WO2004071941A2 - Verfahren zur herstellung einer mikromechanischen vorrichtung und vorrichtung - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer mikromechanischen vorrichtung und vorrichtung Download PDF

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etching step
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Frank Fischer
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    • B81C2201/0109—Sacrificial layers not provided for in B81C2201/0107 - B81C2201/0108

Definitions

  • the invention is based on a method and a device according to the type of the independent claims.
  • a micromechanical device emerges from the article by D. Moser and H. Baltes "A high sensitivity CMOS gas flow sensor on a thin dielectric membrane” and the journal Sensors and Actuators A 37-38 (1993), pp. 33-37 , in which a thermal decoupling between components and the carrier material (substrate) is realized, the device being manufactured in bulk micromechanics
  • the membrane required for thermal insulation on which, for example, temperature sensors and heaters are located, is produced from the rear using a volume micromechanical process.
  • the membrane is structured by a wet chemical etching process, for example using KOH.
  • the entire substrate in the area of the membrane has to be etched from the back, which leads to long process times. Since the wet chemical etching solutions attack the functional layers on the front, the wafer must be installed in so-called etching cans so that the front is protected during the etching process.
  • the method known from the prior art is therefore very complex and involves high costs, including the rear side process.
  • the method according to the invention and the device according to the invention with the features of the independent claims have the advantage that a A method for producing membranes is provided in which only front processes are required.
  • the method according to the invention and the device according to the invention can thus be produced in surface micromechanics (OMM).
  • OMM surface micromechanics
  • temperature sensors and / or heating elements for arrangement in or on the membrane are possible as components, but according to the invention any component is possible and conceivable, the production of which can be integrated into the manufacturing process of the device.
  • Decoupling is particularly required for thermal sensors such as thermocouples, chemical sensors and air mass sensors.
  • the method and the device according to the invention have the advantage over the prior art that only surface micromechanical processes, i.e. only front-end processes are necessary to manufacture the device. This eliminates the complex rear processes such.
  • B. the KOH etching by means of an etching can for structuring the membrane. Particles and scratches on the front of the wafer are minimized or avoided by eliminating the backside processes, in which the wafer has to be turned over and placed on the front.
  • a surface micromechanical device is used to generate the thermal decoupling
  • Sacrificial layer technology is used, which has a high selectivity towards thermally insulating materials such as oxides and nitrides as well as towards metals. Silicon in particular is used as the sacrificial layer in the method according to the invention.
  • the area of the sacrificial layer is, according to the invention, first of all by means of a first (anisotropic) etching step, in particular a DRTE etching method
  • the membrane layer comprises thermally poorly conductive material, for example silicon oxide or silicon nitride.
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • the compatibility of the etching media used in the sacrificial layer set with the materials used in the standard CMOS processes that are known and known from the prior art enables them to be used it according to the invention that the manufacture of the device according to the invention and the manufacture of an integrated circuit (IC) manufactured in CMOS technology are integrated together, ie can be carried out in a (multi-step) manufacturing process.
  • the holes in the membrane are closed after the second etching step, in particular with a cover layer or a cover.
  • a layer made of PECVD oxide or a spin-on glass or also a combination of different layers is particularly suitable as a sealing layer.
  • a cap as a lid can be used as a closure of the holes.
  • a component to be thermally insulated from the substrate material is produced on or in the membrane. This makes it possible that after the second etching step no further steps producing a component are necessary, and thus in particular no problems arise because, for example, in the
  • Membranes are present after the two etching steps, into which material to be applied to the membrane could possibly penetrate or which could attack or damage the membrane from its rear. It is also particularly advantageous that the membrane is provided in a particularly well insulated manner from the substrate material. This is achieved according to the invention in particular by a comparatively large height of the cavity which is provided in the membrane area above the substrate material. As a result of various heat transport mechanisms in particular, there is only a small heat transport from the membrane into the substrate material and thus particularly good thermal insulation. It is also particularly advantageous that a silicon substrate, in particular a single crystal, or an SOI / EOI substrate is used as the substrate material
  • SOI / EOI substrate silicon-on-insulator / epipoly-on-insulator substrate.
  • SOI / EOI substrate can be used particularly advantageously according to the invention in that the oxide layer of the SOI / EOI substrate serves as a vertical etching stop during the sacrificial layer etching, as a result of which a defined sacrificial layer thickness can be set.
  • the layer structure is based on one monocrystalline silicon substrate, an oxide layer and subsequently a silicon layer is applied.
  • the method according to the invention allows the simple manufacture of a device according to the invention, in particular of sensor elements, in which a thermal decoupling between temperature sensors and / or heating elements and the carrier material or substrate is necessary. According to the invention, only a few layers and photolithography steps are necessary to carry out the process according to the invention, so that the method can be carried out simply and inexpensively.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the substrate material with a first part of a membrane layer in a sectional view
  • FIG. 2 shows the first embodiment of the substrate material with the first part of the membrane layer and a component integrated in the membrane layer in a sectional view
  • FIG. 3 shows the first embodiment of the substrate material with a membrane layer and a partially performed first etching step in a sectional view
  • FIG. 4 shows the first embodiment of the substrate material with a membrane layer and a completely performed first etching step in a sectional view
  • FIG. 5 shows the first embodiment of the substrate material with a membrane layer and performed first and second etching steps 6 and 7, the first embodiment of the substrate material with a membrane layer and the first and second etching steps carried out completely and a first and second embodiment of a closure of holes in the membrane in a sectional view
  • FIG. 8 a second embodiment of the substrate material with a membrane layer and the first one carried out completely Etching step in sectional view
  • Figure 9 shows the second embodiment of the substrate material with membrane layer and performed first and second etching step i n sectional view.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the substrate material 10 with a first part 21 of a membrane layer in a sectional view.
  • the first part 21 of the membrane layer should be under tension and have a certain thermal conductivity.
  • the first part 21 of the membrane layer comprises, in particular, a first partial membrane layer 22, which is provided in particular as an oxide layer.
  • the first partial membrane layer 22 has been produced, for example, as a thermal oxide layer or as a PECVD oxide layer.
  • the first part 21 of the membrane layer further comprises in particular a second partial membrane layer 24, which is provided in particular as a nitride layer.
  • the second partial membrane layer 24 has been produced, for example, as a PECVD nitride layer or as an LPCVD nitride layer.
  • the first part 21 of the membrane layer can, however, be provided in further embodiments of the invention, not shown, in the form of a layer system composed of oxide layers / nitride layers.
  • the layer thicknesses of the first and second partial membrane layers 22, 24 are in the range of approximately 0.5-5 ⁇ m.
  • this in particular comprises a semiconductor material 12, preferably monocrystalline silicon material 12.
  • FIG. 2 shows the first embodiment of the substrate material 10 with the first part 21 of the membrane layer 20 and a component which is integrated in the membrane layer 20 and is not specifically designated by a reference symbol in a sectional illustration.
  • the component is provided and described by way of example as a thermocouple or temperature sensor, but can be any component that can be integrated in or on a membrane.
  • the thermocouple has, for example, a known platinum resistance or a known Si / Al or also Si / Ge thermopile, which is produced using known methods.
  • a structured layer in particular a poly-silicon layer, is first applied to the membrane 20, which comprises a first region 201 and possibly a second region 202.
  • the first region 201 forms a first resistor, which is also referred to below with the reference number 201.
  • the first and second regions 201, 202 can also be provided completely electrically separate from one another, but can be structured out of the same layer.
  • an intermediate oxide layer 203 and a second resistor 204 which according to the invention are made in particular of aluminum material or germanium material, are deposited and structured consists.
  • a thermocouple is formed from the first and second resistor 201, 204.
  • bond pads 206 or generally contacting areas 206 are produced, which are made, for example, of aluminum material.
  • the membrane 20 results from the first part 21 of the membrane layer and the “structure” of the component - in the exemplary embodiment as a thermocouple - on the first part 21 of the membrane layer.
  • the membrane 20 could also be constructed in this way be that, for example, the component is provided below the first and second partial membrane layers 22, 24.
  • the substrate material 10 is in any case arranged “below” the membrane layer 20. In principle, this is provided in the same way in all the following figures and is therefore not described repeatedly.
  • the basic structure of the component for example as a thermocouple, is in principle retained in the other figures, which is why it is not described repeatedly.
  • FIG. 3 shows the first embodiment of the substrate material 10 with the membrane layer 20 and a partially performed first etching step in a sectional view.
  • vertical recesses ie holes
  • the membrane layer 20 or in the membrane 20 are made at certain perforation points provided with arrows and the reference numerals 28, 29 in FIG.
  • the etching process for the first etching step is provided in particular anisotropically.
  • the perforation points 28, 29 and correspondingly also the holes 40 are located at points of the membrane layer 20 at which no parts of the components located on or in the membrane layer 20 can be damaged by the creation of the holes 40.
  • a perforation point 28, 29 Located in the vertical direction, ie in the direction of the introduction of the holes 40 into the membrane layer 20 which is extended over a large area there is therefore only a region of the substrate 10 provided as a sacrificial layer “below” a perforation point 28, 29.
  • the perforation points designated by reference numeral 28 this is clearly evident because the corresponding holes 40 do not match the (in FIG. 1 with reference numeral 201 or 204) of the first or second resistance of the thermocouple, for the perforation points designated by reference number 29 this is represented by the side walls of the corresponding holes 40 shown by dotted lines.
  • the holes 40 are suitable for those designated by the reference number 29 provided perforation points not in the sectional plane shown (in which the first and second resistance of the thermocouple is located), but in another sectional plane in which the
  • Component is not affected by the holes 40.
  • FIG. 4 shows the first embodiment of the substrate material 10 with a membrane layer 20 and a completely performed first etching step in a sectional view.
  • the first etching step was carried out completely, i.e. the holes 40 are made up to a certain height 44 (or “depth”) in the substrate material 10 starting from the holes 40 made in the membrane layer 20 at the perforation points 28, 29 (cf. description of FIG. 3) for the first part of the first etching step shown in FIG. 3, an anisotropic etching process for deep structuring, in particular one
  • the height 44 is shown in FIG. 4 by means of a double arrow below the first and second partial membrane layers 22, 24 into the substrate material 10.
  • the height 44 of the holes 40 lies below the membrane layer 20 in the range from 2 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the depth structuring essentially specifies the depth (or height) of the sacrificial layer etching process.
  • the holes 40 which are in the
  • perforation holes 40 can have a diameter between 0.5 ⁇ m and 500 ⁇ m.
  • the holes 40 are preferably smaller than 10 ⁇ m.
  • Applications that require a membrane that is structured as strongly as possible for example thermal conductivity sensors for H2 detection, sensors based on free convection flow for inclination measurement) preferably have holes 40 larger than 100 ⁇ m.
  • FIG. 5 shows the first embodiment of the substrate material 10 with the membrane layer 20 and the first and second etching steps carried out in a sectional illustration.
  • the device is laterally etched by means of an isotropic semiconductor etching process as a second etching step, the trench structure predetermined by the holes 40 and not visible in the area of the membrane layer 20 in the area of the sacrificial layer, ie below the membrane 20.
  • This is shown in FIG. 5 by means of four, double arrows which do not run horizontally and are not designated by a reference number.
  • the access of the etching medium for the second etching step is shown through the holes 40 in FIG. 5 by means of arrows designated with the reference symbol 42.
  • the etching process can be carried out, for example, using a XeF 2 , C1F 3 or BrF 3 process.
  • the cavity 30 or cavern 30 has a height 31 which, according to the invention, essentially corresponds to the height 44 shown in FIG. 4 of the depth structuring of the holes 40 below the membrane region 20.
  • Components are thermally decoupled or insulated from the substrate material 10 by the cavern 30.
  • FIGS. 6 and 7 show the first embodiment of the substrate material 10 with the membrane layer 20 and the completely carried out first and second etching step and a first and second embodiment of a closure of the holes 40 in the membrane 20 in a sectional view.
  • 6 shows the first embodiment of a closure of the holes 40 by means of a closure layer 50.
  • FIG. 7 shows the second embodiment of closing the holes 40 by means of a cap 52. This will make the components or others
  • the sealing layer 50 is designed in particular as a PECVD oxide or as a spin-on glass.
  • FIGS. 8 and 9 show a second embodiment of the substrate material 10 with the membrane layer 20 in a sectional view.
  • FIG. 8 shows the first etching step carried out completely.
  • FIG. 9 shows the first and second etching step carried out completely.
  • a substrate material with a sequence of different layers in the substrate material 10 is used, for example with a silicon-silicon oxide-silicon layer sequence.
  • a (silicon) oxide layer 16 and subsequently a silicon layer 15 are applied to a monocrystalline part 17 of the substrate material 10.
  • the silicon layer 15 can be provided both as a monocrystalline silicon layer 15 or as an “epitaxially applied” polycrystalline silicon layer 15 (so-called EpiPoly silicon layer 15) EOI material spoken, but the manufacturing process is also in its steps in the second embodiment of the
  • Substrate material 10 analogous to that described in connection with FIGS. 1-7. The only difference is that the oxide layer 16 of the substrate material 10 ensures an etching stop at the end of the first etching step. Thus, by means of the deep structuring method of the first etching step, the holes 40 cannot penetrate deeper than the oxide layer 16 into the substrate material 10, i.e. completely by the as
  • Sacrificial layer used silicon layer 15 are introduced. This makes it possible to identify the end point of the first etching step.
  • the depth structuring of the holes 40 beyond the membrane layer 20 extends over the height (or depth) designated by the reference symbol 44, which corresponds to the layer thickness of the silicon layer 15. Furthermore, the height 31 of the cavern 30 corresponds to
  • Thickness of the silicon layer 15 of the substrate material is the thickness of the silicon layer 15 of the substrate material.

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung und eine mikromechanische Vorrichtung vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung ein Substratmaterial (10), eine Membran (20) und einen in einem Membranbereich (21) dazwischenligenden Hohlraum (30) aufweist und wobei in einem ersten Ätzschritt zunächst Löcher (40) in der Membran (20) erzeugt werden und wobei anschliessend der Hohlraum (30) mittels eines zweiten Ätzschrittes hergestellt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung und Vorrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüchen. Aus dem Artikel von D. Moser und H. Baltes „A high sensitivity CMOS gas flow sensor on a thin dielectric membrane" und der Zeitschrift Sensors and Actuators A 37-38 (1993), S. 33-37, geht eine mikromechanische Vorrichtung hervor, bei der eine thermische Entkopplung zwischen Bauelementen und dem Trägermaterial (Substrat) realisiert ist, wobei die Vorrichtung in Bulkmikromechanik hergestellt ist. Hierfür ist ein aufwändiger Vorder- und
Rückseitenprozess notwendig. Die zur thermischen Isolation benötigte Membran, auf der sich beispielsweise Temperaturfühler und Heizer befinden, wird über einen volumenmikromechanischen Prozess von der Rückseite her erzeugt. Die Strukturierung der Membran erfolgt durch einen nasschemischen Atzprozess, bspw. mittels KOH. Dabei muss von der Rückseite her das gesamte Substrat im Bereich der Membran abgeätzt werden, was zu langen Prozesszeiten führt. Da die nasschemischen Ätzlösungen die funktionalen Schichten auf der Vorderseite angreifen, muss der Wafer in sogenannte Ätzdosen eingebaut werden, damit die Vorderseite während des Ätzprozesses geschützt ist. Das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren ist daher unter Einschluss des Rückseitenprozesses sehr aufwändig und mit hohen Kosten verbunden.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüchen haben demgegenüber den Vorteil, dass ein Verfahren zur Herstellung von Membranen bereitgestellt wird, bei dem nur Vorderseitenprozesse benötigt werden. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung in Oberflächenmikromechanik (OMM) herstellbar. Weiterhin ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindunsgemäßen Vorrichtung möglich, eine thermische Isolation bzw. eine thermische Entkopplung zwischen Bauelementen auf bzw. in der Membran und dem Trägermaterial, d.h. dem Substratmaterial, zu bewirken. Als Bauelemente kommen dabei insbesondere Temperaturfühler und/oder Heizelemente zur Anordnung in bzw. auf der Membran in Frage, jedoch ist erfindungsgemäß jegliches Bauelement möglich und denkbar, dessen Herstellung in den Herstellungsprozess der Vorrichtung integrierbar ist. Eine thermische
Entkopplung wird insbesondere bei thermischen Sensoren, wie beispielsweise Thermoelementen, chemischen Sensoren und Luftmassensensoren benötigt. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass nur oberflächenmikromechanische Prozesse, d.h. nur Vorderseitenprozesse zur Herstellung der Vorrichtung notwendig sind. Dadurch enfallen die aufwändigen Rückseitenprozesse wie z. B. das KOH-Ätzen mittels einer Ätzdose zur Strukturierung der Membran. Partikel und Kratzer auf der Wafervorderseite werden durch den Wegfall der Rückseitenprozesse, bei denen der Wafer umgedreht und auf die Vorderseite abgelegt werden muss, minimiert bzw. vermieden. Zur Erzeugung der thermischen Entkopplung wird erfindungsgemäß eine oberflächenmikromechanische
Opferschichttechnik eingesetzt, die sowohl eine hohe Selektivität gegenüber thermisch isolierenden Materialien wie Oxiden und Nitriden als auch gegenüber Metallen hat. Als Opferschicht wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere Silizium eingesetzt. Der Bereich der Opferschicht wird erfindungsgemäß insbesondere zunächst mittels eines ersten (anisotropen) Ätzschrittes, insbesondere ein DRTE-Ätzverfahren
(Deep reactive ion etching) tiefenstrukturiert und anschließend in einem zweiten (isotropen) Atzsclirittes, insbesondere mittels eines XeF2-, C1F3-, BrF -Verfahrens, lateral vollständig geätzt, so dass unterhalb der Membran ein Hohlraum entsteht. Hierdurch entsteht ein Membranbereich, d.h. derjenige Substratbereich, in dem die Membranschicht freitragend ist und somit den Hohlraum überspannt. Die Membranschicht umfasst erfindungsgemäß thermisch schlecht leitfähiges Material, beispielweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid. Durch den erfindungsgemäßen kombinierten Opferschicht-Ätzprozess ist es möglich, große Opferschichttiefen zu erzeugen. Die Kompatibilität der beim Opferschichtätzen eingesetzten Ätzmedien mit den in den gängigen und aus dem Stand der Technik bekannten Standard-CMOS-Prozessen eingesetzten Materialien ermöglicht es erfindungsgemäß, dass die Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und die Herstellung eines in CMOS-Technologie hergestellten integrierten Schaltkreises (IC) zusammen integriert, d.h. in einem (mehrere Schritte umfassenden) Herstellungsprozess durchführbar ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den nebengeordneten Ansprüchen aufgeführten Verfahrens und der Vorrichtung möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Löcher in der Membran nach dem zweiten Ätzschritt, insbesondere mit einer Abdeckschicht oder einem Deckel, verschlossen werden. Dadurch ist es möglich, dass die Strukturen beispielsweise bei einem nachfolgenden Sägeprozess geschützt werden. Als Verschlussschicht kommt hier erfindungsgemäß insbesondere eine Schicht aus PECVD-Oxid oder aus einem Spin-On-Glas oder auch aus einer Kombination aus verschiedenen Schichten in Frage. Weiterhin kommt als ein Verschluss der Löcher eine Kappe als Deckel in Frage. Besonders vorteilhaft ist weiterhin, dass vor dem ersten Ätzschritt ein thermisch vom Substratmaterial zu isolierendes Bauelement auf bzw. in der Membran erzeugt wird. Dadurch ist es möglich, dass nach dem zweiten Ätzschritt keine weiteren, ein Bauelement erzeugenden Schritte mehr notwendig ist, und somit insbesondere keine Probleme dadurch entstehen, dass beispielsweise in der
Membran nach den beiden Ätzschritten Löcher vorhanden sind, in die ggf. auf die Membran aufzubringendes Material eindringen könnte bzw. auch die Membran von ihrer Rückseite her angreifen oder beschädigen könnte. Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, dass die Membran vom Substratmaterial besonders gut isoliert vorgesehen ist. Dies wird erfindungsgemäß insbesondere durch ein vergleichsweise große Höhe des Hohlraums erreicht, der im Membranbereich über dem Substratmaterial vorgesehen ist. Dadurch ergibt sich insbesondere durch verschiedene Wärmetransportmechanismen nur ein kleiner Wärmetransport von der Membran in das Substratmaterial und damit eine besonders gute thermische Isolierung. Besonders vorteilhaft ist weiterhin, dass als Substratmaterial ein insbesondere einkristallin vorgesehenes Siliziumsubtrat oder ein SOI/EOI-Substrat
(silicon-on-insulator/epipoly-on-insulator-Substrat) vorgesehen ist. Die Verwendung eines SOI/EOI-Substrats ist erfindungsgemäß besonders vorteilhaft dadurch einsetzbar, dass die Oxidschicht des SOI/EOI-Substrats während des Opferschichtätzens als vertikaler Ätzstopp dient, wodurch eine definierte Opferschichtdicke einstellbar ist. Bei einem SOI/EOI-Substrat wird von einem Schichtaufbau ausgegangen, bei dem auf einem monokristallinen Silizium-Substrat eine Oxidschicht und nachfolgend eine Siliziumschicht aufgebracht wird.
Insgesamt erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die einfache Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesonder von Sensorelementen, bei denen eine thermische Entkopplung zwischen Temperaturfühlern und/oder Heizelementen und dem Trägermaterial bzw. Substrat notwendig ist. Es sind erfϊndungsgemäß nur wenige Schichten und Fotolithografieschritte zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfal rens notwendig, so dass das Verfahren einfach und kostengünstig durchführbar ist.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine erste Ausführungsform des Substratmaterials mit einem ersten Teil einer Membranschicht in Schnittdarstellung,
Figur 2 die erste Ausführungsform des Substratmaterials mit dem ersten Teil der Membranschicht und einem in die Membranschicht integrierten Bauelement in Schnittdarstellung,
Figur 3 die erste Ausführungsform des Substratmaterials mit Membranschicht und einem teilweise durchgeführten ersten Ätzschritt in Schnittdarstellung, Figur 4 die erste Ausführungsform des Substratmaterials mit Membranschicht und vollständig durchgeführtem ersten Ätzschritt in Schnittdarstellung, Figur 5 die erste Ausfuhrungsform des Substratmaterials mit Membranschicht und durchgeführtem ersten und zweiten Ätzschritt in Schnittdarstellung, Figur 6 und 7 die erste Ausführungsform des Substratmaterials mit Membranschicht und vollständig durchgeführtem ersten und zweiten Ätzschritt und einer ersten und zweiten Ausführungsform eines Verschlusses von Löchern in der Membran in Schnittdarstellung, Figur 8 eine zweite Ausfuhrungsform des Substratmaterials mit Membranschicht und vollständig durchgeführtem ersten Ätzschritt in Schnittdarstellung und Figur 9 die zweite Ausführungsform des Substratmaterials mit Membranschicht und durchgeführtem ersten und zweiten Ätzschritt in Schnittdarstellung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 ist eine erste Ausführungsform des Substratmaterials 10 mit einem ersten Teil 21 einer Membranschicht in Schnittdarstellung dargestellt. Der erste Teil 21 der Membranschicht sollte unter Zugspannung stehen und eine gewisse thermische Leitfähigkeit aufweisen. Der erste Teil 21 der Membranschicht umfasst erfindungsgemäß insbesondere eine erste Teilmembranschicht 22, die insbesondere als Oxidschicht vorgesehen ist. Die erste Teilmembranschicht 22 ist erfindungsgemäß beispielsweise als thermische Oxidschicht oder als PECVD-Oxidschicht erzeugt worden. Der erste Teil 21 der Membranschicht umfasst erfindungsgemäß weiterhin insbesondere eine zweite Teilmembranschicht 24, die insbesondere als Nitridschicht vorgesehen ist. Die zweite Teilmembranschicht 24 ist erfindungsgemäß beispielsweise als PECVD-Nitridschicht oder als LPCVD-Nitridschicht erzeugt worden. Der erste Teil 21 der Membranschicht kann jedoch in nicht dargestellten weiteren Ausgestaltungen der Erfindung in Form eines Schichtsystems aus Oxidschichten/Nitridschichten vorgesehen sein. Die Schichtdicken der ersten und zweiten Teilmembranschichten 22, 24 liegen erfindungsgemäß im Bereich von etwa 0,5- 5 μm. In der ersten Ausfuhrungsform des Substratmaterials 10 umfasst dieses insbesonder ein Halbleitermaterial 12, bevorzugt monokristallines Siliziummaterial 12.
In Figur 2 ist die erste Ausführungsform des Substratmaterials 10 mit dem ersten Teil 21 der Membranschicht 20 und einem in die Membranschicht 20 integrierten, nicht eigens mit einem Bezugszeichen bezeichneten Bauelement in Schnittdarstellung dargestellt. Das Bauelement ist erfindungsgemäß beispielhaft als Thermoelement oder Temperaturfühler vorgesehen und beschrieben, kann jedoch jedes beliebige, in oder auf eine Membran integrierbare Bauelement sein. Das Thermoelement weist beispielsweise einen bekannten Platin- Widerstand bzw. ein bekanntes Si/Al- oder auch Si/Ge-Thermopile auf, das mit bekannten Methoden hergestellt ist. Zur Herstellung eines Thermopiles als Thermoelement wird zunächst eine strukturierte und insbesondere als poly-Silizium- Schicht vorgesehene Schicht auf der Membran 20 aufgebracht, die ein erstes Gebiet 201 und ggf. ein zweites Gebiet 202 umfasst. Das erste Gebiet 201 bildet einen ersten Widerstand, der im Folgenden ebenfalls mit dem Bezugszeichen 201 bezeichnet wird.
Das erste und zweite Gebiet 201, 202 können dabei auch elektrisch vollkommen getrennt voneinander vorgesehen sein, jedoch aus derselben Schicht herausstrukturiert sein. Anschließend an das Aufbringen des ersten Widerstands 201 erfolgt die Abscheidung und Strukturierung einer Zwischenoxidschicht 203 und eines zweiten Widerstands 204, der erfindungsgemäß insbesondere aus Aluminium-Material oder Germanium-Material besteht. Durch den nicht näher mit einem Bezugszeichen bezeichneten Kontakt zwischen dem ersten und zweiten Widerstand 201, 204 entsteht ein Thermoelement aus erstem und zweitem Widerstand 201, 204. Über dem Thermoelement wird eine Deckoxidschicht 205 abgeschieden und strukturiert. Um die Anschlüsse des Thermoelements zu kontaktieren, werden Bondpads 206 oder allgemein Kontaktierungsflächen 206 erzeugt, die beispielsweise aus Aluminium-Material bestehen. Hierdurch ergibt sich die Membran 20 aus dem ersten Teil 21 der Membranschicht und dem „Aufbau" des Bauelements - im Ausführungsbeispiel als Thermoelement - auf dem ersten Teil 21 der Membranschicht. Die Membran 20 könnte jedoch in einer nicht dargestellten anderen Ausführungsform der Erfindung auch derart aufgebaut sein, dass beispielsweise das Bauelement unterhalb der ersten und zweiten Teilmembranschichten 22, 24 vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist jedenfalls „unterhalb" der Membranschicht 20 das Substratmaterial 10 angeordnet. Dies ist in allen folgenden Figuren prinzipiell gleich vorgesehen und wird daher nicht wiederholt beschrieben. Auch bleibt der grundsätzliche Aufbau des Bauelements, beispielsweise als Thermoelement, in den weiteren Figuren prinzipiell erhalten, weshalb er nicht wiederholt beschrieben wird.
In Figur 3 ist die erste Ausführungsform des Substratmaterials 10 mit der Membranschicht 20 und einem teilweise durchgeführten ersten Ätzschritt in Schnittdarstellung dargestellt. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Hohlraums wird an bestimmten, in Figur 3 mit Pfeilen und den Bezugszeichen 28, 29 versehenen Perforationsstellen vertikale Ausnehmungen, d.h. Löcher, in die Membranschicht 20 bzw. in die Membran 20 eingebracht. Hierzu ist es erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen, mittels einer in Figur 3 lediglich mittels gestrichelt gezeichneter Linien Fotolackmaske 26 die Perforationsstellen 28, 29 dadurch zu definieren, dass die Fotolackmaske 26 die gesamte Membranschicht 20 außer an den Perforationsstellen 28, 29 bedeckt. Anschließend ist es möglich, mittels eines nasschemischen oder trockenchemischen ersten Ätzschrittes Löcher 40 in die Membranschicht 20 einzubringen, d.h. die Löcher 40 durch die Deckoxidschicht 205, die Zwischenoxidschicht 203 sowie die erste und zweite Teilmembranschicht 22, 24 zu treiben. Hierzu ist der Atzprozess für den ersten Ätzschritt insbesondere anisotrop vorgesehen. Die Perforationsstellen 28, 29 und entsprechend auch die Löcher 40 befinden sich an Stellen der Membranschicht 20, an denen keine Teile der auf oder in der Membranschicht 20 befindlichen Bauelemente durch die Erzeugung der Löcher 40 beschädigt werden können. In vertikaler Richtung, d.h. in Richtung der Einbringung der Löcher 40 in die flächenhaft ausgedehnte Membranschicht 20, befindet sich daher „unterhalb" einer Perforationsstelle 28, 29 lediglich ein als Opferschicht vorgesehener Bereich des Substrats 10. Für die mit dem Bezugszeichen 28 bezeichneten Perforationsstellen ist dies klar ersichtlich, weil sich die entsprechenden Löcher 40 nicht mit dem (in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 201 bzw. 204 bezeichneten) ersten oder zweiten Widerstand des Thermoelements schneiden. Für die mit dem Bezugszeichen 29 bezeichneten Perforationsstellen ist dies durch die mittels punktierter Linien dargestellten Seitenwände der entsprechenden Löcher 40 dargestellt. Dies soll verdeutlichen, dass sich die Löcher 40 für die mit dem Bezugszeichen 29 versehenen Perforationsstellen nicht in der dargestellten Schnittebene (in der sich der erste und zweite Widerstand des Thermoelements befindet), sondern in einer anderen Schnittebene befindet, in der das
Bauelement nicht durch die Löcher 40 beeinträchtigt wird.
In Figur 4 ist die erste Ausführungsform des Substratmaterials 10 mit Membranschicht 20 und vollständig durchgeführtem ersten Ätzschritt in Schnittdarstellung dargestellt. Gegenüber der Figur 3 ergibt sich lediglich der Unterschied, dass der erste Ätzschritt vollständig durchgeführt wurde, d.h. die Löcher 40 sind bis in eine gewisse Höhe 44 (bzw. „Tiefe") in das Substratmaterial 10 ausgehend von den in die Membranschicht 20 an den Perforationsstellen 28, 29 eingebrachten Löcher 40 (vgl. Beschreibung zu Figur 3) eingebracht. Hierzu wird wie für den in Figur 3 dargestellten ersten Teil des ersten Ätzschrittes ein anisotroper Atzprozess zur Tiefenstrukturierung, insbesondere eine
DRIE-Ätzprozess, verwendet. Die Höhe 44 ist in Figur 4 mittels eines Doppelpfeils unterhalb der ersten und zweiten Teilmembranschichten 22, 24 in das Substratmaterial 10 hinein dargestellt. Die Höhe 44 der Löcher 40 liegt unterhalb der Membranschicht 20 im Bereich von 2 μm bis 200 μm. Durch die Tiefenstrukturierung wird im wesentlichen die Tiefe (bzw. Höhe) des Opferschichtätzprozesses vorgegeben. Die Löcher 40, die im
Folgenden auch als Perforationslöcher 40 bezeichnet werden, können einen Durchmesser zwischen 0,5μm und 500μm haben. Für Anwendungen, bei denen die Membran möglichst wenige Löcher 40 aufweisen soll (z.B. Infrarot-Detektoren oder Massenflusssensoren), sind die Löcher 40 bevorzugt kleiner als lOμm. Anwendungen, die eine möglichst stark strukturierte Membran erfordern (z.B. Wärmeleitfähigkeitssensoren für H2-Erkennung, Sensoren basierend auf freiem Konvektionsfluss für Neigungsmessung), weisen bevorzugt Löcher 40 größer als lOOμm auf. In Figur 5 ist die erste Ausführungsform des Substratmaterials 10 mit Membranschicht 20 und durchgeführtem ersten und zweiten Ätzschritt in Schnittdarstellung dargestellt. Ausgehend von dem in Figur 4 dargestellten Herstellungsstadium der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird mittels eines isotropen Halbleiter-Atzprozess als zweitem Ätzschritt die durch die Löcher 40 vorgegebene und im Bereich der Membranschicht 20 nicht sichtbare Grabenstruktur im Bereich der Opferschicht, d.h. unterhalb der Membran 20 lateral geätzt. Dies ist in Figur 5 mittels vierer, waagerecht verlaufender und nicht mit einem Bezugszeichen bezeichneter Doppelpfeile dargestellt. Der Zugang des Ätzmediums für den zweiten Ätzschritt ist in Figur 5 mittels mit dem Bezugszeichen 42 bezeichneten Pfeilen durch die Löcher 40 hindurch dargestellt. Der Atzprozess kann beispielsweise mittels eines XeF2-, C1F3- oder BrF3-Verfahrens durchgeführt werden. Dadurch entsteht im Membranbereich 21 zwischen der Membranschicht 20 und dem nicht geätzten Teil des Substratmaterials 10 ein Hohlraum 30 und es wird durch den Membranbereich 21 die freitragende und die Bauelemente tragende bzw. umfassende Membran 20 über dem Hohlraum 30 definiert. Der Hohlraum 30 oder auch Kaverne 30 weist eine Höhe 31 auf, die erfindungsgemäß im wesentlichen der in Figur 4 dargestellten Höhe 44 der Tiefenstrukturierung der Löcher 40 unterhalb des Membranbereichs 20 entspricht. Die auf bzw. in der Membran 20 befindlichen Thermoelemente oder allgemeiner
Bauelemente sind durch die Kaverne 30 gegenüber dem Substratmaterial 10 thermisch entkoppelt bzw. isoliert.
In den Figuren 6 und 7 ist die erste Ausführungsform des Substratmaterials 10 mit Membranschicht 20 und vollständig durchgeführtem ersten und zweiten Ätzschritt und einer ersten und zweiten Ausführungsform eines Verschlusses der Löcher 40 in der Membran 20 in Schnittdarstellung dargestellt. In Figur 6 wird dabei die erste Ausführungsform eines Verschlusses der Löcher 40 mittels einer Verschlussschicht 50 dargestellt. In Figur 7 wird die zweite Ausführungsform eines Verschlusses der Löcher 40 mittels einer Kappe 52 dargestellt. Dadurch werden die Bauelemente oder anderen
Strukturen, insbesondere auf oder in der Membran 20, beispielsweise während des sich anschließenden Sägeprozesses zum Vereinzeln mehrerer gemeinsam auf einem Substratwafer hergestellter erfϊndungsgemäßer Vorrichtungen geschützt. Die Verschlussschicht 50 ist insbesondere als PECVD-Oxid oder als Spin-On-Glas ausgebildet.
In den Figuren 8 und 9 ist eine zweite Ausfuhrungsform des Substratmaterials 10 mit Membranschicht 20 in Schnittdarstellung dargestellt. In Figur 8 ist der erste Ätzschritt vollständig durchgeführt dargestellt. In Figur 9 ist der erste und zweite Ätzschritt vollständig durchgeführt dargestellt. Bei der zweiten Ausführungsform des Substratmaterials 10 wird ein Trägermaterial mit einer Abfolge unterschiedlicher Schichten im Substratmaterial 10 verwendet, beispielsweise mit einer Silizium - Siliziumoxid - Silizium-Schichtfolge. Dabei ist beispielsweis auf einem monokristallinen Teil 17 des Substratmaterials 10 eine (Silizium)Oxid-Schicht 16 und nachfolgend eine Siliziumschicht 15 aufgebracht. Die Siliziumschicht 15 kann dabei sowohl als monokristalline Siliziumschicht 15 oder als „epitaktisch aufgebrachte" polykristalline Siliziumschicht 15 (sogenannte EpiPoly-Siliziumschicht 15) vorgesehen sein. Entsprechend wird vom Substratmaterial 10 im ersten Fall als von einem SOI-Material und im zweiten Fall als von einem EOI-Material gesprochen. Das Herstellungsverfahren ist jedoch in seinen Schritten auch bei der zweiten Ausführungsform des
Substratmaterials 10 dem im Zusammenhang mit den Figuren 1-7 Beschriebenen analog. Ein Unterschied liegt j ediglich darin, dass die Oxidschicht 16 des Substratmaterials 10 beim Abschluss des ersten Ätzschrittes für einen Ätzstopp sorgt. Damit können die Löcher 40 mittels des Tiefenstrukturierungsverfahrens des ersten Ätzschrittes nicht tiefer als bis zur Oxidschicht 16 in das Substratmaterial 10, d.h. vollständig durch die als
Opferschicht verwendete Siliziumschicht 15, eingebracht werden. Hierdurch ist eine Endpunkterkennung des ersten Ätzschrittes möglich. Die Tiefenstrukturierung der Löcher 40 über die Membranschicht 20 hinaus erstreckt sich dabei über die mit dem Bezugszeichen 44 bezeichneten Höhe (bzw. Tiefe), die der Schichtdicke der Siliziumschicht 15 entspricht. Weiterhin entspricht die Höhe 31 der Kaverne 30 der
Dicke der Siliziumschicht 15 des Substratmaterials.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Substratmaterial (10) und mit einer Membran (20), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substratmaterial (10) und der Membran (20) in einem Membranbereich (21) ein Hohlraum (30) vorgesehen ist, wobei zur Herstellung des Hohlraums (30) zunächst Löcher (40) in der Membran (20) mittels eines ersten anisotropen Ätzschrittes hergestellt werden und wobei anschließend der Hohlraum (30) mittels eines zweiten isotropen Ätzschrittes hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Substratmaterials (10) als Opferschicht vorgesehen ist, wobei beim ersten Ätzschritt die Löcher (40) in den Bereich der Opferschicht eingebracht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren CMOS-kompatibel ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des ersten Ätzschrittes ein
Tiefenstrukturierungsverfahren, insbesondere ein DRIE- Verfahren (deep reactive ion etch- Verfahren) eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ätzschritt mittels eines XeF2-, C1F3-, BrF - oder SF6- Plasmas oder nasschemisch mittels TMAH oder KOH oder HNO3/HF durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (40) in der Membran (20) nach dem zweiten
Ätzschritt, insbesondere mit einer Abdeckschicht (50) oder einem Deckel (52), verschlossen werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem ersten Ätzschritt ein thermisch vom Substratmaterial
(10) zu isolierendes Bauelement auf bzw. in der Membran (20) erzeugt wird.
8. Mikromechanische Vorrichtung mit einem Substratmaterial (10) und mit einer Membran (20), hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (20) vom Substratmaterial (10) besonders gut thermisch isoliert vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als
Substratmaterial (10) ein Silizium-Substrat oder ein SOI-Substrat (Silicon-on- Insulator-Substrat) vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (31) des Hohlraums (30) im wesentlichen der Höhe (44) der Löcher (40) im
Substratmaterial (10) entspricht.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder in der Membran (20) eines oder mehrere thermisch isolierte Bauelemente, insbesondere Thermoelemente oder Heizelemente, vorgesehen ist/sind.
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