EP4573043A1 - Verfahren zur herstellung von mikroelektromechanischen strukturen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von mikroelektromechanischen strukturen

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EP4573043A1
EP4573043A1 EP23744757.8A EP23744757A EP4573043A1 EP 4573043 A1 EP4573043 A1 EP 4573043A1 EP 23744757 A EP23744757 A EP 23744757A EP 4573043 A1 EP4573043 A1 EP 4573043A1
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EP
European Patent Office
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layer
layers
silicon
passivation
carrier substrate
Prior art date
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Pending
Application number
EP23744757.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Arnd Kaelberer
Jochen Tomaschko
Hartmut Kueppers
Heiko Stahl
Achim HARZHEIM
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • B81C2201/0177—Epitaxy, i.e. homo-epitaxy, hetero-epitaxy, GaAs-epitaxy

Definitions

  • the present invention relates to the field of microelectromechanical devices and relates to a method for producing microelectromechanical structures. Furthermore, it relates to a microelectromechanical device.
  • DE 10 2006 032 195 A1 describes a method for producing MEMS structures.
  • DE 10 2009 029 202 A1 discloses a micromechanical system and a method for producing a micromechanical system. From DE 10 2015 206 996 A1 the so-called EPyC process (EPyC: epitaxial polysilicon cycle) for producing microelectromechanical structures with large vertical dimensions is known, which uses epitaxial polysilicon as a functional and sacrificial material and uses repeating cycles to create a layer structure made of epitaxial Polysilicon layers build up.
  • EPyC epitaxial polysilicon cycle
  • microelectromechanical structures According to the invention, a method for producing microelectromechanical structures and a device with such microelectromechanical structures are proposed.
  • the one or more central layers can be structured, for example have recesses and/or recesses, and/or can be structured, for example by means of an etching process. In this way, electrical connections and insulation can be achieved between certain areas of these and the silicon layers to be applied. Structuring can be carried out, for example, before carrying out the following steps and/or after partial removal of the first carrier substrate and/or, in the case of a suitable material for the central layer to be structured, also by means of a later etching process, for example by a later silicon sacrificial layer etching. In particular, it is also conceivable that the first carrier substrate is provided directly with one or more central layers that are structured.
  • This first silicon layer is structured to form trenches in the first silicon layer, the trenches extending at least in places through the first silicon layer.
  • Such structuring can be carried out, for example, by means of reactive ion etching (IE, reactive ion etching) and/or deep reactive-ion etching (DRIE) and/or, in particular in the case of relatively thin silicon layers, by means of a plasma etching process.
  • IE reactive ion etching
  • DRIE deep reactive-ion etching
  • the passivation layer therefore serves as a lateral and vertical etching stop and can therefore have a function identical to that of the insulation layer.
  • the passivation layers produced can consist of different materials, for example silicon oxide and/or silicon nitride. For example, with an oxide etching process, the parts of the passivation layers can be preserved, which consist of silicon nitride, which can then be used for electrical insulation during operation of the layer system generated by the process.
  • the first passivation layer formed in this way is structured, with this structuring forming first sacrificial areas and first functional areas in the first silicon layer and the first sacrificial areas on the side of the first silicon layer facing away from the first insulation layer being at least partially free of the first passivation layer.
  • Such a procedure requires suitable structuring of the first and second insulation layers.
  • a method for integrating one or more central layers into a microelectromechanical structure is proposed, which is constructed using the EPyC process.
  • the method according to the invention makes it possible to integrate a well-defined layer, for example a highly doped single-crystalline silicon layer (Si layer) with an exact layer thickness, into a complex MEMS.
  • This central layer or the central layers can be predetermined by a raw material for the carrier substrate or applied to one.
  • the EPyC process please refer to DE 10 2015 206 996 A1, which is hereby fully integrated into the present application as part of it.
  • a particularly advantageous embodiment of the method according to the invention is provided in that the steps of applying, for example epitaxial growth, structuring and passivation of the first silicon layer, as described above, are each repeated.
  • the structuring of the first passivation layer is also repeated as described above.
  • the corresponding steps can also be repeated for the second silicon layer and the second passivation layer.
  • Such a repetition can occur several times, for example twice, three times, five times or ten times.
  • the application takes place on a structured passivation layer (namely the outermost one) instead of an insulation layer.
  • further silicon layers and further passivation layers are formed and structured on the first and/or on the second side of the one or more central layers.
  • Layer systems can therefore be formed on both sides of the one or more central layers. Additional layers are created by forming and structuring the additional silicon layers and the additional passivation layers Sacrificial areas and other functional areas in the other silicon layers. At the same time, electrical connections and insulation between certain areas of the silicon layers can be achieved by structuring the additional passivation layers.
  • functional layer sequences can be produced in a simple manner on both sides of the central layers. The stacked layers can be precisely adjusted against each other. Each silicon layer can be structured and designed independently of other silicon layers. In particular, interlocking and/or overlapping functional areas, particularly with regard to a vertical extent, are also possible. The process also makes it possible to freely design electrical connections and insulation and mechanical connections and insulation within the functional areas.
  • At least one of the passivation layers is preferably removed at least in places, possibly including exposing trenches, and/or one of the insulation layers, i.e. parts of the first and/or the second passivation layer and/or one or more of the optional ones existing further passivation layers and/or the first and/or the second insulation layer, for example in order to produce a desired mobility of the structures produced.
  • This is particularly advantageous if the functional areas are advantageously completely fixed to one another by the method according to the invention.
  • recesses and/or recesses can be created in one of the passivation layers produced and/or trenches can be exposed.
  • the passivation layer can also be completely removed. This may include exposing the trenches. For example, removing the passivation layer, for example an oxide passivation layer, or dividing it by gas phase etching, plasma etching and/or a Wet etching takes place.
  • the passivation layer or parts of it can be removed particularly easily.
  • a second carrier substrate preferably consisting essentially of silicon
  • a second carrier substrate is applied to one side of the first carrier substrate, namely on the same side on which the silicon layer or (if repeated) silicon layers and the insulation layer or (if repeated) the insulation layers were applied in the previous steps were trained. This can be advantageous in order to increase the stability of the wafer for the following work steps.
  • Such an application of a second carrier substrate can, for example, include bonding, for example soldering and/or sintering, of the second carrier substrate.
  • the second carrier substrate is preferably applied before any possible rotation of the first carrier substrate with the previously produced layers and structures and/or before a structuring of the last formed passivation layer. Such structuring of the passivation layer formed last can also take place after the second carrier substrate has been removed later. Removal of the second carrier substrate can preferably take place before removing all sacrificial areas (typically by means of a silicon sacrificial layer etching). Removing the second carrier substrate before removing all sacrificial areas is particularly advantageous since the structures formed by the method are mechanically very sensitive after the sacrificial areas have been removed. This severely limits the selection of possible methods for removing the carrier substrate after first removing the sacrificial areas.
  • the second carrier substrate is preferably removed using chemical-mechanical polishing (CMP).
  • At least one of the epitaxially grown silicon layers comprises or is a single-crystalline, a polycrystalline and/or an epi-polycrystalline silicon layer.
  • a layer thickness of at least one of the epitaxially grown silicon layers can be, for example, 0.5 to 100 pm, preferably 20 to 60 pm.
  • Thin silicon layers are suitable, for example, as resilient elements for vertical deflections.
  • Thick silicon layers are advantageous for producing electrode combs or for filling large volumes or removing them again as sacrificial areas.
  • the passivation layer is structured using a dry etching process and/or a wet etching process.
  • the passivation layer can therefore simply can be removed again without having to resort to a specific etching process.
  • the removal of sacrificial areas is preferably carried out at least partially by plasmaless and/or plasma-assisted etching, i.e. using processes for etching silicon sacrificial layers. This means that the sacrificial areas can be removed particularly easily.
  • Such plasmaless etching can be carried out, for example, by chlorine trifluoride (CIF3), chlorine fluoride (CIF), chlorine pentafluoride (CIF5), bromine trifluoride (BrFa), bromopentafluoride (BrFs), iodine pentafluoride (IF5), iodine fluoride (IF7), sulfur tetrafluoride (SF4), xenon difluoride (XeF2 ) or similar substances.
  • the plasma-assisted etching can be carried out, for example, using fluorine plasma, chlorine plasma and/or bromine plasma.
  • the etching can also be based on a combination of plasma-free and plasma-assisted etching.
  • the method according to the invention makes it possible to easily integrate a well-defined layer with free properties into a microelectromechanical structure, which is referred to as the central layer in the context of this application.
  • the material of this central layer can be chosen flexibly, for example single-crystalline silicon can be chosen, which has a higher current and thermal conductivity than polysilicon.
  • particularly thin central layers with exact layer thickness and low deviation can also be integrated, which cannot be achieved using CMP.
  • a central layer can be used on a raw wafer that can be reliably qualified and controlled.
  • the desired properties of the one central layer or the several central layers can be used, but the precise definition also avoids any problems with the topography of these central layers become.
  • the process according to the invention is also suitable for CMOS and high temperatures and is therefore particularly suitable for mass production of MEMS.
  • FIGS 1A to 1G show schematic cross-sectional views to explain a method according to the invention for producing microelectromechanical structures
  • Figure 2 shows a schematic flow diagram to explain a method according to the invention for producing microelectromechanical structures
  • a second carrier substrate 160 can now be applied to the exposed and last applied passivation layer 154b in order to mechanically stabilize the microelectromechanical structures produced so far.
  • a circuit 355 made of electrical connections can be implemented, which is set up to control an actuator 385, the actuator 385 in turn being connected to the upper alternating sequence 380 of structured silicon layers 180 and structured passivation layers 184 can be realized.
  • micromechanical elements can also be implemented by means of the lower sequence 350 of layers 150, 154, just as parts of the upper sequence 380 of layers 180, 184 can serve the interconnection 355.
  • the microelectromechanical device 300 is located on a carrier 320, which can, for example, include further electrical and electronic components that serve to control the microelectromechanical device 300.

Landscapes

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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

Verfahren zur Herstellung von mikroelektromechanischen Strukturen mit Bereitstellen eines Trägersubstrats (110) mit einer zentralen Schicht (140) und einer Oberfläche sowie einer auf einer Seite der zentralen Schicht angeordneten und auf der Oberfläche aufgebrachten Isolationsschicht (122), Aufbringen einer Siliziumschicht (150a) auf die Isolationsschicht, Strukturieren der Siliziumschicht zum Ausbilden von Gräben (156), die sich stellenweise durch die Siliziumschicht erstrecken, Passivieren der Siliziumschicht, wobei die Gräben befüllt werden und sich eine Passivierungsschicht (154) bildet, Strukturieren der Passivierungsschicht, wobei sich Opferbereiche (153) und Funktionsbereiche (152) ausbilden und die Opferbereiche stellenweise frei von der Passivierungsschicht sind, Entfernen eines Teils des Trägersubstrats (110) zum Ausbilden einer neuen Oberfläche und Ausbilden einer zweiten Isolationsschicht (172) auf der neuen Oberfläche. Es folgt ein Wiederholen des Aufbringens, Strukturierens und Passivierens für eine zweite Siliziumschicht (180a) auf der zweiten Isolationsschicht und des Strukturierens für eine zweite Passivierungsschicht (184) unter Ausbildung von Opferbereichen und Funktionsbereichen und ein Entfernen aller Opferbereiche.

Description

Verfahren zur Herstellung von mikroelektromechanischen Strukturen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mikroelektromechanischen Vorrichtungen und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mikroelektromechanischen Strukturen. Des Weiteren betrifft sie eine mikroelektromechanische Vorrichtung.
Stand der Technik
Die DE 10 2006 032 195 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von MEMS-Strukturen. In der DE 10 2009 029 202 A1 ist ein mikromechanisches System sowie ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Systems offenbart. Aus der DE 10 2015 206 996 A1 ist der sogenannte EPyC-Prozess (EPyC: epitaxial polysilicon cycle) zum Herstellen von mikroelektromechanischen Strukturen mit großer vertikaler Ausdehnung bekannt, der epitaktisches Polysilizium als Funktions- und Opfermaterial nutzt und mittels sich wiederholender Zyklen eine Schichtstruktur aus epitaktischen Polysiliziumschichten aufbaut.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Herstellung von mikroelektromechanischen Strukturen sowie eine Vorrichtung mit solchen mikroelektromechanischen Strukturen vorgeschlagen.
Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von mikroelektromechanischen Strukturen, beispielsweise Strukturen für eine mikroelektromechanische Vorrichtung, beispielsweise eine Vorrichtung umfassend ein MEMS (microelectromechanical system), vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst dabei ein Bereitstellen eines ersten Trägersubstrats, beispielsweise zumindest im Wesentlichen bestehend aus Silizium, mit einer oder mehreren zentralen Schichten. Bei der einen oder den mehreren zentralen Schichten handelt es sich vorzugsweise um eine oder mehrere einkristalline Siliziumschichten, die vorzugsweise eine Schichtdicke von 0,1 pm bis 10,0 pm aufweisen. Auch weisen solche einkristallinen Siliziumschichten vorzugsweise eine Dotierung auf, die bevorzugt so gestaltet ist, dass der spezifische Widerstand des dotierten Siliziums im Bereich von 1 mQ-cm bis 5 mQ-cm bei 20 °C liegt. Es können als zentrale Schichten auch mehrere Schichten umfassend unterschiedliche Materialien eingesetzt werden. Die eine oder die mehreren zentralen Schichten können strukturiert sein, also beispielsweise Ausnehmungen und/oder Aussparungen aufweisen, und/oder strukturiert werden, beispielsweise mittels eines Ätzverfahrens. Hierdurch können elektrische Verbindungen und Isolationen zwischen bestimmten Bereichen dieser und der aufzubringenden Siliziumschichten erreicht werden. Eine Strukturierung kann beispielsweise vor der Durchführung der folgenden Schritte vorgenommen werden und/oder nach einem teilweisen Entfernen des ersten Trägersubstrats und/oder, bei einem geeigneten Material der zu strukturierenden zentralen Schicht, auch mittels eines späteren Ätzverfahrens, beispielsweise durch ein späteres Siliziumopferschichtätzen. Insbesondere ist es auch denkbar, dass das erste Trägersubstrat direkt mit einer oder mehreren zentralen Schichten bereitgestellt wird, die strukturiert sind. Auf einer Oberfläche des ersten Trägersubstrats ist hierbei eine erste Isolationsschicht ausgebildet, wobei die erste Isolationsschicht auf einer ersten Seite der einen oder der mehreren zentralen Schichten angeordnet ist und die erste Isolationsschicht selbst nicht Teil des ersten Trägersubstrats ist. Eine solche Isolationsschicht dient zur elektrischen und mechanischen Isolation zwischen Substrat und der Siliziumschicht des folgenden ersten EPyC-Zyklus. Vorzugsweise ist die Oberfläche des ersten Trägersubstrats durch eine Oberfläche einer der ein oder mehreren zentralen Schichten realisiert.
Bei der ersten Isolationsschicht handelt es sich vorzugsweise um eine Siliziumoxid- und/oder Siliziumnitridschicht. Die erste Isolationsschicht dient vorzugsweise als Ätzstoppschicht für ein späteres Siliziumopferschichtätzen. Durch Verwendung einer solchen Ätzstoppschicht kann auf aufwendige und stark schwankende zeitabhängige Ätzverfahren verzichtet werden. Insbesondere zum Herstellen von elektrischen Verbindungen durch die Isolationsschicht hindurch kann diese Isolationsschicht strukturiert sein und/oder vor Durchführung der weiteren Schritte strukturiert werden. Auf die erste Isolationsschicht wird eine erste Siliziumschicht aufgebracht, beispielsweise gebondet, aufgesputtert und/oder bevorzugt aufgewachsen, insbesondere epitaktisch aufgewachsen. Hierbei erfolgt ein epitaktisches Aufwachsen insbesondere bei Temperaturen von typischerweise > 600 °C, vorzugsweise > 900 °C. Eine Strukturierung der ersten Isolationsschicht kann vor diesem Aufwachsen der ersten Siliziumschicht erfolgen und/oder nach einem Entfernen des ersten Trägersubstrats, also von der entgegengesetzten Seite. Die aufgebrachte erste Siliziumschicht kann beispielsweise eine einkristalline, eine polykristalline und/oder eine epi-polykristalline Siliziumschicht umfassen oder sein. Als epi-polykristalline Siliziumschichten werden hierbei polykristalline Siliziumschichten bezeichnet, die epitakisch aufgewachsen worden sind, also unter epitaktischen Wachstumsbedingungen. Solche epi-polykristallinen Siliziumschichten besitzen typischerweise Dicken von mehr als 5 pm, häufig auch von mehreren 10 pm.
Ein epitaktisches Aufwachsen auf die erste Isolationsschicht, beispielsweise einer Siliziumoxidschicht, kann das vorherige Aufbringen einer Polysilizium- Startschicht, beispielsweise mittels CVD-Polysiliziumabscheidung (CVD: chemical vapour deposition, Chemische Gasphasenabscheidung), auf die Isolationsschicht umfassen, da Polysilizium (polykristallines Silizium) typischerweise nicht direkt auf der Isolationsschicht epitaxiert werden kann. Dies gilt ebenfalls für die weiter unten diskutierte zweite Isolationsschicht und die Passivierungsschichten. Bereiche, die nicht durch eine Isolationsschicht oder eine Passivierungsschicht bedeckt werden, können durch eine CVD- Polysiliziumabscheidung befüllt werden, wodurch ein elektrischer Kontakt zu einer anschließend aufzuwachsenden Siliziumschicht hergestellt wird. Es wird also eine Verdrahtungsschicht ausgeprägt. Eine direkte Epitaxierung ohne eine Polysilizium-Startschicht kann allerdings auch dadurch möglich gemacht werden, indem eine Prozessführung gewählt wird, bei der sich von selbst Kristallisationskeime bilden. Der Begriff des epitaktischen Aufwachsens bezeichnet im Rahmen dieser Erfindung beide möglichen Varianten, also das indirekte epitaktische Aufwachsen unter Verwendung einer vorher zumindest teilweise aufzubringenden Startschicht und ein direktes epitaktisches Aufwachsen ohne Startschicht. Ein erstes Trägersubstrat mit einer auf eine erste Isolationsschicht aufgebrachten Siliziumschicht sowie einer gewünschten zentralen Schicht kann hierbei auch direkt in Form eines Rohwafers wie eines SOI-Wafers (SOI: Silicon-on-lnsulator) zur Verfügung gestellt werden. Eine Schichtdicke der ersten Siliziumschicht und auch von weiteren aufgebrachten Siliziumschichten kann beispielsweise 0,5 bis 100 pm, vorzugsweise 20 bis 60 pm betragen.
Diese erste Siliziumschicht wird zum Ausbilden von Gräben in der ersten Siliziumschicht strukturiert, wobei sich die Gräben zumindest stellenweise durch die erste Siliziumschicht erstrecken. Eine solche Strukturierung kann beispielsweise mittels eines reaktiven lonenätzens ( IE, reactive ion etching) und/oder eines reaktiven lonentiefätzens (DRIE, deep reactive-ion etching) und/oder, insbesondere im Fall von relativ dünnen Siliziumschichten, mittels eines Plasmaätzverfahrens erfolgen.
Die erste Siliziumschicht wird anschließend passiviert, wobei die Gräben befüllt werden und sich auf einer der ersten Isolationsschicht abgewandten Seite der ersten Siliziumschicht eine erste Passivierungsschicht bildet. Die Befüllung der Gräben erfolgt hierbei durch das Ausbilden der ersten Passivierungsschicht in den Gräben. Vorzugsweise bedeckt die Passivierungsschicht im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der ersten Siliziumschicht einschließlich der Gräben. Für die Passivierung können Passivierungstechniken wie beispielsweise thermische Oxidation und/oder Tetraethylorthosilicat-Abscheidung (TEOS-Abscheidung), Siliziumcarbid-Abscheidung (SiC-Abscheidung), Siliziumcarbonitrid-Abscheidung (SiCN-Abscheidung), Siliziumnitrid-Abscheidung (SixNy-Abscheidung) oder Siliziumoxynitrid-Abscheidung (SiON-Abscheidung) angewendet werden. Bereiche der Siliziumschicht, welche nicht geätzt werden sollen, werden durch die Passivierungsschicht vor einem Ätzangriff geschützt. Die Bereiche der Siliziumschicht mit Zugang für ein zum Ätzen verwendetes Ätzmedium (Opferbereiche) können vollständig geätzt werden. Die Passivierungsschicht dient also als lateraler und vertikaler Ätzstopp, kann also dies betreffend eine der Isolationsschicht identische Funktion haben. Die erzeugten Passivierungsschichten können abhängig von der verwendeten Passivierungstechnik aus unterschiedlichen Materialien bestehen, beispielsweise aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid. Beispielsweise kann so mit einem Verfahren zur Oxidätzung die Teile der Passivierungsschichten erhalten bleiben, die aus Siliziumnitrid bestehen, das dann zur elektrischen Isolation im Betrieb des durch das Verfahren erzeugten Schichtsystems dienen kann.
Die so gebildete erste Passivierungsschicht wird strukturiert, wobei sich durch diese Strukturierung in der ersten Siliziumschicht erste Opferbereiche und erste Funktionsbereiche ausbilden und die ersten Opferbereiche auf der der ersten Isolationsschicht abgewandten Seite der ersten Siliziumschicht zumindest stellenweise frei von der ersten Passivierungsschicht sind.
Anschließend wird ein Teil des ersten Trägersubstrats entfernt. Dies geschieht so, dass eine neue Oberfläche des ersten Trägersubstrats auf einer zweiten Seite der einen oder der mehreren zentralen Schichten ausgebildet wird, wobei keine der einen oder mehreren zentralen Schichten entfernt wird. Beispielsweise kann das Trägersubstrat also bis zur ersten freigelegten zentralen Schicht abgetragen werden. Zu diesem Zeitpunkt kann besonders einfach eine Strukturierung dieser ersten freigelegten zentralen Schicht erfolgen, beispielsweise mittels eines geeigneten Ätzverfahrens, beispielsweise zum Herstellen von elektrischen Verbindungen. Schließlich wird eine zweite Isolationsschicht auf der so erzeugten neuen Oberfläche ausgebildet. Optional kann diese wie bereits die erste Isolationsschicht strukturiert werden, insbesondere um elektrische Verbindungen durch die zweite Isolationsschicht zu ermöglichen. Zum Herstellen von elektrischen Verbindungen kann es also vorteilhaft sein, dass die erste und/oder die zweite Isolationsschicht strukturiert ist und/oder ein Strukturieren der ersten und/oder zweiten Isolationsschicht erfolgt. Ebenso kann es vorteilhaft sein, dass die eine oder die mehreren zentralen Schichten strukturiert sind und/oder strukturiert werden.
Die obigen Schritte des epitaktischen Aufbringens, Strukturierens und Passivierens werden anschließend wiederholt, diesmal für eine zweite Siliziumschicht und eine zweite Isolationsschicht anstatt der ersten Siliziumschicht beziehungsweise der ersten Isolationsschicht. Ebenso wird eine im Passivierungsschritt gebildete zweite Passivierungsschicht wie die erste Passivierungsschicht unter Ausbildung von zweiten Opferbereichen und zweiten Funktionsbereichen in der zweiten Siliziumschicht strukturiert. Alle Opferbereiche werden anschließend entfernt, beispielsweise mittels eines Ätzverfahrens (Siliziumopferschichtätzen). Ein solches Siliziumopferschichtätzen kann auch dazu dienen, die eine oder die mehreren zentralen Schichten zu strukturieren, abhängig von dem Material dieser Schicht beziehungsweise dieser Schichten. Dies ist besonders vorteilhaft, um mittels eines einzelnen Siliziumopferschichtätzens einen Hohlraum zu schaffen, der sich aus Opferbereichen beidseitig der einen oder der mehreren zentralen Schichten zusammensetzt und der die eine oder die mehreren zentralen Schichten durchdringt. Ein solches Vorgehen setzt eine geeignete Strukturierung der ersten und der zweiten Isolationsschicht voraus.
Erfindungsgemäß wird also ein Verfahren zum Integrieren einer oder mehrerer zentraler Schichten in eine mikroelektromechanische Struktur vorgeschlagen, die mittels des EPyC-Prozesses aufgebaut wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es ermöglicht, eine wohldefinierte Schicht, zum Beispiel eine hochdotierte einkristalline Siliziumschicht (Si-Schicht) mit einer exakten Schichtdicke, in ein komplexes MEMS zu integrieren. Diese zentrale Schicht beziehungsweise die zentralen Schichten können durch ein Rohmaterial für das Trägersubstrat vorgegeben sein oder auf ein solches aufgebracht werden. Für weitere Details bezüglich des EPyC-Prozesses sei auf die DE 10 2015 206 996 A1 verwiesen, die hiermit vollständig als Bestandteil der vorliegenden Anmeldung in diese integriert ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren ist dadurch gegeben, dass die Schritte des Aufbringens, beispielsweise des epitaktischen Aufwachsens, des Strukturierens und des Passivierens der ersten Siliziumschicht, wie sie oben beschrieben sind, jeweils wiederholt werden. Auch wird das Strukturieren der ersten Passivierungsschicht wie oben beschrieben wiederholt. Alternativ oder zusätzlich können die entsprechenden Schritte auch für die zweite Siliziumschicht und die zweite Passivierungsschicht wiederholt werden. Eine solche Wiederholung kann mehrmals, beispielsweise zweimal, dreimal, fünfmal oder zehnmal, geschehen. Im Rahmen einer solcher Wiederholung erfolgt das Aufbringen jeweils auf eine strukturierte Passivierungsschicht (nämlich der gerade zuäußerst liegenden) anstatt einer Isolationsschicht. Hierdurch werden auf der ersten und/oder auf der zweiten Seite der einen oder der mehreren zentralen Schichten weitere Siliziumschichten und weitere Passivierungsschichten ausgebildet und strukturiert. Eine Ausbildung von Schichtsystemen beidseitig der einen oder der mehreren zentralen Schichten kann also erfolgen. Es entstehen durch das Ausbilden und Strukturieren der weiteren Siliziumschichten und der weiteren Passivierungsschichten weitere Opferbereiche und weitere Funktionsbereiche in den weiteren Siliziumschichten. Gleichzeitig können durch die Strukturierung der weiteren Passivierungsschichten elektrische Verbindungen und Isolationen zwischen bestimmten Bereichen der Siliziumschichten erreicht werden. Mittels dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können auf einfache Art und Weise funktionale Schichtenfolgen beidseitig der zentralen Schichten hergestellt werden. Die aufeinander gestapelten Schichten können hierbei genau gegeneinander justiert werden. Jede Siliziumschicht kann unabhängig von anderen Siliziumschichten strukturiert und gestaltet werden. Insbesondere sind auch ineinander verzahnte und/oder sich überlappende Funktionsbereiche, insbesondere hinsichtlich einer vertikalen Ausdehnung, möglich. Das Verfahren ermöglicht es auch, elektrische Verbindungen und Isolationen und mechanische Verbindungen und Isolationen innerhalb der Funktionsbereiche frei zu gestalten. Im Rahmen dieses Vorgehens können vor dem Aufbringen der nächsten Siliziumschicht solche Bereiche, die frei von einer Passivierungsschicht sind, mittels CVD-Polysiliziumabscheidung befüllt werden, um eine Verdrahtungsschicht auszuprägen. Auch kann durch eine solche CVD- Polysiliziumabscheidung eine Startschicht im Rahmen des Schritts des Aufbringens der nächsten Siliziumschicht generiert werden.
Bevorzugt erfolgt nach dem Entfernen aller Opferbereiche auch ein zumindest stellenweises Entfernen zumindest einer der Passivierungsschichten, gegebenenfalls einschließlich einem Freilegen von Gräben, und/oder einer der Isolationsschichten, also von Teilen der ersten und/oder der zweiten Passivierungsschicht und/oder einer oder mehrerer der gegebenenfalls vorhandenen weiteren Passivierungsschichten und/oder der ersten und/oder der zweiten Isolationsschicht, beispielsweise um eine gewünschte Beweglichkeit der erzeugten Strukturen herzustellen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn durch das erfindungsgemäße Verfahren die Funktionsbereiche vorteilhaft zueinander vollständig fixiert sind. Es können beispielsweise Ausnehmungen und/oder Aussparungen in einer der erzeugten Passivierungsschichten geschaffen werden und/oder eine Freilegung von Gräben erfolgen. Die Passivierungsschicht kann auch vollständig entfernt werden. Dies kann die Freilegung der Gräben einschließen. Beispielsweise kann das Entfernen der Passivierungsschicht, beispielsweise einer Oxid-Passivierungsschicht, oder Teilen dieser durch ein Gasphasenätzen, ein Plasmaätzen und/oder ein Nassätzen erfolgen. Die Passivierungsschicht oder Teile von dieser können hiermit besonders einfach entfernt werden.
Bevorzugt erfolgt vor dem Entfernen der Teile des ersten Trägersubstrats und somit auch vor dem Ausbilden der zweiten Isolationsschicht ein Drehen des ersten Trägersubstrats (einschließlich der bisher aufgebrachten Schichten und erzeugten mikroelektromechanischen Strukturen), wobei das Drehen vorzugsweise um eine parallel zu der Oberfläche verlaufende Achse um einen Winkel zwischen 175° und 185°, bevorzugt zwischen 179° und 181 ° und besonders bevorzugt von 180° erfolgt. Hierdurch wird erreicht, dass das Ausbilden der zweiten Isolationsschicht und der folgenden Schichten besonders einfach erfolgen kann, da durch die ähnliche Orientierung Vorrichtungen in ähnlicher Art und Weise für das Ausbilden von Schichten auf beiden Seiten der einen oder der mehreren zentralen Schichten verwendet werden können. Der Herstellungsprozess der herzustellenden mikroelektromechanischen Strukturen wird also stark vereinfacht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Entfernen von Teilen des ersten Trägersubstrats mittels eines chemisch-mechanischen Polierens (CMP) erfolgt. Ein solches Vorgehen ermöglicht es beispielsweise, das Trägersubstrat in hoher Exaktheit bis zum Auftreten einer ersten der zentralen Schichten abzutragen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt vor dem Entfernen von Teilen des ersten Trägersubstrats ein Aufbringen eines zweiten Trägersubstrats, vorzugsweise im Wesentlichen bestehend aus Silizium, auf einer Oberfläche einer zuletzt ausgebildeten Passivierungsschicht. Es wird also nach dem Aufbauen einer dreidimensionalen Struktur auf einer Seite des ersten Trägersubstrats ein zweites Trägersubstrat aufgebracht, und zwar auf derselben Seite, auf der in den vorherigen Schritten die Siliziumschicht beziehungsweise (bei Wiederholung) Siliziumschichten sowie die Isolationsschicht beziehungsweise (bei Wiederholung) die Isolationsschichten ausgebildet wurden. Dies kann vorteilhaft sein, um die Stabilität des Wafers für die folgenden Arbeitsschritte zu erhöhen. Ein solches Aufbringen eines zweiten Trägersubstrats kann beispielsweise ein Bonden, beispielsweise ein Löten und/oder ein Sintern, des zweiten Trägersubstrats umfassen. Ein Aufbringen des zweiten Trägersubstrats erfolgt bevorzugt vor einem eventuellen Drehen des ersten Trägersubstrats mit den bisher erzeugten Schichten und Strukturen und/oder vor einer Strukturierung der zuletzt ausgebildeten Passivierungsschicht. Eine solche Strukturierung der zuletzt ausgebildeten Passivierungsschicht kann auch nach einem späteren Entfernen des zweiten Trägersubstrats erfolgen. Ein Entfernen des zweiten Trägersubstrats kann vorzugsweise vor dem Entfernen aller Opferbereiche (typischerweise mittels eines Siliziumopferschichtätzens) erfolgen. Ein Entfernen des zweiten Trägersubstrats vor dem Entfernen aller Opferbereiche ist besonders vorteilhaft, da die durch das Verfahren gebildeten Strukturen nach dem Entfernen der Opferbereiche mechanisch sehr empfindlich sind. Dies schränkt die Auswahl möglicher Verfahren zum Entfernen des Trägersubstrats bei vorherigem Entfernen der Opferbereiche stark ein. Ein Entfernen des zweiten Trägersubstrats erfolgt vorzugsweise mittels eines chemisch-mechanischen Polierens (CMP).
Bevorzugt umfasst mindestens eine der epitaktisch aufgewachsenen Siliziumschichten, beispielsweise die erste Siliziumschicht und/oder die zweite Siliziumschicht und/oder eine der weiteren Siliziumschichten, eine einkristalline, eine polykristalline und/oder eine epi-polykristalline Siliziumschicht oder ist eine solche. Weiterhin kann eine Schichtdicke mindestens einer der epitaktisch aufgewachsenen Siliziumschichten, beispielsweise der ersten Siliziumschicht und/oder der zweiten Siliziumschicht und/oder einer der weiteren Siliziumschichten, beispielsweise 0,5 bis 100 pm betragen, vorzugsweise 20 bis 60 pm. Dünne Siliziumschichten eignen sich beispielsweise als federnde Elemente für vertikale Auslenkungen. Dicke Siliziumschichten hingegen sind vorteilhaft zur Herstellung von Elektrodenkämmen oder auch, um große Volumen zu füllen beziehungsweise als Opferbereiche auch wieder zu entfernen.
Vorzugsweise erfolgt das Strukturieren zum Ausbilden der Gräben mittels eines Trench-Prozesses wie reaktivem lonenätzen (RI E, reactive ion etching) und/oder reaktivem lonentiefätzen (DRIE, deep reactive-ion etching) und/oder mittels eines Plasmaätzverfahrens. Hierbei ist ein Plasmaätzverfahren insbesondere bei dünnen Schichten (Dicken von wenigen Mikrometern) sinnvoll. Für dickere Schichten kann beispielsweise DRIE verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Strukturieren der Passivierungsschicht durch ein Trockenätzverfahren und/oder ein Nassätzverfahren. Die Passivierungsschicht kann also einfach wieder entfernt werden, ohne auf ein spezifisches Ätzverfahren zurückgreifen zu müssen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn nach dem Aufbringen einer der Siliziumschichten ein chemisch-mechanisches Polieren (CMP) und/oder zumindest stellenweise eine zusätzliche Dotierung durch Implantation und/oder Belegung dieser Siliziumschicht erfolgt Somit können insbesondere im Fall eines epitaktischen Aufwachsens der Siliziumschicht entstehende topologische Unregelmäßigkeiten und Höhenunterschiede auf einfache Art und Weise planarisiert werden. Durch die zusätzliche Dotierung durch Implantation oder Belegung kann auf einfache Art und Weise ein spezieller Widerstand in der Siliziumschicht eingestellt werden. Die aufgewachsenen Siliziumschichten können undotiert, p-dotiert oder n-dotiert sein.
Bevorzugt erfolgt das Entfernen von Opferbereichen zumindest teilweise durch plasmaloses und/oder plasmaunterstütztes Ätzen, also mittels Verfahren zum Siliziumopferschichtätzen. Somit können die Opferbereiche besonders einfach entfernt werden. Ein solches plasmalose Ätzen kann beispielsweise durch Chlortrifluorid (CIF3), Chlorfluorid (CIF), Chlorpentafluorid (CIF5), Bromtrifluorid (BrFa), Brompentafluorid (BrFs), Jodpentafluorid (IF5), Jodheptfluorid (IF7), Schwefeltetrafluorid (SF4), Xenondifluorid (XeF2) oder ähnliche Substanzen erfolgen. Das plasmaunterstützte Ätzen kann beispielsweise durch Fluorplasma, Chlorplasma und/oder Bromplasma erfolgen. Insbesondere kann das Ätzen auch auf einer Kombination aus plasmalosem und plasmaunterstütztem Ätzen basieren.
Gemäß eines zweiten Aspekts der Erfindung wird eine mikroelektromechanische Vorrichtung, beispielsweise umfassend ein MEMS wie ein Mikrospiegelarray, vorgeschlagen, die vorzugsweise mikroelektromechanische Strukturen umfasst, die unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurden. Die mikroelektromechanische Vorrichtung weist zwei alternierende Abfolgen von strukturierten Siliziumschichten und strukturierten Passivierungsschichten auf und umfasst eine zentrale Schicht, beispielsweise im Wesentlichen bestehend aus einkristallinem Silizium, die zwischen den zwei alternierenden Abfolgen von strukturierten Siliziumschichten und strukturierten Passivierungsschichten angeordnet ist und strukturiert sein kann, also insbesondere Ausnehmungen und/oder Aussparungen aufweisen kann. Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, auf einfache Art und Weise eine wohldefinierte Schicht mit freien Eigenschaften in eine mikroelektromechanische Struktur zu integrieren, die im Rahmen dieser Anmeldung als zentrale Schicht bezeichnet wird. Insbesondere kann das Material dieser zentralen Schicht flexibel gewählt werden, so kann beispielsweise einkristallines Silizium gewählt werden, das eine höhere Strom- und Wärmeleitfähigkeit besitzt als Polysilizium. Auch können beispielsweise besonders dünne zentrale Schichten mit exakter Schichtdicke und niedriger Abweichung integriert werden, die so nicht durch CMP erreichbar ist. Stattdessen kann eine zentrale Schicht auf einem Rohwafer verwendet werden, die zuverlässig qualifiziert und kontrolliert werden kann. Durch das Aufbauen von alternierenden Abfolgen von strukturierten Siliziumschichten und Passivierungsschichten auf beiden Seiten einer oder mehrerer zentralen Schichten können die gewünschte Eigenschaften der einen zentralen Schichte oder der mehreren zentralen Schichten genutzt werden, aber durch die exakte Definiertheit auch etwaige Probleme mit der Topografie dieser zentralen Schichten vermieden werden. Der erfindungsgemäße Prozess ist weiterhin auch CMOS- und hochtemperaturtauglich und eignet sich damit insbesondere auch zur Massenproduktion von MEMS.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1A bis 1 G schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von mikroelektromechanischen Strukturen; Figur 2 ein schematisches Flussdiagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von mikroelektromechanischen Strukturen; und
Figur 3 eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Vorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
In den Figuren 1A bis 1 G werden schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von mikroelektromechanischen Strukturen gezeigt. In den Figuren sind der besseren Übersicht halber Isolationsschichten und Passivierungsschichten (sowohl innerhalb und außerhalb der eingezeichneten Gräben) identisch dargestellt. Ebenfalls der besseren Übersichtlichkeit halber sind die Schichten und die Gräben ebenso wie die Funktions- und Opferbereiche nur rein beispielhaft mit Bezugszeichen versehen. Schließlich sei darauf hingewiesen, dass die Figuren nur eine zweidimensionale Darstellung zeigen. Alle in den Figuren als zweidimensionale Objekte dargestellten Schichten besitzen auch eine dritte Raumdimension und können auch entlang dieser durch das erfindungsgemäße Verfahren strukturiert werden, was eine äußerst hohe Flexibilität ermöglicht.
Hierbei zeigt Figur 1 A ein bereitgestelltes erstes Trägersubstrat 110, das eine zentrale Schicht 140, beispielsweise eine einkristalline Siliziumschicht, umfasst. Weiterhin ist eine erste Isolationsschicht 122, beispielsweise aus Siliziumoxid, gezeigt, die auf eine Oberfläche 120 des ersten Trägersubstrats 110 aufgebracht wurde und sich direkt auf der zentralen Schicht 140 befindet. Die zentrale Schicht 140 kann vor Aufbringen der ersten Isolationsschicht 122 strukturiert werden oder das erste Trägersubstrat 110 wird direkt mit einer strukturierten zentralen Schicht 140 bereitgestellt. Ebenso kann die erste Isolationsschicht 122 strukturiert werden. Dies ermöglicht es beispielsweise, später elektrische Verbindungen zwischen den Schichtsystemen beidseitig der zentralen Schicht 140 herzustellen. In den folgenden Figuren 1 B bis 1 F wird von einer strukturierten zentralen Schicht 140 und einer strukturierten ersten Isolationsschicht 122 ausgegangen. In der Figur 1 A sind die im Rahmen der Strukturierungen erzeugten Ausnehmungen 145 der zentralen Schicht 140 und der Ausnehmungen 125 der ersten Isolationsschicht 122 mittels gestrichelter Linien kenntlich gemacht.
Auf die erste Isolationsschicht 122 wird eine erste Siliziumschicht 150a aufgebracht, beispielsweise epitaktisch aufgewachsen, und anschließend strukturiert. Hierbei werden Gräben 156a ausgebildet, die sich durch die erste Siliziumschicht 150a erstrecken. Durch Passivieren der ersten Siliziumschicht 150a werden die Gräben 156a befüllt, gleichzeitig wird auch eine erste Passivierungsschicht 154a auf einer der ersten Isolationsschicht 122 abgewandten Seite der ersten Siliziumschicht 150a gebildet. Auch diese erste Passivierungsschicht 154a wird strukturiert, wobei sich in der ersten Siliziumschicht 150a Opferbereiche und Funktionsbereiche 158 ausbilden. Zur Verdeutlichung, dass Opferbereiche und Funktionsbereiche 158 materiell identisch sind, nämlich durch das Silizium der Siliziumschichten gebildet werden, sind diese in dieser und den folgenden Figuren mit einem einheitlichen Bezugszeichen 158 versehen. In den Figuren 1 F und 1 G wurde zusätzlich eine Kennzeichnung mit voneinander abweichenden Bezugszeichen vorgenommen, um dort die entsprechenden Verfahrensschritte und die Unterschiede zwischen Opferbereichen und Funktionsbereichen 158 besser veranschaulichen zu können.
Durch das Strukturieren der Schichten wird erreicht, dass die Opferbereiche hinterher durch einen Ätzprozess entfernbar sind. Diese Schritte des Aufbringens, des Strukturierens und des Passivierens der ersten Siliziumschicht 150a sowie des Strukturierens der ersten Passivierungsschicht 154a werden anschließend im gezeigten Beispiel der Figur 1 B noch ein weiteres Mal wiederholt. Hierbei wird eine weitere Siliziumschicht 150b auf die erste Passivierungsschicht 154a aufgebracht, diese weitere Siliziumschicht 150b wird mittels weiterer Gräben 156b strukturiert. Durch eine Passivierung werden diese befüllt. Auch außerhalb der weiteren Gräben 156b entsteht eine weitere Passivierungsschicht 154b, die ebenfalls zu diesem Zeitpunkt oder auch später (nach Entfernen eines zweiten Trägersubstrats 160) strukturiert werden kann. Im gezeigten Beispiel werden hier Ausnehmungen 155 erzeugt. Die so entstandene Struktur ist in Figur 1 B gezeigt. Beide Siliziumschichten 150a, 150b sind hierbei mit einem gemeinsamen Bezugszeichen 150 gekennzeichnet, das gemeinsame Bezugszeichen 156 kennzeichnet die befüllten Gräben, das gemeinsame Bezugszeichen 154 die Passivierungsschichten außerhalb der Gräben 156.
Auf die freiliegende und zuletzt aufgebrachte Passivierungsschicht 154b kann nun ein zweites Trägersubstrat 160 aufgebracht werden, um die bisher erzeugten mikroelektromechanischen Strukturen mechanisch zu stabilisieren.
Vorzugsweise nach dem Aufbringen des zweiten Trägersubstrats 160 kann ein Drehen des ersten Trägersubstrats 110 einschließlich der bisher erzeugten Schichten und Strukturen erfolgen, wobei ein solches Drehen vorzugsweise um eine parallel zur Oberfläche 120 verlaufenden Achse 165 erfolgt. Die Drehung kann hierbei beispielsweise um einen Winkel von 180° erfolgen. Die Figur 1 C veranschaulicht die mikroelektromechanische Struktur aus Figur 1 B nach Drehung um 180° um die parallel zur Oberfläche 120 verlaufende Achse 165 und Aufbringen eines zweites Trägersubstrats 160, beispielsweise mittels eines Bondens.
Ein Teil des ersten (also des bisherigen) Trägersubstrats 110 wird nun so entfernt, dass die zentrale Schicht 140 nicht mitentfernt wird. Stattdessen wird das erste Trägersubstrat 110 genau bis zu der zentralen Schicht 140 abgetragen. Dieses Entfernen kann beispielsweise mittels chemisch-mechanischen Polierens geschehen. Wie in Figur 1 D gezeigt, wird durch die nun auf einer Seite freiliegende zentrale Schicht 140 eine neue Oberfläche 170 definiert. Eine Strukturierung der zentralen Schicht 140 kann beispielsweise bereits von Beginn an im bereitgestellten ersten Trägersubstrat 110 vorhanden sein oder zu diesem Zeitpunkt, also nach Entfernen des ersten Trägersubstrats 110, erfolgen. Die bisher geschaffenen Schichten und Strukturen werden durch das zweite Trägersubstrat 160 gestützt. Auf der neuen Oberfläche 170, also der freiliegenden Seite der zentralen Schicht 140, erfolgt nun ein Ausbilden einer zweiten Isolationsschicht 172, die wie die erste Isolationsschicht 122 strukturiert wird.
Nun können erneut Siliziumschichten 180 aufgebracht, strukturiert und passiviert werden, wobei durch die Strukturierung der Passivierungsschichten 184 eine Ausbildung von Opferbereichen und Funktionsbereichen 158 erfolgt Gezeigt sind in Figur 1 E drei weitere so gebildete und strukturierte Siliziumschichten 180a, 180b, 180c mit Gräben 186 sowie drei Passivierungsschichten 184a, 184b, 184c.
Schließlich wird wie in Figur 1 F gezeigt das zweite Trägersubstrat 160 entfernt, die erzeugten Strukturen können nun vollständig freigestellt werden, indem alle Opferbereiche 153 beispielsweise mittels plasmalosen und/oder plasmaunterstütztem Ätzen entfernt werden. Die Bereiche der Siliziumschichten 150 mit Zugang zu einem bei diesem Ätzvorgang verwendeten Ätzmedium, beispielsweise über die Ausnehmungen 155 und 185 der äußersten Passivierungsschichten 154 und 184, also die Opferbereiche 153, werden vollständig geätzt. Diese Opferbereiche 153 sind in Figur 1 F mittels einer abweichenden Schraffierung kenntlich gemacht. Alternativ zu einer frühen Erzeugung von Ausnehmungen 145 vor Aufbringen des zweiten Trägersubstrats 160 (siehe Figuren 1 B und 1 C), können diese auch nach Entfernen des zweiten Trägersubstrats 160 erzeugt werden.
Nach dem Entfernen der Opferbereiche 153 verbleiben die Funktionsbereiche 152, wie in Figur 1 G dargestellt. Je nach Erfordernis kann abschließend ein zumindest teilweises Entfernen der Passivierungsschichten 154, 184 einschließlich einem Freilegen der Gräben 156, 186 und/oder der Isolationsschichten 122, 172 erfolgen (nicht in Figur 1 G dargestellt), beispielsweise um eine gewünschte Beweglichkeit der erzeugten mikroelektromechanischen Strukturen herzustellen. Ein solches Entfernen der Passivierungsschichten 154, 184 kann beispielsweise mittels Gasphasenätzen, Plasmaätzen oder Nassätzen erfolgen.
Figur 2 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zur Erläuterung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von mikroelektromechanischen Strukturen. Nach einem Bereitstellen 210 eines ersten Trägersubstrats 110, das zumindest eine zentrale Schicht 140 umfasst, wird eine erste Siliziumschicht 150a auf eine Oberfläche 120 dieses ersten Trägersubstrats 110 aufgebracht, beispielsweise epitaktisch aufgewachsen. Anschließend erfolgt ein Strukturieren 230 dieser ersten Siliziumschicht 150a mittels Ausbilden von Gräben 156, die sich zumindest stellenweise durch die erste Siliziumschicht 150a erstrecken. Nach einem Passivieren 240 der ersten Siliziumschicht 150a, das mit einem Befüllen der Gräben 156 einhergeht, bildet sich auch außerhalb der Gräben 156 eine erste Passivierungsschicht 154a. Diese befindet sich auf der der ersten Isolationsschicht 122 abgewandten Seite der ersten Siliziumschicht 150a. Die so erzeugte erste Passivierungsschicht 154a wird nun in Schritt 250 strukturiert, um Opferbereiche 153 und Funktionsbereiche 152 zu definieren. Diese Schritte zum Ausbilden von strukturierten aufgebrachten Siliziumschichten 150 können nun beliebig häufig wiederholt werden. Dies ist durch Pfeil 255 versinnbildlicht.
Sobald alle gewünschten Siliziumschichten 150 aufgebracht sind, erfolgt vorzugsweise ein Drehen 265 des ersten Trägersubstrats 110 einschließlich der bisher aufgebrachten Schichten, bevorzugt um eine parallel zu der Oberfläche 120 verlaufende Achse 165. Anschließend wird ein Teil des ersten Trägersubstrats 110 entfernt (Schritt 270), und zwar so, dass keine der zentralen Schichten 140 entfernt wird. Es wird folglich eine neue Oberfläche 170 ausgebildet. Zur mechanischen Stützung der bisher geschaffenen Strukturen kann auf der Seite der zentralen Schichten 140, auf denen in den vorherigen Schritten die Siliziumschichten 150 aufgebracht worden sind, auch ein zweites Trägersubstrat 160 aufgebracht werden. Dieses Aufbringen des zweiten Trägersubstrats 160 erfolgt vorzugsweise vor einem eventuellen Drehen 265 und dem Entfernen 270 des Teils des ersten Trägersubstrats 110. Auf die neue Oberfläche 170 wird eine zweite Isolationsschicht 172 ausgebildet (Schritt 280). Anschließend werden die Schritte 220 bis 250 wiederholt (Pfeil 285), um auch auf der zweiten Seite der zentralen Schichten 140 entsprechende Strukturen beziehungsweise Siliziumschichten 180 auszubilden.
Auch hier können durch beliebig häufige Wiederholungen 255 der Schritte 220 bis 250 weitere Siliziumschichten 180 aufgebracht, strukturiert und passiviert werden, wobei die entstehenden Passivierungsschichten 184 ebenfalls strukturiert werden. Wenn dies geschehen ist, kann ein Entfernen 260 eines eventuell aufgebrachten zweiten Trägersubstrats 160 erfolgen. Schließlich wird ein letztes Siliziumopferschichtätzen zum Entfernen 290 der neu entstandenen Opferbereiche 153 und damit zum Freistellen der erzeugten Strukturen durchgeführt. Auch kann noch ein Gasphasenätzen, Plasmaätzen und/oder Nassätzen zum zumindest teilweisen Entfernen der Passivierungsschichten 154 folgen. Die mikroelektromechanischen Strukturen sind damit fertiggestellt, das erfindungsgemäße Verfahren abgeschlossen. Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte erfindungsgemäße mikroelektromechanische Vorrichtung 300, beispielsweise umfassend ein MEMS. Die mikroelektromechanische Vorrichtung 300 umfasst mikroelektromechanische Strukturen, die mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von mikroelektromechanischen Strukturen hergestellt worden sind. Diese mikroelektromechanischen Strukturen setzen sich aus zwei alternierenden Abfolgen 350, 380 von strukturierten Siliziumschichten 150, 180 und strukturierten Passivierungsschichten 154, 184 sowie einer dazwischen angeordneten zentralen Schicht 340, beispielsweise einer einkristallinen Siliziumschicht, zusammen. Hierbei kann die zentrale Schicht 340 strukturiert sein, also insbesondere Ausnehmungen und/oder Aussparungen besitzen.
Mittels der unteren alternierende Abfolge 350 von strukturierten Siliziumschichten 150 und strukturierten Passivierungsschichten 154 kann beispielsweise eine Verschaltung 355 aus elektrischen Verbindungen realisiert sein, die zur Ansteuerung eines Aktors 385 eingerichtet ist, wobei der Aktor 385 wiederum mit der oberen alternierenden Abfolge 380 von strukturierten Siliziumschichten 180 und strukturierten Passivierungsschichten 184 realisiert sein kann. Auch mittels der unteren Abfolge 350 von Schichten 150, 154 können allerdings mikromechanische Elemente realisiert sein, genauso wie Teile der oberen Abfolge 380 von Schichten 180, 184 der Verschaltung 355 dienen können. Die mikroelektromechanische Vorrichtung 300 befindet sich auf einem Träger 320, der beispielsweise weitere elektrische und elektronische Komponenten umfassen kann, die der Ansteuerung der mikroelektromechanischen Vorrichtung 300 dienen.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung von mikroelektromechanischen Strukturen mit den Schritten: a. Bereitstellen (210) eines ersten Trägersubstrats (110) mit einer oder mehreren zentralen Schichten (140) und einer Oberfläche (120), wobei das erste Trägersubstrat (110) mit einer auf einer ersten Seite der einen oder der mehreren zentralen Schichten (140) angeordneten und auf der Oberfläche (120) ausgebildeten ersten Isolationsschicht (122) versehen ist; b. Aufbringen (220) einer ersten Siliziumschicht (150a) auf die erste Isolationsschicht (122); c. Strukturieren (230) der ersten Siliziumschicht (150a) zum Ausbilden von Gräben (156) in der ersten Siliziumschicht (150a), wobei sich die Gräben (156) zumindest stellenweise durch die erste Siliziumschicht (150a) erstrecken; d. Passivieren (240) der ersten Siliziumschicht (150a), wobei die Gräben (156) befüllt werden und sich auf einer der ersten Isolationsschicht
(122) abgewandten Seite der ersten Siliziumschicht (150a) eine erste Passivierungsschicht (154a) bildet; e. Strukturieren (250) der ersten Passivierungsschicht (154a), wobei sich in der ersten Siliziumschicht (150a) erste Opferbereiche (153) und erste Funktionsbereiche (152) ausbilden und die ersten Opferbereiche (153) auf der der ersten Isolationsschicht (122) abgewandten Seite der ersten Siliziumschicht (150a) zumindest stellenweise frei von der ersten Passivierungsschicht (154a) sind; f.Entfernen (270) eines Teils des ersten Trägersubstrats (110) so, dass eine neue Oberfläche (170) des ersten Trägersubstrats (110) auf einer zweiten Seite der einen oder der mehreren zentralen Schichten (140) ausgebildet wird und keine der einen oder mehreren zentralen Schichten (140) entfernt wird; g. Ausbilden (280) einer zweiten Isolationsschicht (172) auf der neuen Oberfläche (170); h. Wiederholen (285) der Schritte b bis e zum Aufbringen (220), Strukturieren (230) und Passivieren (240) einer zweiten Siliziumschicht (180a) auf der zweiten Isolationsschicht (172), Strukturieren (250) einer zweiten Passivierungsschicht (184a) unter Ausbildung von zweiten Opferbereichen (153) und zweiten Funktionsbereichen (152) in der zweiten Siliziumschicht (180a); und i. Entfernen (290) aller Opferbereiche (153). Verfahren nach Anspruch 1 , wobei sich die Schritte b bis e des Aufbringens (220), des Strukturierens (230) und des Passivierens (240) der ersten Siliziumschicht (150a) und des Strukturierens (230) der ersten Passivierungsschicht (154a) und/oder des Strukturierens (230) und des Passivierens (240) der zweiten Siliziumschicht (180a) und des Strukturierens (250) der zweiten Passivierungsschicht (184a) wiederholen (255), wobei das Aufbringen (220) jeweils auf einer strukturierten Passivierungsschicht (154, 184) erfolgt und wodurch auf der ersten und/oder auf der zweiten Seite der einen oder der mehreren zentralen Schichten (140) weitere Siliziumschichten (150b, 180b, 180c) und weitere Passivierungsschichten (154b, 184b, 184c) ausgebildet und strukturiert werden, wodurch weitere Opferbereiche (153) und weitere Funktionsbereiche (152) in den weiteren Siliziumschichten (150b, 180b,
180c) entstehen. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei nach dem Entfernen (290) aller Opferbereiche (153) ein zumindest stellenweises Entfernen zumindest einer der Passivierungsschichten (154, 184) und/oder einer der Isolationsschichten (122, 172) erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Entfernen (270) des Teils des ersten Trägersubstrats (110) ein Drehen (265) des ersten Trägersubstrats (110) erfolgt, wobei das Drehen (265) vorzugsweise um eine parallel zu der Oberfläche (120) verlaufende Achse (165) um einen Winkel zwischen 175° und 185°, bevorzugt zwischen 179° und 181 ° und besonders bevorzugt von 180° erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Entfernen (270) des Teils des ersten Trägersubstrats (110) mittels eines chemisch-mechanischen Polierens erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Entfernen (270) des Teils des ersten Trägersubstrats (110) ein Aufbringen eines zweiten Trägersubstrats (160) auf einer Oberfläche einer zuletzt ausgebildeten Passivierungsschicht (154a, 154b) erfolgt, wobei ein Entfernen (260) des zweiten Trägersubstrats (160) vorzugsweise vor dem Entfernen (290) aller Opferbereiche (153) und/oder mittels eines chemisch-mechanischen Polierens erfolgt Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der aufgebrachten Siliziumschichten (150, 180) eine einkristalline, polykristalline und/oder eine epi-polykristalline Siliziumschicht umfasst oder ist Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Schichtdicke mindestens einer der aufgebrachten Siliziumschichten (150, 180) 0,5 bis 100 pm, vorzugsweise 20 bis 60 pm beträgt Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strukturieren zum Ausbilden der Gräben (156, 186) mittels eines Trench-Prozesses und/oder mittels eines Plasmaätzverfahrens erfolgt Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strukturieren der Passivierungsschicht durch ein Trockenätzverfahren und/oder ein Nassätzverfahren erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Aufbringen (220) einer der Siliziumschichten (150) ein chemischmechanisches Polieren und/oder zumindest stellenweise eine zusätzliche Dotierung durch Implantation und/oder Belegung dieser Siliziumschicht (150) erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Entfernen (290) von Opferbereichen (153) zumindest teilweise durch plasmaloses und/oder plasmaunterstütztes Ätzen erfolgt. Mikroelektromechanische Vorrichtung (300), vorzugsweise mit mikroelektromechanischen Strukturen hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, aufweisend zwei alternierende Abfolgen (350, 380) von strukturierten Siliziumschichten (150, 180) und strukturierten Passivierungsschichten (154, 184), wobei die mikroelektromechanische Vorrichtung (300) eine zentrale Schicht (140, 340) umfasst, die zwischen den zwei alternierenden Abfolgen (350, 380) von strukturierten Siliziumschichten (150, 180) und strukturierten Passivierungsschichten (154, 184) angeordnet ist.
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