbesondere können auch größere Auslenkwinkel bzw. Auslenkamplituden ermöglicht werden, bei denen bei gemäß Stand der Technik gefertigten Bauteilen bereits Brüche der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur auftreten würden.
Fig. 8 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagram eines Verfahrens zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung. Figs. 9A-9B zeigen beispielhafte Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus während des Herstellungsverfahrens gemäß einer beispielhaften Herstellungsabfolge auf Grundlage des Verfahrens gemäß Fig. 8.
Die ersten Schritte des Verfahrens gemäß Fig. 8 entsprechen jedoch zunächst beispielhaft erneut den Schritten S101 bis S104 des Verfahrens gemäß Fig. 1 bzw. der beispielhaften Herstellungsabfolge (i) bis (v) gemäß Fig. 2A. Im Anschluss an Fig. 2A (v) zeigen die darauffolgenden Figs. 9A-9B beispielhafte Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus während des Herstellungsverfahrens gemäß einer beispielhaften Herstellungsabfolge auf Grundlage des Verfahrens gemäß Fig. 8.
Bezugnehmend auf Fig. 8 und Fig. 2A (i) bis (v) wird in einem beispielhaften Schritt S801 (z.B. analog zu S101 in Fig. 1) ein Schichtaufbau bereitgestellt, der beispielhaft bereits die Substratschicht 1 und die Funktionsschicht 3 umfasst. Im beispielhaften Schritt S802 (z.B. analog zu S102 in Fig. 1) wird die piezoelektrische Schicht 4 auf der Funktionsschicht 3 aufgebracht. Im weiteren beispielhaften Schritt S803 (z.B. analog zu S103 in Fig. 1) wird beispielhaft die piezoelektrische Schicht 4, die auf bzw. über der Funktionsschicht 3 aufgebracht ist, strukturiert.
Im weiteren beispielhaften Schritt S804 (z.B. analog zu S104 in Fig. 1) wird beispielhaft die dielektrische Schicht 5 aufgebracht. Die dielektrische Schicht 5 wird beispielhaft auf Bereichen der piezoelektrischen Schicht 4 aufgebracht und wird weiterhin beispielhaft auf Bereichen der Funktionsschicht 3, die nach Strukturierung der piezoelektrischen Schicht 4 geöffnet sind, aufgebracht. In einigen Ausführungsbeispielen kann die aufgebrachte dielektrische Schicht 5 in ausgewählten Bereichen geöffnet werden, beispielsweise um einen für ein späteres Bondpad vorgesehenen Bereich 5b bereitzustellen. In einigen Ausführungsbeispielen kann die aufgebrachte dielektrische Schicht 5 auch über den strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht 4 geöffnet oder teilgeöffnet werden.
Des Weiteren sind sämtliche Beschreibungen zu den Schritten S301 bis S304 von weiter oben beispielhaft auch für die Herstellungsabfolge gemäß Figs. 9A-9B im Zusammenhang mit den Schritten S801 bis S804 gemäß Fig. 8 anwendbar.
In einem weiteren beispielhaften Schritt S805 des Verfahrens gemäß Fig. 1 wird beispielhaft eine Elektrodenschicht 9 auf der dielektrischen Schicht 5, die optional zuvor in Bereichen geöffnet werden kann, aufgebracht; siehe auch Fig. 9A (v).
Hierbei wird im Unterschied zu der Abfolge des Hintergrundbeispiels gemäß Fig. 1 im Schritt S805 bei dem Aufbringen der Elektrodenschicht 9 ein hochtemperaturstabiles, elektrisch leitendes Material verwendet. In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann (statt z.B. Aluminium der Elektrodenschicht 6 in Figs. 2A bis 2C) ein hochtemperaturstabiles Material verwendet werden, das Temperaturen über im Wesentlichen größer oder gleich 700°C standhalten kann, in weiteren Ausführungsbeispielen bevorzugt im Wesentlichen größer oder gleich 800°C und bevorzugt größer oder gleich 1000°C standhalten kann, und in weiteren Ausführungsbeispielen besonders bevorzugt im Wesentlichen größer oder gleich 1250°C standhalten kann.
In besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen kann beispielsweise eine leitfähige Siliziumschicht als hochtemperaturstabiles Material der hochtemperaturstabilen Elektrodenschicht 9 verwendet werden (z.B. durch Physikalische Gasphasenabscheidung bzw. engl. Physical Vapour Deposition, PVD, abgeschieden, durch Chemische Gasphasenabscheidung bzw. engl. Chemical Vapour Deposition, CVD, abgeschieden bzw. durch plasma-unterstützte Chemische Gasphasenabscheidung bzw. engl. plasma-enhanced Chemical, Vapour Deposition PECVD, etc.). Besonders bevorzugt ist hierbei die Verwendung eines dotierten Polysiliziums als (nicht-metallisches) hochtemperaturstabiles Material der hochtemperaturstabilen Elektrodenschicht 9.
In weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen kann alternativ oder zusätzlich beispielsweise ein hochtemperaturstabiles Metall als Material der hochtemperaturstabilen Elektrodenschicht 9 verwendet werden (z.B. Molybdän, Platin, Wolfram, Wolframtitan bzw. WTi, Wolframcarbid bzw. WC, etc.). Derartige hochtemperaturstabile Materialien zur Verwendung als Material der hochtemperaturstabilen Elektrodenschicht 9 ermöglichen es, dass der Schichtaufbau weiterhin kompatibel mit einer hochtemperaturstabilen Prozesssequenz bei Temperaturen im Wesentlichen größer oder gleich 700°C bzw. im Wesentlichen größer oder gleich 800°C ist, wobei insbesondere die bereits aufgebrachte Elektrodenschicht 9 auch einem späteren Ausheilungsschritt (z.B. Opferoxidation und/oder Wasserstoff-Annealing gemäß der vorstehenden Ausführungsbeispiele) bei Temperaturen im Wesentlichen größer oder gleich 700°C, insbesondere zwischen im Wesentlichen 700°C und 1250°C, standhalten kann.
In einem weiteren beispielhaften Schritt S806 des Verfahrens gemäß Fig. 8 (z.B. analog zu S106 in Fig. 1) wird beispielhaft die Elektrodenschicht 9, die auf bzw. über der dielektrischen Schicht 5 aufgebracht ist, strukturiert; siehe auch Fig. 9A (vi). Im beispielhaften Schritt S806 des Strukturierens der Elektrodenschicht 9 kann die gewünschte Struktur der oben liegenden Elektrode (Topelektrode) für die Ansteuerung der piezoelektrischen Schicht 4 ausgebildet werden.
In einem weiteren beispielhaften Schritt S807 des Verfahrens gemäß Fig. 8 (z.B. analog zu S107 in Fig. 1) wird beispielhaft die dielektrischen Schicht 5 in Bereichen 5a zur Funktionsschicht 3 hin geöffnet, siehe auch Fig. 9A (vii). Dies sind insbesondere zu öffnende Bereiche 5a der dielektrischen Schicht 5, in denen die darunter liegende Funktionsschicht 3 zur Ausbildung der mechanisch wirksamen Strukturen (z.B. der Federstruktur) der MEMS- Vorrichtung strukturiert wird.
Auch hier ist in einigen Ausführungsbeispielen vorgesehen, dass die stehengebliebenen Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4 vollständig von der dielektrischen Schicht 5 eingekapselt verbleiben (siehe z.B. Fig. 9A (vii)), d.h. die stehengebliebenen Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4 sind bzw. verbleiben insbesondere bevorzugt beispielhaft vollständig zwischen der Funktionsschicht 3 und der dielektrischen Schicht 5 eingekapselt. Dies hat den Vorteil, dass der Schichtaufbau ohne Beeinträchtigung der eingekapselten Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4 dennoch Hochtemperaturprozessen bei im Temperaturen im Wesentlichen größer oder gleich 700°C, z.B. bei über ca. 700°C bis 1250°C, unterzogen werden können. Dies ermöglich beispielsweise weitere Ausheilungsschritte wie z.B. die weiter unten beschriebenen Prozesse der Opferoxidation (bei z.B. ca. 800°C-1250°C) und/oder des Wasserstoff-Annealings (bei z.B. ca. 1000°C-1250°C), selbst wenn unter der Einkapselung weniger hochtemperaturstabile und/oder weniger chemisch widerstandsfähige Materialien verwendet werden (z.B. für eine etwaige Bodenelektrode und/oder für die piezoelektrische Schicht).
Diese Einkapselung der strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4, z.B. mittels der dielektrischen Schicht, vermag es, trotz der hohen Temperaturen im Ausheilungsschritt die strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4 und trotz der chemisch aggressiven Medien (z.B. Sauerstoff bzw. Wasserstoff) vorteilhaft zu schützen, so dass sogar nicht hochtemperaturstabile bzw. nicht so chemisch widerstandsfähige piezoelektrische Materialien, wie z.B. PZT, doch noch als (im Ausheilungsschritt eingekapseltes) piezoelektrisches Material weiterhin verwendet werden können. In Ausführungsbeispielen mit der Verwendung von hochtemperaturstabilen und/oder chemisch widerstandsfähigen piezoelektrischen Materialien ist es nicht erforderlich, die strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4 einzukapseln.
Zusätzlich oder alternativ zur Einkapselung der piezoelektrischen Schicht 4, z.B. mittels der dielektrischen Schicht bzw. mit einkapselnden Bereichen der dielektrischen Schicht, kann auch die hochtemperaturstabile Elektrodenschicht 9 dazu verwendet werden, die strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4 einzukapseln. Hierzu kann es in einigen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein, dass die stehengebliebenen Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4 vollständig von der hochtemperaturstabilen Elektrodenschicht 9 eingekapselt werden bzw. verbleiben, d.h. die stehengebliebenen Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4 sind bzw. verbleiben insbesondere bevorzugt beispielhaft vollständig zwischen der Funktionsschicht 3 und der hochtemperaturstabilen Elektrodenschicht 9 (optional mit dazwischenliegender oder bereichsweise dazwischenliegender dielektrischer Schicht 5) eingekapselt.
Auch dies hat den Vorteil, dass der Schichtaufbau ohne Beeinträchtigung der eingekapselten Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4 dennoch Hochtemperaturprozessen bei im Wesentlichen größer oder gleich 700°C, z.B. bei über ca. 700°C bis 1250°C, unterzogen werden kann, wobei insbesondere auch etwaige weniger chemisch widerstandsfähigen piezoelektrischen Materialien durch die Einkapselung von aggressiven Medien, wie z.B. Sauerstoff (z.B. in einem Ausheilungsschritt mit Opferoxidation) und/oder Wasserstoff (z.B. in einem Ausheilungsschritt mit Wasserstoff-Annealing), geschützt werden können.
Dies ermöglich beispielsweise weitere Ausheilungsschritte wie z.B. die weiter unten beschriebenen Prozesse der Opferoxidation (bei z.B. ca. 800°C-1250°C) und/oder des Wasserstoff-Annealings (bei z.B. ca. 1000°C-1250°C), selbst wenn unter der Einkapselung weniger hochtemperaturstabile und/oder weniger chemisch widerstandsfähige Materialien verwendet werden (z.B. für eine etwaige Bodenelektrode und/oder für die piezoelektrische Schicht).
In einem weiteren beispielhaften Schritt S808 des Verfahrens gemäß Fig. 8 (z.B. analog zu S108 in Fig- 1) wird beispielhaft die Funktionsschicht 3 in Bereichen 3a strukturiert, siehe auch Fig. 9A (viii).
Hierbei werden erneut insbesondere die mechanisch wirksamen Strukturen der MEMS- Vorrichtung in der Funktionsschicht ausgebildet, bevorzugt durch Hochratenätzen bzw. reaktives lonentiefenätzen (engl. Deep Reactive Ion Etching bzw. kurz DRIE). Das Strukturieren der Funktionsschicht 3 umfasst beispielsweise das Ausbilden bzw. Freilegen des Spiegelträgerelements, das aus der Funktionsschicht 3 herausgebildet wird, sowie die Haltestege (Federstruktur), die aus der Funktionsschicht 3 herausgebildet werden und als Federsystem wirken, und die das Spiegelträgerelement um eine, zwei oder mehrere Schwing- und/oder Torsionsachsen schwingbar halten können. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Federstruktur Federn, insbesondere bevorzugt Biege- und/oder Torsionsfedern, umfassen, die bevorzugt dazu ausgelegt sind, das Spiegelträgerelement derart zu halten, dass das Spiegelträgerelement um die jeweilige Schwing- und/oder Torsionsachse eine schwingende Rotationsbewegung um die entsprechende Achse (z.B. Torsionsschwingungen) ausführen kann.
Im weiteren beispielhaften Schritt S809 des Verfahrens gemäß Fig. 8 (z.B. analog S307 in Fig. 3) wird auch in der Herstellungsabfolge gemäß Figs. 6A-6B beispielhaft ein Ausheilungsschritt bei Hochtemperaturen im Wesentlichen größer oder gleich 700°C ausgeführt, insbesondere um die im Schritt S808 tiefengeätzten Seitenwände der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 zu glätten und Ecken der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 abzurunden.
Der Ausheilungsschritt S809 kann in einigen Ausführungsbeispielen einen Schritt umfassen, in dem die Oberfläche der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 bei Temperaturen von im Wesentlichen größer oder gleich 700°C, bevorzugt bei Temperaturen von im Wesentlichen größer oder gleich 800°C (z.B. bei ca. 800°C-1250°C) oxidiert werden. Beispielhaft kann nach dem Strukturieren S808 der Funktionsschicht 3 als Ausheilungsschritt gemäß S809 eine Opferoxidation durchgeführt werden. Durch diese Oxidation können die beim Ätzen entstandenen Oberflächeneffekte (z.B. Unebenheiten, wie z.B. ausgebildete Nasen, Wellen, sog. Scallops, als auch etwaige weitere Oberflächendefekte wie z.B. Kristalldefekte, Anätzungen, Seitenwanddurchbrüche und atomare Defekte, etc.) auf den Seitenwänden der tiefengeätzten Seitenwände der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 oxidiert werden.
Nach der Opferoxidation kann die Opferoxidationsschicht 11 bevorzugt selektiv entfernt werden und insbesondere können etwaige Ätzscallops als auch etwaige Oberflächendefekte (z.B. Kristalldefekte, Anätzungen, Seitenwanddurchbrüche und atomare Defekte, etc.) reduziert bzw. beseitigt werden, so dass sich geglättete Seitenwände ausbilden, bis hin zur vollständigen Umwandlung in eine vollständig glatte und/oder kristallfehlerfreie Seitenwand.
Zudem können die rechtwinkligen Strukturecken, die im Strukturieren der Funktionsschicht entstanden sind, abgerundet werden (runde bzw. abgerundete Strukturecken). In derartigen Ausführungsbeispielen des Ausheilungsschritts S809 verbleiben nach selektivem Entfernen der Opferoxidationsschicht 11 folglich vorteilhaft geglättete Seitenwände und abgerundete Strukturecken der Seitenwände der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3; siehe z.B. Fig. 9B (ix).
Der Ausheilungsschritt S809 kann in einigen Ausführungsbeispielen (alternativ oder zusätzlich zu der Oberflächenoxidation) auch wieder einen Schritt umfassen, in dem die Oberfläche der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3, z.B. bei Temperaturen im Wesentlichen größer oder gleich 1000°C, z.B. von ca. 1000°C bis 1250°C, einem Schritt des Wasserstoffglühens (engl. Hydrogen-Annealing) unterzogen wird. Beispielhaft kann somit nach dem Strukturieren S808 der Funktionsschicht 3 als Ausheilungsschritt gemäß S809 die Oberfläche der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3, bei Temperaturen im Wesentlichen größer oder gleich 1000°C, z.B. von ca. 1000°C bis 1250°C, einem Schritt des Wasserstoffglühens (engl. Hydrogen-Annealing) unterzogen werden.
Durch das Wasserstoff-Annealing bzw. durch den Annealingschritt bilden sich an der Oberfläche der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 glatte Seitenwände und abgerundete Ecken aus. Insbesondere können etwaige Ätzscallops als auch etwaige Oberflächendefekte (z.B. Kristalldefekte, Anätzungen, Seitenwanddurchbrüche und atomare Defekte, etc.) reduziert bzw. beseitigt werden, so dass sich geglättete Seitenwände ausbilden, bis hin zur vollständigen Umwandlung in eine vollständig glatte und/oder kristallfehlerfreie Seitenwand; siehe z.B. Fig.
9B (ix).
Durch das Ausheilen mittels Oxidation bzw. Opferoxidation und/oder mittels des Wasserstoff-Annealings können in derartigen Ausführungsbeispielen des Ausheilungsschritts S809 die beim Ätzen entstandenen Oberflächeneffekte bzw. Oberflächendefekte (z.B. ausgebildete Nasen, Wellen, sog. Scallops, etc.) auf den Seitenwänden der tiefengeätzten Seitenwände der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 geglättet werden (analog S307 gemäß Fig. 3).
Insbesondere können etwaige Ätzscallops als auch etwaige weitere Oberflächendefekte (z.B. Kristalldefekte, Anätzungen, Seitenwanddurchbrüche und atomare Defekte, etc.) reduziert bzw. beseitigt werden, so dass sich geglättete Seitenwände ausbilden, bis hin zur vollständigen Umwandlung in eine vollständig glatte und/oder kristallfehlerfreie Seitenwand. Zudem können die rechtwinkligen Strukturecken, die im Strukturieren der Funktionsschicht entstanden sind, abgerundet werden (runde bzw. abgerundete Strukturecken). Nach dem Ausheilungsschritt S809 verbleiben folglich vorteilhaft geglättete Seitenwände der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 mit abgerundeten Ecken; siehe z.B. Fig.9A (ix).
Der entsprechende Schichtaufbau bzw. die MEMS-Vorrichtung, die den Schichtaufbau umfasst, hat nach dem entsprechenden Ausheilungsschritt S809 vorteilhaft geglättete bzw. glatte und/oder kristallfehlerfreie Seitenwände und abgerundete Ecken an den strukturierten Bereichen und Gräben der Funktionsschicht, so dass Bruchgrenzen der beweglichen bzw. schwingenden Teile der Funktionsschicht bzw. insbesondere der in der Funktionsschicht ausgebildeten Federstruktur signifikant erhöht werden können und das Auftreten frühzeitiger Brüche der Federstruktur erfolgreich reduziert werden kann. Im Vergleich zum Stand der Technik, d.h. wenn Bauteile ohne ausgeheilte Seitenwände (d.h. insbesondere ohne geglättete Seitenwände und/oder ohne abgerundete Ecken) gefertigt werden, bei denen Brüche insbesondere bereits bei kleineren Auslenkwinkeln bzw. Auslenkamplituden auftreten können, kann das Auftreten von Brüchen der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur vorteilhaft signifikant reduziert werden und insbesondere können auch größere Auslenkwinkel bzw. Auslenkamplituden ermöglicht werden, bei denen bei gemäß Stand der Technik gefertigten Bauteilen bereits Brüche der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur auftreten würden Weiterhin kann es zweckmäßig sein, insbesondere wenn eine elektrisch leitende silizium-basierte Elektrodenschicht 9 in Schritt S806 aufgebracht wurde, dass auf dem Spiegelträgerelement der Funktionsschicht 3, das im Schritt S806 ausgebildet wird, auf den Ausheilungsschritt S809 folgend noch eine Spiegelschicht ausgebildet wird.
In einigen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren gemäß Fig. 8 daher beispielhaft einen weiteren Schritt S810 des Aufbringens einer Spiegelschicht 10 zur Ausbildung des Spiegels 10a auf dem Spiegelträgerelement der Funktionsschicht 3 umfassen; siehe beispielsweise auch Fig. 9B (x).
Hierbei kann auch wieder ein einfaches Metall, wie z.B. Aluminium, verwendet werden. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Material der metallischen Spiegelschicht hierbei je nach gewünschter Anwendung für den jeweiligen Wellenlängenbereich gewählt werden, insbesondere mit sehr gutem Reflexionsverhalten im Wellenlängenbereich der gewünschten Anwendung, beispielweise Aluminium oder Silber für sichtbares Licht (z.B. im Wesentlichen bei Wellenlängen von 400-700nm) oder Gold für Infrarotlicht bzw. Infrarotstrahlung (z.B. im Wesentlichen bei Wellenlängen von 850-2000nm). Bei Verwendung eines leitfähigen Materials kann dieses beispielhaft zudem zur Ausbildung des Bondpads 10b verwendet werden; siehe beispielsweise auch Fig. 9B (x).
Im weiteren beispielhaften Schritt S811 des Verfahrens gemäß Fig. 8 (z.B. analog zu S109 in Fig. 1) wird beispielhaft der Schichtaufbau rückseitig geöffnet, insbesondere um die Funktionsschicht 3 auf der Seite, die der piezoelektrischen Schicht 4 gegenüberliegt, freizulegen; siehe auch Fig. 9B (xi), in der beispielhaft die Substratschicht 1 und die Zwischenschicht 2 zur Funktionsschicht 3 hin rückseitig geöffnet wird.
In einem weiteren beispielhaften Schritt S812 des Verfahrens gemäß Fig. 8 (z.B. analog zu S110 in Fig- 1) wird beispielhaft der hergestellte Schichtaufbau in einer vakuumgepackten MEMS-Vorrichtung 400 gemäß Fig. 10 bereitgestellt. Hierbei wurde beispielhaft der Schichtaufbau von oben mit einem Lichtdurchlässigen Abdeckelement 7 (z.B. ein lichtdurchlässiges Kuppelelement bzw. eine Glaskuppel) hermetisch abgeschlossen und von unten mit einem Grundkörperelement 8 unter Vakuumatmosphäre hermetisch abgeschlossen (z.B. Vakuumverkapselung).
In weiteren Ausführungsbeispielen sind auch anders geformte Abdeckelemente bzw. 3D-geformte Abdeckelemente möglich (z.B. eckig oder planar). Das Material der Abdeckelemente ist bevorzugt lichtdurchlässig, z.B. Glas bzw. andere optisch transparente Materialien (z.B. ca. 400-2500 nm), wie z.B. Borosilikatglas (z.B. Borofloat® BF33 der Fa. SCHOTT).
Fig. 10 zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung einer MEMS-Vorrichtung 400, die gemäß der beispielhaften Herstellungsabfolge der Figs. 9A-9B hergestellt ist. Folglich kann eine vakuumgepackte MEMS-Spiegelvorrichtung 400 (z.B. ein MEMS-Spiegelscanner) bereitgestellt werden, die den hergestellten Schichtaufbau umfasst, z.B. mit piezoelektrisch auslenkbaren bzw. steuerbaren Spiegel 10a, wobei der entsprechende Schichtaufbau bzw. die MEMS-Vorrichtung 400, die den Schichtaufbau umfasst, vorteilhaft geglättete bzw. glatte und/oder kristallfehlerfreie Seitenwände und abgerundete Ecken an den strukturierten Bereichen und Gräben der Funktionsschicht hat, so dass Bruchgrenzen der beweglichen bzw. schwingenden Teile der Funktionsschicht bzw. insbesondere der Federstruktur, die in der Funktionsschicht herausgebildet ist, signifikant erhöht werden können und das Auftreten frühzeitiger Brüche der Federstruktur erfolgreich reduziert werden kann. Im Vergleich zu Verfahren im Stand der Technik ohne Ausheilungsschritt können gemäß Ausführungsbeispielen mit Ausheilungsschritt die Bruchgrenzen der beweglichen bzw. schwingenden Teile der Funktionsschicht bzw. insbesondere der in der Funktionsschicht ausgebildeten Federstruktur mindestens verdoppelt werden, bzw. sogar verfünffacht bzw. verzehnfacht werden. Im Vergleich zum Stand der Technik, d.h. wenn Bauteile ohne ausgeheilte Seitenwände (d.h. insbesondere ohne geglättete Seitenwände und/oder ohne abgerundete Ecken) gefertigt werden, bei denen Brüche insbesondere bereits bei kleineren Auslenkwinkeln bzw. Auslenkamplituden auftreten können, kann das Auftreten von Brüchen der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur vorteilhaft signifikant reduziert werden und insbesondere können auch größere Auslenkwinkel bzw. Auslenkamplituden ermöglicht werden, bei denen bei gemäß Stand der Technik gefertigten Bauteilen bereits Brüche der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur auftreten würden.
Fig. 11 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagram eines Verfahrens zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung.
Die ersten Schritte des Verfahrens gemäß Fig. 11 entsprechen jedoch zunächst beispielhaft erneut den Schritten S101 bis S103 des Verfahrens gemäß Fig. 1. Figs. 12A-12B zeigen beispielhafte Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus während des Herstellungsverfahrens gemäß einer beispielhaften Herstellungsabfolge auf Grundlage des Verfahrens gemäß Fig. 11.
Bezugnehmend auf Fig. 11 und Fig. 12A (i) bis (iii) wird in einem beispielhaften Schritt S1101 (z.B. analog zu S101 in Fig. 1) der Schichtaufbau bereitgestellt, der beispielhaft die Substratschicht 1 und die Funktionsschicht 3 umfasst. Im beispielhaften Schritt S1102 (z.B. analog zu S102 in Fig. 1) wird die piezoelektrische Schicht 4 auf der Funktionsschicht 3 aufgebracht. Im weiteren beispielhaften Schritt S1103 (z.B. analog zu S103 in Fig. 1) wird beispielhaft die piezoelektrische Schicht 4, die auf bzw. über der Funktionsschicht 3 aufgebracht ist, strukturiert.
Des Weiteren sind sämtliche Beschreibungen zu den Schritten S301 bis S303 von weiter oben beispielhaft auch für die Herstellungsabfolge gemäß Figs. 12A-12C im Zusammenhang mit den Schritten S1101 bis S1104 gemäß Fig. 11 anwendbar.
Im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird nun gemäß einigen Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 11 vor Aufbringen der dielektrischen Schicht 5 direkt die Funktionsschicht 3 strukturiert (Schritt S1104 der Fig. 11) und dann erfolgt beispielhaft der Ausheilungsschritt S1105 in einem Zustand des Schichtaufbaus, in dem bei strukturierte Bereichen der piezoelektrischen Schicht 4 nach oben offen vorliegen.
Demzufolge kann bevorzugt in derartigen Ausführungsbeispielen im Schritt S1102 eine piezoelektrische Schicht 4 aus einem hochtemperaturstabilen und/oder chemisch widerstandsfähigen piezoelektrischen Material aufgebracht werden. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die hochtemperaturstabile und/oder chemisch widerstandsfähige piezoelektrische Schicht 4 beispielsweise Aluminiumnitrid (AIN) und/oder Aluminium- Scandium-Nitrid (AlScN) umfassen.
Im weiteren beispielhaften Schritt S1104 des Verfahrens gemäß Fig. 11 (z.B. analog zu Schritt S108 in Fig. 1) wird beispielhaft die Funktionsschicht 3 in Bereichen 3a strukturiert, siehe auch Fig. 12A (iii). Hierbei werden insbesondere die mechanisch wirksamen Strukturen der MEMS-Vorrichtung in der Funktionsschicht ausgebildet, bevorzugt durch Hochratenätzen bzw. reaktives lonentiefenätzen (engl. Deep Reactive Ion Etching bzw. kurz DRIE).
Das Strukturieren der Funktionsschicht 3 umfasst beispielsweise das Ausbilden bzw. Freilegen des Spiegelträgerelements (unter der später aufgebrachten Spiegelschicht 6a, siehe z.B. Fig. 13), das aus der Funktionsschicht 3 beispielhaft herausgebildet wird, sowie die Haltestege (Federstruktur), die aus der Funktionsschicht 3 beispielhaft herausgebildet werden und als haltende Federstruktur wirken können, , und die das Spiegelträgerelement um eine, zwei oder mehrere Schwing- und/oder Torsionsachsen schwingbar halten können. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Federstruktur Federn, insbesondere bevorzugt Biege- und/oder Torsionsfedern, umfassen, die bevorzugt dazu ausgelegt sind, das Spiegelträgerelement derart zu halten, dass das Spiegelträgerelement um die jeweilige Schwing- und/oder Torsionsachse eine schwingende Rotationsbewegung um die entsprechende Achse (z.B. Torsionsschwingungen) ausführen kann.
In einigen Ausführungsbeispielen kann das reaktive lonentiefenätzen zum Strukturieren der Funktionsschicht 3 beispielsweise unter der Verwendung einer Photolithographiemaske durchgeführt werden.
Im weiteren beispielhaften Schritt S1105 des Verfahrens gemäß Fig.11 (z.B. analog S307 in Fig. 3) wird auch in der Herstellungsabfolge gemäß Figs. 12A-12C beispielhaft ein Ausheilungsschritt bei Hochtemperaturen im Wesentlichen größer oder gleich 700°C ausgeführt, insbesondere um die im Schritt S1104 tiefengeätzten Seitenwände der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 zu glätten und Ecken der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 abzurunden.
Der Ausheilungsschritt S1105 kann in einigen Ausführungsbeispielen einen Schritt umfassen, in dem die Oberfläche der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 bei Temperaturen von im Wesentlichen größer oder gleich 700°C, bevorzugt bei Temperaturen von im Wesentlichen größer oder gleich 800°C (z.B. bei ca. 800°C bis 1250°C) oxidiert werden. Beispielhaft kann nach dem Strukturieren S1104 der Funktionsschicht 3 als Ausheilungsschritt gemäß S1105 eine Opferoxidation durchgeführt werden.
Durch diese Oxidation können die beim Ätzen entstandenen Oberflächeneffekte (z.B. Unebenheiten, wie z.B. ausgebildete Nasen, Wellen, sog. Scallops, als auch etwaige weitere Oberflächendefekte wie z.B. Kristalldefekte, Anätzungen, Seitenwanddurchbrüche und atomare Defekte, etc.) auf den Seitenwänden der tiefengeätzten Seitenwände der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 oxidiert werden. Nach der Opferoxidation kann die Opferoxidationsschicht bevorzugt selektiv entfernt werden und insbesondere können etwaige Ätzscallops als auch etwaige Oberflächendefekte (z.B. Kristalldefekte, Anätzungen, Seitenwanddurchbrüche und atomare Defekte, etc.) reduziert bzw. beseitigt werden, so dass sich geglättete Seitenwände ausbilden, bis hin zur vollständigen Umwandlung in eine vollständig glatte und/oder kristallfehlerfreie Seitenwand. Zudem können die rechtwinkligen Strukturecken, die im Strukturieren der Funktionsschicht entstanden sind, abgerundet werden (runde bzw. abgerundete Strukturecken). In derartigen Ausführungsbeispielen des Ausheilungsschritts S1105 verbleiben nach selektivem Entfernen der Opferoxidationsschicht 11 folglich vorteilhaft geglättete Seitenwände und abgerundete Strukturecken der Seitenwände der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3; siehe z.B. Fig. 12A (iv).
Der Ausheilungsschritt S1105 kann in einigen Ausführungsbeispielen (alternativ oder zusätzlich zu der Oberflächenoxidation) auch wieder einen Schritt umfassen, in dem die Oberfläche der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3, z.B. bei Temperaturen im Wesentlichen größer oder gleich 1000°C, z.B. von ca. 1000°C bis 1250°C, einem Schritt des Wasserstoffglühens (engl. Hydrogen-Annealing) unterzogen wird. Beispielhaft kann somit nach dem Strukturieren
51104 der Funktionsschicht 3 als Ausheilungsschritt gemäß S1105 die Oberfläche der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3, z.B. bei Temperaturen im Wesentlichen größer oder gleich 1000°C, z.B. von ca. 1000°C bis 1250°C, einem Schritt des Wasserstoffglühens (engl. Hydrogen- Annealing) unterzogen werden.
Durch das Wasserstoff-Annealing bzw. durch den Annealingschritt bilden sich an der Oberfläche der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 glatte Seitenwände und abgerundete Ecken aus. Insbesondere können etwaige Ätzscallops als auch etwaige Oberflächendefekte (z.B. Kristalldefekte, Anätzungen, Seitenwanddurchbrüche und atomare Defekte, etc.) reduziert bzw. beseitigt werden, so dass sich geglättete Seitenwände ausbilden, bis hin zur vollständigen Umwandlung in eine vollständig glatte und/oder kristallfehlerfreie Seitenwand; siehe z.B. Fig. 12A (iv).
Durch das Ausheilen mittels Oxidation bzw. Opferoxidation und/oder mittels des Wasserstoff-Annealings können in derartigen Ausführungsbeispielen des Ausheilungsschritts
51105 die beim Ätzen entstandenen Oberflächeneffekte bzw. Oberflächendefekte (z.B. Seitenwanddurchbrüche und atomare Defekte, oder auch ausgebildete Nasen, Wellen, sog. Scallops, etc.) auf den Seitenwänden der tiefengeätzten Seitenwände der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 geglättet werden (analog S307 gemäß Fig. 3). Nach dem Ausheilungsschritt S1105 verbleiben vorteilhaft geglättete Seitenwände der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 mit abgerundeten Ecken; siehe z.B. Fig. 12A (iv).
Der entsprechende Schichtaufbau bzw. die MEMS-Vorrichtung, die den Schichtaufbau umfasst, hat nach dem entsprechenden Ausheilungsschritt S1105 vorteilhaft geglättete bzw. glatte und/oder kristallfehlerfreie Seitenwände und abgerundete Ecken an den strukturierten Bereichen und Gräben der Funktionsschicht, so dass Bruchgrenzen der beweglichen bzw. schwingenden Teile der Funktionsschicht bzw. insbesondere der in der Funktionsschicht ausgebildeten Federstruktur signifikant erhöht werden können und das Auftreten frühzeitiger Brüche der Federstruktur erfolgreich reduziert werden kann. Im Vergleich zu Verfahren im Stand der Technik ohne Ausheilungsschritt können gemäß Ausführungsbeispielen mit Ausheilungsschritt die Bruchgrenzen der beweglichen bzw. schwingenden Teile der Funktionsschicht bzw. insbesondere der in der Funktionsschicht ausgebildeten Federstruktur mindestens verdoppelt werden, bzw. sogar verfünffacht bzw. verzehnfacht werden. Im Vergleich zum Stand der Technik, d.h. wenn Bauteile ohne ausgeheilte Seitenwände (d.h. insbesondere ohne geglättete Seitenwände und/oder ohne abgerundete Ecken) gefertigt werden, bei denen Brüche insbesondere bereits bei kleineren Auslenkwinkeln bzw. Auslenkamplituden auftreten können, kann das Auftreten von Brüchen der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur vorteilhaft signifikant reduziert werden und insbesondere können auch größere Auslenkwinkel bzw. Auslenkamplituden ermöglicht werden, bei denen bei gemäß Stand der Technik gefertigten Bauteilen bereits Brüche der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur auftreten würden.
In einem weiteren beispielhaften Schritt S1106 des Verfahrens gemäß Fig. 11 wird beispielhaft eine dielektrische Schicht 5 aufgebracht; siehe auch Fig. 12B (v). Die dielektrische Schicht 5 wird gemäß Fig. 12B (v) beispielhaft auf Bereichen der piezoelektrischen Schicht 4 aufgebracht und weiterhin beispielhaft auf Bereichen der Funktionsschicht 3, die nach Strukturierung der piezoelektrischen Schicht 4 offen vorliegen.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die aufgebrachte dielektrische Schicht 5 in ausgewählten Bereichen geöffnet werden (Schritt S1107 gemäß Fig. 11). Gemäß Fig. 12B (vi) ist beispielsweise im Bereich 5b die dielektrische Schicht 5 zur Funktionsschicht 3 hin geöffnet, um einen Bereich 5b bereitzustellen, der für ein späteres Bondpad vorgesehen sein kann. In einigen Ausführungsbeispielen kann die aufgebrachte dielektrische Schicht 5 auch über den strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht 4 geöffnet oder teilgeöffnet werden.
In einem weiteren beispielhaften Schritt S1108 des Verfahrens beispielhaft eine Elektrodenschicht 6 auf der dielektrischen Schicht 5, die optional zuvor in Bereichen geöffnet wurde, aufgebracht; siehe auch Fig.12B (vii). Hierbei wird beispielhaft auch der Bereich 5b, der zuvor in der dielektrischen Schicht 5 geöffnet wurde, insbesondere zur Ausbildung eines Bondpads, und geöffneten Bereiche 3a der Gräben der Funktionsschicht 3 mit dem Material der ELektrodenschicht 6 zumindest teilweise gefüllt.
In einem weiteren beispielhaften Schritt S1109 des Verfahrens gemäß Fig. 11 wird beispielhaft die Elektrodenschicht 6, die auf bzw. über der dielektrischen Schicht 5 aufgebracht ist, strukturiert; siehe auch Fig. 12B (viii). Hierbei wird in dem Bereich 5b, der in der dielektrischen Schicht 5 geöffnet ist, mit dem Material der Elektrodenschicht ein Bondpad 6b ausgebildet, das einen elektrischen Kontakt zu der Oberseite der Funktionsschicht 3 bereitstellt. Zudem kann etwaiges Material der Elektrodenschicht 6 wieder aus den geöffneten Bereichen 3a der Gräben der Funktionsschicht 3 entfernt werden.
Im beispielhaften Schritt S1109 des Strukturierens der Elektrodenschicht 6 wird die gewünschte Struktur der oben liegenden Elektrode (Topelektrode) für die obere elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Schicht 4 ausgebildet. Weiterhin wird beispielhaft im Schritt S1109 des Strukturierens der Elektrodenschicht 6, z.B. in der Mitte des Schichtaufbaus, gemäß Fig. 12B (viii) mittels des Materials der Elektrodenschicht 6 ein Spiegel 6a (Spiegelschicht mit reflektierender Oberfläche) ausgebildet.
In derartigen Beispielen kann z.B. die Elektrodenschicht Metall, insbesondere Aluminium, umfassen, so dass die Oberfläche der Elektrodenschicht 6 bereits eine reflektierende Oberfläche hat und zur Ausbildung des Spiegels 6a geeignet ist. In weiteren Beispielen ist es möglich, eine nicht-reflektierende bzw. eine nicht-metallische Elektrodenschicht vorzusehen (z.B. dotiertes polykristallines Silizium), wobei dann eine weitere, beispielsweise metallische Spiegelschicht (z.B. als dünnschichtiger Metallfilm, z.B. mit einer Schichtdicke von im Wesentlichen größer oder gleich 100 nm und/oder im Wesentlichen kleiner oder gleich 2000 nm) im Bereich der Schicht 6a aufgebracht werden kann.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Material der metallischen Spiegelschicht hierbei je nach gewünschter Anwendung für den jeweiligen Wellenlängenbereich gewählt werden, insbesondere mit sehr gutem Reflexionsverhalten im Wellenlängenbereich der gewünschten Anwendung, beispielweise Aluminium oder Silber für sichtbares Licht (z.B. im Wesentlichen bei Wellenlängen von 400-700nm) oder Gold für Infrarotlicht bzw. Infrarotstrahlung (z.B. im Wesentlichen bei Wellenlängen von 850-2000nm).
In einem weiteren beispielhaften Schritt S1110 des Verfahrens gemäß Fig. 11 wird beispielhaft der Schichtaufbau rückseitig geöffnet, insbesondere um die Funktionsschicht 3 auf der Seite, die der piezoelektrischen Schicht 4 gegenüberliegt, freizulegen; siehe auch Fig. 12C (ix), in der beispielhaft die Substratschicht 1 zur Zwischenschicht 2 hin rückseitig geöffnet wird, und Fig. 12C (x), in der beispielhaft die Zwischenschicht 2 zur Funktionsschicht 3 hin rückseitig geöffnet wird.
In einem weiteren beispielhaften Schritt Sllll des Verfahrens gemäß Fig. 11 wird beispielhaft der hergestellte Schichtaufbau in einer vakuumgepackten MEMS-Vorrichtung 500 gemäß Fig. 13 bereitgestellt. Hierbei wurde beispielhaft der Schichtaufbau von oben mit einem lichtdurchlässigen Abdeckelement 7 (z.B. ein lichtdurchlässiges Kuppelelement bzw. eine Glaskuppel) und von unten mit einem Grundkörperelement 8 unter Vakuumatmosphäre hermetisch abgeschlossen (z.B. Vakuumverkapselung). In weiteren Ausführungsbeispielen sind auch anders geformte Abdeckelemente bzw. 3D-geformte Abdeckelemente möglich (z.B. eckig oder planar). Das Material der Abdeckelemente ist bevorzugt lichtdurchlässig, z.B. Glas bzw. andere optisch transparente Materialien (z.B. ca. 400-2500 nm), wie z.B. Borosilikatglas (z.B. Borofloat® BF33 der Fa. SCHOTT).
In den vorstehenden Ausführungsbeispielen können insbesondere die Schritte S1106 und S1107 analog zu den Schritten S304 und S305 ausgeführt werden und entsprechende Beschreibungen zu Fig. 3 und den dazugehörenden beispielhaften Herstellungsabfolgen können beispielhaft anwendbar sein. Zudem können insbesondere die Schritte S1108 bis Sllll analog den Schritten S308 bis S311 ausgeführt werden und entsprechende Beschreibungen zu Fig. 3 und den dazugehörenden beispielhaften Herstellungsabfolgen können beispielhaft anwendbar sein.
Fig. 13 zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung einer MEMS-Vorrichtung 500, die gemäß der beispielhaften Herstellungsabfolge der Figs. 12A-12C hergestellt ist. Folglich kann eine vakuumgepackte MEMS-Spiegelvorrichtung 500 (z.B. ein MEMS-Spiegelscanner), die den hergestellten Schichtaufbau umfasst, insbesondere mit piezoelektrisch auslenkbaren bzw. steuerbaren Spiegel 6a bereitgestellt werden, wobei der entsprechende Schichtaufbau bzw. die MEMS-Vorrichtung 500, die den Schichtaufbau umfasst, vorteilhaft geglättete bzw. glatte und/oder kristallfehlerfreie Seitenwände und abgerundete Ecken an den strukturierten Bereichen und Gräben der Funktionsschicht hat, so dass Bruchgrenzen der beweglichen bzw. schwingenden Teile der Funktionsschicht bzw. insbesondere der Federstruktur, die in der Funktionsschicht herausgebildet ist, signifikant erhöht werden können und das Auftreten frühzeitiger Brüche der Federstruktur erfolgreich reduziert werden kann. Im Vergleich zu Verfahren im Stand der Technik ohne Ausheilungsschritt können gemäß Ausführungsbeispielen mit Ausheilungsschritt die Bruchgrenzen der beweglichen bzw. schwingenden Teile der Funktionsschicht bzw. insbesondere der in der Funktionsschicht ausgebildeten Federstruktur mindestens verdoppelt werden, bzw. sogar verfünffacht bzw. verzehnfacht werden. Im Vergleich zum Stand der Technik, d.h. wenn Bauteile ohne ausgeheilte Seitenwände (d.h. insbesondere ohne geglättete Seitenwände und/oder ohne abgerundete Ecken) gefertigt werden, bei denen Brüche insbesondere bereits bei kleineren Auslenkwinkeln bzw. Auslenkamplituden auftreten können, kann das Auftreten von Brüchen der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur vorteilhaft signifikant reduziert werden und insbesondere können auch größere Auslenkwinkel bzw. Auslenkamplituden ermöglicht werden, bei denen bei gemäß Stand der Technik gefertigten Bauteilen bereits Brüche der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur auftreten würden.
Vorstehend wurden Ausführungsbeispiele beschrieben, die ausgehend vom Stand der Technik verbesserte Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS- Vorrichtung bereitzustellen vermögen, insbesondere um die MEMS-Vorrichtung, die den Schichtaufbau umfasst, mit höheren mechanischen Bruchgrenzen der mechanisch wirkenden Bestandteile des Schichtaufbaus bzw. niedrigerer Bruchanfälligkeit bereitstellen zu können.
Besonders vorteilhaft ermöglicht eine Bereitstellung eines Schichtaufbaus gemäß Ausführungsbeispielen mit unter einer hochtemperaturstabilen Schicht (z.B. unter einer dielektrischen Schicht) eingekapselten, strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht die Integration von einem oder mehreren Hochtemperatur-Ausheilungsschritten (wie z.B. Wasserstoff-Annealing von tiefengeätzten Oberflächen, z.B. bei ca. 1000°C-1250°C, und/oder Opferoxidation, z.B. bei ca. 800°C-1250°C, mit Rückätzung der Opferoxidschicht), selbst wenn unter der Einkapselung weniger hochtemperaturstabile und/oder weniger chemisch widerstandsfähige Materialien verwendet werden (z.B. für eine etwaige Bodenelektrode und/oder für die piezoelektrische Schicht, z.B. PZT). In weiteren Ausführungsbeispielen können auch für die Bodenelektrode und/oder für die piezoelektrische Schicht hochtemperaturstabile und/oder chemisch widerstandsfähigere Materialien verwendet werden, so dass derartige Ausheilungsschritte auch ohne Einkapselung erfolgen kann.
Es konnte insbesondere festgestellt werden, dass die Integration eines Hochtemperatur-Ausheilungsschritts gemäß Ausführungsbeispielen (z.B. durch Wasserstoff- Annealing und/oder durch eine Opferoxidation gemäß Ausführungsbeispielen) es erfolgreich vorteilhaft ermöglicht, die tiefengeätzten Seitenwände der strukturierten Funktionsschicht zu glätten, um die bei dem Ätzprozess (z.B. DRIE) entstandenen Fehler und Rauigkeiten (z.B. Scallops, Seitenwanddurchbrüche und atomare Defekte, etc.) an der Oberfläche abzuglätten und auch beim Ätzen entstandene rechtwinklige Ecken abzurunden.
Insbesondere konnte festgestellt werden, dass an den tiefengeätzten Seitenwände der strukturierten Funktionsschicht üblicherweise Rauheitswerte von bis zu 200 nm und in der Regel jeweils über 50nm auftreten, die durch Ausheilung gemäß vorstehenden Ausführungsbeispielen (z.B. durch Wasserstoff-Annealing und/oder durch eine Opferoxidation gemäß Ausführungsbeispielen) signifikant auf Rauheitswerte unter ca. 50nm (insbesondere kleiner oder gleich 50nm) liegend geglättet werden konnten, insbesondere auf Rauheitswerte kleiner oder gleich 30nm, insbesondere kleiner oder gleich lOnm bis zu ca. kleiner oder gleich 2-3 nm. Zudem konnten die 90°-Ecken an den tiefengeätzten Seitenwände der strukturierten Funktionsschicht abgerundet werden (endlicher Eckradius).
Dies führt gemäß Ausführungsbeispielen vorteilhaft zu einer signifikant erhöhten Stabilität bzw. Bruchstabilität der beweglichen Elemente der MEMS-Vorrichtung und insbesondere der Federstruktur, die aus der Funktionsschicht herausgebildet ist, mit erhöhten Bruchgrenzen, wodurch frühzeitige Brüche der Federstruktur bzw. Brüche der Federstruktur bei geringen Auslenkwinkeln vermieden werden können.
Im Vergleich zu Verfahren im Stand der Technik ohne Ausheilungsschritt können gemäß Ausführungsbeispielen mit Ausheilungsschritt die Bruchgrenzen der beweglichen bzw. schwingenden Teile der Funktionsschicht bzw. insbesondere der in der Funktionsschicht ausgebildeten Federstruktur mindestens verdoppelt werden, bzw. sogar verfünffacht bzw. verzehnfacht werden. Im Vergleich zum Stand der Technik, d.h. wenn Bauteile ohne ausgeheilte Seitenwände (d.h. insbesondere ohne geglättete Seitenwände und/oder ohne abgerundete Ecken) gefertigt werden, bei denen Brüche insbesondere bereits bei kleineren Auslenkwinkeln bzw. Auslenkamplituden auftreten können, kann das Auftreten von Brüchen der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur vorteilhaft signifikant reduziert werden und insbesondere können auch größere Auslenkwinkel bzw. Auslenkamplituden ermöglicht werden, bei denen bei gemäß Stand der Technik gefertigten Bauteilen bereits Brüche der Auslenkstrukturen bzw. der Federstruktur auftreten würden.
Insbesondere hat es den Vorteil, dass der Schichtaufbau gemäß Ausführungsbeispielen mit vorteilhaft geglätteten Seitenwände der Bereiche 3a der Funktionsschicht 3 mit abgerundeten Ecken erhöhte Belastbarkeit und Stabilität bzw. Bruchstabilität hat. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Schichten des Schichtaufbaus, einschließlich der Funktionsschicht 3 mit vorteilhaft geglätteten Seitenwänden und abgerundeten Ecken, dazu führen, dass die Funktionsschicht verbesserte Bruchgrenzen hat.
Insbesondere können durch Glätten/Ausheilen der Seitenwände bzw. das Ausheilen der Seitenwandbeschädigungen und das Abrunden der Ecken das ursprüngliche Bruchverhalten, z.B. von Silizium, wiederhergestellt werden, d.h. beispielsweise bei einem hohen Elastizitätsmodulwerte (>160 GPa) und einer hohen Härte (~ 10 GPa), so dass Bruchgrenzen im Vergleich zum Stand der Technik ohne Ausheilen signifikant erhöht werden können. Insbesondere konnte nachgewiesen werden, dass die Bruchgrenzen von ca. 0,5-1, 5 GPa auf über 3 GPa bis zu mehr als 5 GPa erreicht werden können.
In Ausführungsbeispielen, in denen eine vakuumgepackte MEMS-Vorrichtung bereitgestellt wird, können durch den resonanten Schwingungsbetrieb im Vakuum (z.B. <1 mbar) höhere Gütefaktoren von mindestens größer 1000 bzw. größer 10000 bzw. größer 20000 erzielt werden (mindestens Faktor 5 bzw. 10 größer als bei Betrieb unter Raumatmosphäre (~ 1 bar)).
Es sei zudem darauf verwiesen, dass die ermöglichten, höheren mechanischen Bruchgrenzen des Schichtaufbaus der MEMS-Vorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen es vorteilhaft weiterhin ermöglichen, größere Auslenkungsamplituden der beweglichen Elemente (z.B. Scanamplituden der schwingenden Spiegelfläche) zu erhöhen. Dies hat wiederum gemäß Ausführungsbeispielen einen Vorteil, dass die MEMS-Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen anders bzw. kleiner dimensioniert, d.h. bei kompakterem Design, werden können, was wiederum signifikante Kostenersparnisse ermöglicht. Aufgrund der höheren Bruchgrenze können vorteilhaft höhere Stresswerte in den Federn erlaubt werden, wodurch es gemäß weiteren Ausführungsbeispielen vorteilhaft ermöglicht wird, gekürzte Federn zu verwenden. Dies bedeutet beispielsweise, dass man bei gleichbleibender Chipgröße, vorteilhaft mehr Platz für die Spiegelplatte zur Verfügung hat, so dass größere Spiegelplatten ermöglicht werden können, wodurch höhere optische Auflösungen bereitgestellt werden können.
Vorstehend wurden Ausführungsbeispiele von Schichtaufbaustrukturen mit Schichten beschrieben. Hierbei ist festzustellen, dass derartige Ausführungen nicht dahingehend beschränkend aufgefasst werden sollen, dass keine weiteren Zwischenschichten in weiteren Ausführungsbeispielen vorhanden sein können. Im Gegenteil, in weiteren Ausführungsbeispielen können weitere Schichten und/oder Zwischenschichten vorgesehen sein und/oder beschriebene Schichten weggelassen werden.
Es sei darauf verwiesen, dass vorstehend Lediglich Beispiele bzw. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung sowie technische Vorteile detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben wurden. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch in keinster Weise auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale bzw. deren beschriebene Kombinationen begrenzt bzw. eingeschränkt ist, sondern umfasst weiterhin Modifikationen der Ausführungsbeispiele, insbesondere diejenigen, die durch Modifikationen der Merkmale der beschriebenen Beispiele bzw. durch Kombination bzw. Teilkombination einzelner oder mehrerer der Merkmale der beschriebenen Beispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche umfasst sind.
Liste der Bezugszeichen
1 Substratschicht
2 Zwischenschicht
3 Funktionsschicht (engl. Device Layer)
3a Gräben bzw. strukturierte Bereiche der Funktionsschicht
4 piezoelektrische Schicht
5 dielektrische Schicht
5a geöffneter Bereich der dielektrischen Schicht
6 Elektrodenschicht
6a Spiegel
6b Bondpad
7 Abdeckelement
8 Bodenelement bzw. Grundkörperelement
9 Elektrodenschicht (hochtemperaturstabil)
11 Opferoxidschicht
10 Elektrodenschicht bzw. Spiegelschicht
10a Spiegel
10b Bondpad
100 MEMS-Vorrichtung
200 MEMS-Vorrichtung
300 MEMS-Vorrichtung
400 MEMS-Vorrichtung
500 MEMS-Vorrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung, insbesondere eine vakuumgepackte MEMS-Spiegelvorrichtung, umfassend:
- Bereitstellen (S301; S801; S1101) eines Schichtaufbaus, der eine Substratschicht (1) und eine Funktionsschicht (3) umfasst,
- Aufbringen (S302; S802; S1102) einer piezoelektrischen Schicht (4), insbesondere auf einer der Substratschicht (1) gegenüberliegenden Seite der Funktionsschicht (3),
- Strukturieren (S303; S803; S1103) der piezoelektrischen Schicht (4) zum Ausbilden von strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht (4),
- Strukturieren (S306; S805; S1104) der Funktionsschicht (3) zum Ausbilden von strukturierten Bereichen in der Funktionsschicht (3), und
- Ausheilen (S307; S809; S1105) von Gräben in den strukturierten Bereichen der Funktionsschicht (3) bei Temperaturen im Wesentlichen größer oder gleich 700°C.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausheilen (S307; S809; S1105) von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht (3) zur zumindest teilweisen Glättung von Seitenwänden der Gräben in der Funktionsschicht (3) und/oder zur Abrundung von Ecken der Gräben in der Funktionsschicht (3) ausgeführt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausheilen (S307; S809; S1105) von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht (3) bei Temperaturen im Wesentlichen größer oder gleich 800°C ausgeführt wird.
4. Verfahren gemäß zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausheilen (S307; S809; S1105) von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht (3) bei Temperaturen im Wesentlichen kleiner oder gleich 1400°C ausgeführt wird, insbesondere bei Temperaturen im Wesentlichen kleiner oder gleich 1350°C.
5. Verfahren gemäß zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausheilen (S307; S809; S1105) von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht (3) ein Wasserstoff-Annealing umfasst.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoff-Annealing bei Temperaturen von im Wesentlichen größer oder gleich 900°C und/oder im Wesentlichen kleiner oder gleich 1350°C ausgeführt wird, insbesondere bei Temperaturen von im Wesentlichen größer oder gleich 1000°C und/oder im Wesentlichen kleiner oder gleich 1250°C.
7. Verfahren gemäß zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausheilen (S307; S809; S1105) von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht (3) ein Oxidieren von Seitenwänden der Gräben in der Funktionsschicht (3) umfasst.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidieren von Seitenwänden der Gräben in der Funktionsschicht (3) bei Temperaturen von im Wesentlichen größer oder gleich 700°C ausgeführt wird, insbesondere bei im Wesentlichen größer oder gleich 800°C, und/oder bei im Wesentlichen kleiner oder gleich 1250°C.
9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausheilen (S307; S809; S1105) von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht (3) weiterhin ein Abtragen einer Oxidationsschicht (11), die auf Seitenwänden der Gräben in der Funktionsschicht (3) gebildet wird, umfasst, insbesondere durch Ätzen.
10. Verfahren gemäß zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
- Aufbringen (S308; S1108) einer Elektrodenschicht (6) nach dem Ausheilen (S307; S1105) von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht (3) zum Ausbilden einer Elektrodenstruktur für die strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht (4) und/oder zum Ausbilden eines Spiegels und/oder einer Spiegelschicht (6a) auf einem oder mehreren strukturierten Bereichen der Funktionsschicht (3).
11. Verfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch - Aufbringen (S805) einer hochtemperaturstabilen ELektrodenschicht (9) vor dem Ausheilen (S809) von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht (3) zum Ausbilden einer Elektrodenstruktur für die strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht (4).
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der hochtemperaturstabilen Elektrodenschicht (9) ein elektrisch leitfähig dotiertes Silizium, insbesondere dotiertes polykristallines Silizium, umfasst.
13. Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der hochtemperaturstabilen Elektrodenschicht (9) ein hochtemperaturstabiles Metall, eine hochtemperaturstabile Metalllegierung und/oder eine hochtemperaturstabile Metallverbindung, umfasst.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der hochtemperaturstabilen Elektrodenschicht (9) Platin, Molybdän und/oder eine hochtemperaturstabile Molybdänlegierung oder Molybdänverbindung, Wolfram oder eine hochtemperaturstabile Wolframlegierung oder Wolframverbindung, insbesondere Wolframtitan und/oder Wolframcarbid, umfasst.
15. Verfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturstabile Elektrodenschicht (9) derart aufgebracht und/oder strukturiert wird, dass die strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht (4) zwischen der Funktionsschicht (3) und der hochtemperaturstabilen Elektrodenschicht (9) mit optional dazwischenliegender oder bereichsweise dazwischenliegender dielektrischer Schicht (5) eingekapselt sind.
16. Verfahren gemäß zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
- Aufbringen (S810) einer weiteren Schicht nach dem Ausheilen (S809) von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht (3) zum Ausbilden eines Spiegels und/oder einer Spiegelschicht (10a) auf einem oder mehreren strukturierten Bereichen der Funktionsschicht (3).
17. Verfahren gemäß zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
- Aufbringen (S304; S804) einer dielektrischen Schicht (5) zumindest auf den strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht (4) vor dem Ausheilen (S307; S809) von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht (3) und insbesondere vor Aufbringen einer Elektrodenschicht (6; 9).
18. Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrischen Schicht (5) derart aufgebracht wird, dass die strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht (4) zwischen der Funktionsschicht (3) und der auf die strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht (4) aufgebrachten dielektrischen Schicht (5) eingekapselt werden.
19. Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch
- Strukturieren und/oder Öffnen (S305; S807) von Bereichen der dielektrischen Schicht (5) während oder vor dem Strukturieren (S306; S805) der Funktionsschicht (3).
20. Verfahren gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrischen Schicht (5) derart strukturiert und/oder geöffnet wird, dass die strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht (4) zwischen der Funktionsschicht (3) und der auf die strukturierten Bereiche der piezoelektrischen Schicht (4) aufgebrachten dielektrischen Schicht (5) eingekapselt verbleiben.
21. Verfahren gemäß zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der piezoelektrischen Schicht (4) ein ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfasst, insbesondere Aluminiumnitrid (AIN), Aluminium-Scandium-Nitrid (AlScN), Bleizirkonat-Titanat (PZT) und/oder Niob dotiertes PZT (PZT-Nb).
22. Verfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch
- Aufbringen (S1106) einer dielektrischen Schicht (5) zumindest auf den strukturierten Bereichen der piezoelektrischen Schicht (4) nach dem Ausheilen (S1105) von strukturierten Bereichen der Funktionsschicht (3), wobei das Material der piezoelektrischen Schicht (4) ein hochtemperaturstabiles ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfasst, insbesondere Aluminiumnitrid (AIN) und/oder Aluminium-Scandium-Nitrid (AlScN).
23. Verfahren gemäß zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierten Bereiche der Funktionsschicht (3) ein oder mehrere bewegliche Elemente, die in der Funktionsschicht (3) ausgebildet sind, und/oder eine Federstruktur, die in der Funktionsschicht (3) ausgebildet ist, umfasst, wobei die Federstruktur insbesondere die einen oder mehreren beweglichen Elemente hält.
24. Verfahren gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die einen oder mehreren bewegliche Elemente der strukturierten Bereiche der Funktionsschicht (3) ein Spiegelträgerelement umfassen, wobei der Spiegel (6a; 10a) auf dem Spiegelträgerelement angeordnet ist.
25. Verfahren gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Federstruktur der strukturierten Bereiche der Funktionsschicht (3) das Spiegelträgerelement mit Spiegel (6a; 10a) hält und die Federstruktur in der Funktionsschicht (3) derart ausgebildet wird, dass das Spiegelträgerelement mit Spiegel (6a; 10a) um eine oder zwei Achsen, insbesondere Schwing- und/oder Torsionsachsen, schwingbar gehalten wird, insbesondere bevorzugt für eine zweidimensionale Lissajous-Scanbewegung des Spiegelträgerelements mit Spiegel (6a; 10a).
26. Verfahren gemäß zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren (S306; S805; S1104) der Funktionsschicht (3) ein Hochratenätzen und/oder reaktives lonentiefenätzen umfasst.
27. Ein Schichtaufbau, der mittels des Verfahrens gemäß zumindest einem der vorstehenden Ansprüche hergestellt ist, umfassend:
- eine Substratschicht (1),
- eine strukturierte Funktionsschicht (3), und - eine strukturierte piezoelektrische Schicht (4) auf einer Seite der Funktionsschicht
(3), die der Substratschicht (1) gegenüberliegt, wobei Gräben in der Funktionsschicht (3) in strukturierten Bereichen der
Funktionsschicht (3) ausgeheilt sind, und insbesondere geglättete und/oder kristallfehlerfreie Seitenwände und/oder abgerundete Ecken haben.
28. Schichtaufbau gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenrauigkeit von Seitenwänden der Gräben in der Funktionsschicht (3) in strukturierten Bereichen der Funktionsschicht (3) im Wesentlichen kleiner oder gleich 50nm ist, insbesondere im Wesentlichen kleiner oder gleich 30nm, insbesondere bevorzugt kleiner oder gleich lOnm.
29. MEMS-Vorrichtung, insbesondere MEMS-Spiegelvorrichtung (200; 300; 400; 500), umfassend einen Schichtaufbau gemäß Anspruch 27 oder 28.
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