Beschreibung
Mikrotnechanisches Bauelement, Verfahren zur Herstellung und Verwendung
Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement, insbesondere in MEMS-Bauweise (Micro Electro Mechanical System) , welches miniaturisiert mittels Dünnschichtverfahren auf der Oberfläche eines Substrates hergestellt wird und dessen Verwendung.
Ein als Mikrofon ausgebildetes MEMS-Bauelement ist beispielsweise aus US 5,490,220 A bekannt. Zur Herstellung eines solchen Mikrofons wird auf einem Substrat ein Dünnschichtaufbau erzeugt, der zumindest eine in den
Dünnschichtaufbau eingebettete Membran umfasst . Diese wird in einem späteren Verfahrensschritt aus ihrer Einbettung befreit, indem die sie umhüllenden beziehungsweise einschließenden Opferschichten durch Ätzen entfernt werden.
Das Funktionsprinzip vieler MEMS Bauelemente basiert auf einem Kondensator, dessen Kapazität mit einer auslenkenden Membran variiert. Dementsprechend ist neben der elektrisch leitfähigen Membran noch eine weitere leitfähige Schicht als Gegenelektrode auf dem Substrat vorgesehen, die innerhalb des gleichen Schichtaufbaus verwirklicht sein kann.
Zur elektrischen SignalVerarbeitung eines solchen MEMS- Bauelements sind integrierte Schaltungen in Form von Halbleiterbauelementen erforderlich, wobei bekannte MEMS-
Bauelemente typisch in ein gemeinsames Package mit einem IC Bauelement eingebaut sind und so Hybridbauelemente darstellen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ein MEMS- Bauelement zusammen mit einem IC-Bauelement in einem Modul zu integrieren oder das MEMS-Bauelement direkt auf einem IC
Bauelement zu erzeugen oder mit einem solchen zu verbinden.
Aus der US 2004/0155306 Al ist ein MEMS-Bauelement bekannt, welches eine freischwingende metallische Membran umfasst, die durch einen Luftspalt von einer darunter auf dem Substrat angeordneten Betriebselektrode getrennt ist. Zur Herstellung wird zunächst eine Opferschicht über dem Substrat erzeugt und so strukturiert, dass zumindest ein Anschlussgebiet für die Membran im Substrat offen liegt. Anschließend wird die Membran großflächig erzeugt und strukturiert . Durch ein in der Membran vorhandenes Lochmuster wird die Opferschicht darunter weggeätzt, wobei der Luftspalt entsteht.
Aus der US 2004/0126921 Al ist ein MEMS-Schalter bekannt, bei dem eine metallische Membran durch einen Luftspalt getrennt über Schalt- und Antriebselektroden auf einem Substrat gespannt ist. Die elektrische Verbindung der Membran zu einer im Substrat angeordneten Schaltungsanordnung erfolgt über Vias, die in einer dielektrischen Schicht durch Ätzen und Auffüllen mit Metall erzeugt sind. Der Luftspalt unterhalb der Membran wird durch Ätzen einer Opferschicht durch die mit einem Lochmuster versehene Membran hindurch erzeugt. Der
Luftspalt und damit der Abstand der Membran von der Antriebsund Schaltelektrode wird durch Variation der Dicke der dielektrischen Schicht eingestellt, auf der die Membran ein- oder beidseitig aufliegt.
Bei MEMS-Bauelementen tritt allgemein das Problem auf, dass der aus unterschiedlichen Materialschichten bestehende Schichtaufbau für das MEMS-Bauelement herstellungsbedingte oder thermomechanisch erzeugte Spannungen aufweisen kann, die das mechanische Verhalten der Membran ungünstig beeinflussen.
Hinzu kommt, dass MEMS-Bauelemente vorzugsweise mit standardisierten Dünnschichtverfahren hergestellt werden. Eine ungünstig verspannte Membran kann zu einer Fehlfunktion und ein zu kleiner Luftspalt zu einem Totalausfall des MEMS- Bauelements führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein mikromechanisches und insbesondere ein MEMS-Bauelement anzugeben, welches bezüglich dieser genannten Nachteile verbessert ist .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein mikromechanisches Bauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements und seine Verwendung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Grundlegende Idee der Erfindung ist es, ein mikromechanisches Bauelement mit einer freischwingenden Membran in einen Mehrschichtaufbau zu integrieren, der eine geringere mechanische Verspannung und ein verbessertes thermomechanisch.es Verhalten zeigt. Dazu wird ein Mehrschichtaufbau vorgeschlagen, der eine alternierende Abfolge von strukturierten Metallschichten und Zwischenschichten aufweist, wobei zumindest zwei Metall- schichten vorgesehen sind. Aus dem Mehrschichtaufbau ist ein Stapel strukturiert, in dem über einer unteren Metallschicht eine der darüber liegenden Metallschichten an einer Seite über den Stapel hinaus verlängert ist und so eine freischwingende Membran ausbildet. Im Sinne der Erfindung soll unter Membran auch ein auslenkbarer Balken verstanden werden.
Der Mehrschichtaufbau kann jeweils gleich dicke Metall- und Zwischenschichten umfassen. Möglich ist es jedoch auch, die einzelnen Schichten insbesondere bezüglich der Schichtdicke zu variieren, um thermische Verspannungen zu kompensieren. Zu den verbesserten mechanischen Eigenschaften des mikromechanischen Bauelements trägt auch bei, dass über die Anzahl der alternierenden Metall- und Zwischenschichten eine weitere Möglichkeit besteht, die Höhe des Stapels, den Abstand der Membran von der Substratoberfläche, die Stabilität des Stapels und die Verspannung innerhalb des Stapels über einen großen Bereich hinwegzuvariieren und damit zu optimieren.
Der Stapel mit dem Mehrschichtaufbau ist auf einem Substrat angeordnet, in dem zumindest eine elektrische Schaltungs- anordnung vorgesehen ist. Die elektrische Anbindung der als Metallschicht ausgeführten Membran gelingt über die Zwischen- schichten, die in einer Ausführung ein Dielektrikum umfassen, in das elektrisch leitende Verbindungsstrukturen und insbesondere VIAS eingebettet sind. Neben der elektrischen Verbindung der einzelnen Metallschichten, die damit auch deren elektrischen Anschluss an die Schaltungsanordnung im Substrat garantiert, wird mit den Verbindungsstrukturen außerdem eine Strukturverstärkung des Mehrschichtaufbaus geschaffen, welche eine hohe mechanische Stabilität bei geringer thermomechani- scher Verspannung aufweist.
Die Schaltungsanordnung im Substrat kann eine integrierte Schaltung umfassen. Insbesondere kann das Substrat ein IC- Bauelement sein, auf dessen Oberfläche Elektroden und der Mehrschichtaufbau für das mikromechanische Bauelement angeordnet sind. Das IC-Bauelement kann eine integrierte Schaltungsanordnung umfassen, die für die elektrische
Ansteuerung des mikromechanischen Bauelements, das Auswerten von elektrischen Signalen eines als Sensor ausgebildeten Bauelements und die Antriebs- und Sehaltfunktionen für ein als MEMS-Schalter ausgebildetes mikromechanisches Bauelement ausgelegt ist.
Das mikromechanische Bauelement kann beispielsweise mittels Standard-Dünnschi'chtverfahren aufgebaut werden, wie sie in der CMOS-Technik Verwendung finden. Es können Standard- schichtdicken erzeugt werden, wobei vorteilhaft über die
Anzahl der alternierenden Schichten im MehrSchichtaufbau die Höhendimension des Bauelements optimiert werden kann. Die Membran kann im Mehrschichtaufbau beispielsweise die dritte oder vierte Metallschicht über dem Substrat sein. Oberhalb dieser zur Membran verlängerten Metallschicht kann der
Mehrschichtaufbau weitere alternierende Schichten umfassen. Vorteilhaft ist es beispielsweise, die zur Membran verlän-
gerte Metallschicht an einer Position im Mehrschichtaufbau anzuordnen, die im Stapel zumindest bezüglich der Massenbelastungen und/oder der thermomechanisehen Verspannungen oberhalb und unterhalb dieser Metallschicht symmetrisch ist. Eine symmetrische oder zumindest ausgleichende Massenbelastung kann auch dadurch erreicht werden, dass eine oder mehrere der über der Membran-Metallschicht angeordneten Schichten dicker ausgeführt ist, als die unterhalb der Membran-Metallschicht angeordneten .
Vorteilhaft ist es, zumindest die zur Membran verlängerte Metallschicht zwischen einer oberen und einer unteren Pas- sivierungsschicht einzubetten, um sie insbesondere gegenüber dem abschließenden Ätzprozess zur Freilegung der Membran zu schützen. Des weiteren kann die Passivierungsschicht zum
Schutz der Membran vor Korrosion dienen. Die Passivierungsschicht kann auch dazu dienen, die mechanische Vorspannung der Membran einzustellen beziehungsweise eine herstellungsbedingte unerwünschte Vorspannung auszugleichen. Dazu kann die Dicke der Passivierungsschichten variiert werden und insbesondere unterschiedliche Dicken für die untere und die obere Passivierungsschicht eingestellt werden. Möglich ist es auch, zwischen Membran und Passivierungsschicht zusätzliche Anpassungsschichten einzuführen. In diesem Fall ist es möglich, bei einheitlicher gleich bleibender Schichtdicke der Passivierungsschichten nur die Dicke einer oder beider Anpassungsschichten zu variieren.
Die Membran weist vorteilhaft ein Muster von Durchbrechungen auf. Dies ermöglicht es, den Mehrschichtaufbau inklusive der zur Membran verlängerten Metallschicht als kompakten Verbund aufzubauen und erst anschließend den Luftspalt zwischen Membran und Substratoberfläche in einem Ätzschritt freizulegen, der durch das Lochmuster innerhalb der Membran geführt wird.
Ein mikromechanisches Bauelement kann einen einzelnen Stapel aufweisen, in dem die Membran eine verlängerte Metallschicht
darstellt. Die Membran kann dann zungenförmig ausgebildet sein, wobei das freie Ende der Zunge frei schwingen kann. Möglich ist es auch, einen zweiten Stapel vorzusehen, wobei die Membran ebenfalls vorzugsweise zungenförmig ausgebildet und mit beiden Enden integrierter Bestandteil des jeweiligen Stapels ist. Eine nur einseitig befestigte beziehungsweise in einen Stapel integrierte Membran hat den Vorteil, dass sie eine geringere Auslenkungskraft benötigt als eine Membran, die beidseitig in einem Stapel befestigt ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung überspannt die Membran einen Hohlraum innerhalb eines Stapels. Sie ist dabei entlang ihres gesamten Außenumfangs innerhalb dieses einen Stapels fixiert. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass der Luftspalt zwischen Membran und Substratoberfläche ein geschlossener Hohlraum ist, dessen Füllung kontrolliert werden kann. Möglich ist es beispielsweise, in diesem Hohlraum einen bestimmten Druck einzustellen, der höher oder niedriger als der Umgebungsdruck sein kann. Möglich ist es auch, den Hohl- räum mit einem speziellen und vorzugsweise inerten Gas zu befüllen.
Eine weitere Ausgestaltung eines mikromechanischen Bauelements umfasst eine nur einseitig in einem Stapel fixierte zungenförmige Membran, die an ihrem freien Ende eine
Massenbelastung aufweist . Dies kann eine Massenbelastung mit einer oder mehreren zusätzlichen Schichten sein, die ausschließlich am freien Ende auf der Membran aufgebracht sind. Möglich ist es auch, diese zusätzliche Massenbelastung auf einer Schichtebene unterhalb der Membran jedoch mit der
Membran verbunden vorzusehen. Mit dieser Massenbelastung ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften der Membran zu beeinflussen und auf einen gewünschten Wert einzustellen. Wird die Massenbelastung unterhalb der Membran vorgesehen, so kann dadurch der Luftspalt verringert werden. Vorzugsweise sind auch die zur Massenbelastung erforderlichen Schichten mit einem Lochmuster versehen, um darunter den Luftspalt
durch Wegätzen einer darunter angebrachten Opferschicht zu schaffen.
Die Massenbelastung kann auch in Form eines Mehrschichtauf- baus aufgebracht werden, vorzugsweise mit dem selben Aufbau wie der Mehrschichtaufbau in den Stapeln. Dies ermöglicht eine integrierte Herstellung der Massenbelastung zusammen mit der Strukturierung des Stapels.
In einer Ausführung weisen sämtliche Metallschichten in den Stapeln an ihren Seitenkanten ein Passivierung auf. Diese kann in Form eines Dielektrikums ausgeführt sein, die beim Stapelaufbau für jede Metallschicht erzeugt und strukturiert ist. Möglich ist es auch, eine Isolierung vorzusehen, die an den gesamten Seitenwänden der Stapel angeordnet ist. Eine solche Isolierung kann beispielsweise in Form von Spacer- Strukturen erzeugt werden, indem eine Hilfsschicht in entsprechender Dicke kantenbedeckend abgeschieden und anisotrop zurückgeätzt wird, wobei ausschließlich an vertikalen Strukturkanten die Spacer verbleiben.
Die Materialien für den Mehrschichtaufbau, also Dielektrikum, Membran und gegebenenfalls Passivierungsschicht sind vorzugsweise mit dem CMOS-Prozess kompatibel. Geeignete Dielektrika sind beispielsweise ausgewählt aus einem Oxid, einem Nitrid oder einem Oxinitrid. Titannitrid stellt das bevorzugte für die Passivierungsschicht verwendete Material dar. Es hat sehr gute Passivierungseigenschaften, lässt sich gut strukturieren und ist selektiv gegen Oxid ätzbar. Dieser Punkt ist beson- ders wichtig, da als bevorzugte Opferschicht Oxid eingesetzt wird, welches vorteilhaft selektiv gegen die Passivierungsschicht ätzbar ist. Eine selektive Ätzbarkeit gegen das Dielektrikum der Zwischenschicht ist ebenfalls von Vorteil.
Für die Metallschichten des Mehrschichtaufbaus sind beliebige elektrisch leitende, mit Dünnschichtverfahren gut erzeugbare
Metalle geeignet, insbesondere die bereits in der CMOS- Technik verwendeten Aluminium und Kupfer.
Das Bauelement kann oberhalb der Membran im Abstand zu dieser mit einer Abdeckung versehen sein. Die Abdeckung kann mit dem Stapel abschließen und wird vorzugsweise bis auf die Oberfläche des Substrats gezogen. So ist es möglich, eine luft- und Feuchtigkeitsdichte Einbettung des Bauelements zu schaffen. Möglich ist es jedoch auch, in der Abdeckung durch- gehende Löcher oder Öffnungen vorzusehen, so dass zwar ein mechanischer Schutz der Membran gegeben ist, aber ein Austausch mit der Umgebungsluft und somit auch ein Druckausgleich möglich ist. Eine solche Abdeckung kann für Bauelemente eingesetzt werden, die als Drucksensoren oder auch als mikromechanisches Mikrofon ausgestaltet sind.
Die freischwingende Membran des Bauelements dient dazu, eine Kraft, einen Druckunterschied oder eine Schwingung aufzunehmen und diese über einen elektrischen Parameter abzulesen, der sich mit dem verringerten Abstand der Membran zur Oberfläche des Substrats verändert. Gegebenenfalls kann der gewünschten Messwert nach einer Linearisierung über eine Schaltungsanordnung, beispielsweise über eine integrierte Schaltung ausgegeben werden. Vorzugsweise arbeitet das mikromechanische Bauelement kapazitiv, wobei sich durch
Auslenkung der Membran eine Kapazität zwischen der Membran und einer auf der Oberfläche des Substrats angeordneten Gegenelektrode verändert .
Möglich ist es jedoch auch, das Bauelement als mikromechanischen Schalter auszuführen. In diesem Fall kann vorgesehen sein, auf der Oberfläche des Substrats eine Antriebselektrode vorzusehen, mit der eine Auslenkung der Membran zum Beispiel mittels elektrostatischer Anziehung bewirkt werden kann. Erfolgt die Auslenkung bis zu einem Umklapppunkt, dominiert die elektrostatische Anziehung die Rückstellkraft und die
Membran schließt den Kontakt, wobei der Schalter geschlossen wird.
Anwendungen, die ein Messsignal proportional zur Auslenkung der Membran liefern, sind beispielsweise Beschleunigungs- sensoren, wie sie beispielsweise in modernen Kraftfahrzeugen, für Navigationseinrichtungen und sicherheitstechnische Einrichtungen eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt, sodass den Figuren weder absolute noch relative Bemessungen entnommen werden können. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figur 1 zeigt im schematischen Querschnitt ein mikromechanisches Bauelement mit einem Mehrschichtaufbau aus zwei Zwischenschichten und zwei Metallschichten,
Figur 2 zeigt ein Bauelement mit vier Metallschichten, und einer Massenbelastung auf der Membran,
Figur 3 zeigt ein Bauelement mit vier Metallschichten, bei dem die oberste als Membran ausgebildet ist,
Figur 4 zeigt eine Membran im schematischen Querschnitt,
Figur 5 zeigt ein Bauelement mit zwischen zwei Stapeln verspannter Membran,
Figur 6 zeigt eine Variante mit direkt auf der Membran aufliegender Abdeckung,
Figur 7 zeigt eine Membran in der Draufsicht,
Figur 8 zeigt eine Membran mit Anpassungs- und Passivier- ungsschichten in schematischer Draufsicht,
Figur 9 zeigt verschiedene Verfahrensstufen bei der Her- Stellung eines Bauelements.
Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer einfachen Ausführungsform eines mikromechanischen Bauelements. Dieses ist auf einem Substrat SU aufgebaut, welches eine Schaltungsanordnung IC (nicht dargestellt) umfasst und beispielsweise selbst ein IC-Bauelement ist . Der mikromechanische Teil des Aufbaus ist in einem Mehrschichtaufbau MA realisiert, der in Figur 1 eine erste Zwischenschicht ZSl, eine erste Metallschicht MSl, eine zweite Zwischenschicht ZS2 und eine zweite Metallschicht MS2 umfasst. Jede Metallschicht kann für sich wiederum mehrere Schichten umfassen und außerdem oben und/oder unten Passi- vierungs- und Stresskompensationsschichten aufweisen. Die zweite Metallschicht MS2 überragt seitlich den Stapel des Mehrschichtaufbaus und ist zu einer Membran MB verlängert, die von der Oberfläche des Substrats SU durch einen Luftspalt getrennt ist . Im Falle einer Anwendung des Bauelements als Sensor stellt dieser Luftspalt die maximale Auslenkung der Membran dar. Wird das Bauelement als Schalter eingesetzt, so entspricht der Luftspalt der Schalterstrecke.
Im lichten Abstand oberhalb der Membran MB ist eine Abdeckung AB angeordnet, die hier ein Lochmuster aufweist und aus einem dielektrischen Material ausgebildet ist, vorzugsweise aus Siliziumnitrid. Die Abdeckung ruht entweder auf dem Stapel, oder wie in der Figur dargestellt, auf Stützelementen SE, die ebenfalls mittels Dünnschicht strukturiert seitlich des Stapels beziehungsweise des Mehrschichtaufbaus MA angeordnet sind.
Die elektrische Verbindung der Schaltungsanordnung im
Substrat mit den Metallschichten und insbesondere mit der Membran MB erfolgt über Verbindungsstrukturen VS, die zum
Beispiel im Querschnitt runde Durchkontaktierungen oder Vias durch die Zwischenschicht darstellen und insbesondere aus Wolfram ausgebildet sind. Auf der Oberfläche des Substrats unterhalb des Mehrschichtaufbaus ist eine Kontaktfläche zum elektrischen Anschluss der Membran vorgesehen (nicht dargestellt) . Weiterhin ist zumindest eine Sensor- oder Schalt- elektrode im Bereich des Luftspalts angeordnet, die zur Aufnahme eines Messwerts oder zum Herstellen eines Gegenkontakts für ein als Schalter eingesetztes Bauelement dient.
Figur 2 zeigt ausschnittsweise eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Im Unterschied zur Ausführung nach Figur 1 ist der Mehrschichtaufbau oberhalb der zur Membran MB verlängerten Metallschicht MS3 hier durch eine weitere Zwischenschicht ZS4 und eine weitere Metallschicht MS4 fortgesetzt. Auf diese Weise können auf die Membran einwirkende Spannungen innerhalb des Mehrschichtaufbaus MA ausgeglichen werden, da der Aufbau symmetrischer bezüglich der Membran ausgeführt ist.
Des weiteren ist hier am freien Ende der Membran MB eine
Massenbelastung ML angeordnet, die hier unterhalb der Membran als weiterer Mehrschichtaufbau jedoch mit einer geringeren Anzahl an Schichten im Aufbau realisiert ist. Es ist aber auch möglich, die Massenbelastung ML alternativ oder zusätz- lieh oberhalb der Membran anzuordnen, wobei sie in diesem Fall dann insgesamt eine größere Anzahl an Einzelschichten als der Mehrschichtaufbau aufweisen kann. Im ersten Fall verbleibt zwischen der Massenbelastung ML und der Oberfläche des Substrats immer noch ein Luftspalt, der eine Auslenkung der Membran in Richtung Substrat ermöglicht, wobei in einer Anwendung als Schalter ein elektrischer Kontakt zu einem auf der Oberfläche des Substrats SU angeordneten Schaltkontakt SK hergestellt werden kann. Möglich ist auch eine rein kapazitiv wirkende Metallisierung, die auch bei Auslenkung keinen direkten elektrischen Kontakt mit der Membran hat. Schaltkontakt oder kapazitiv wirkende Metallisierung sind natürlich
auch in der Ausführung nach Figur 1 vorgesehen, dort aber nicht explizit dargestellt.
Auch hier ist eine Abdeckung AB dargestellt, die auf dem Mehrschichtaufbau beziehungsweise auf dessen oberster Schicht aufliegen kann. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist die ursprünglich mit einem Lochmuster versehene Abdeckung geschlossen. Auch hier können seitliche Stützelemente SE vorgesehen sein, die rund um den gesamten Mehr- Schichtaufbau und die Membran geführt sein können und somit zusammen mit der Abdeckung AB ein Gehäuse für den mikromechanischen Mehrschichtaufbau darstellen können.
In Figur 3 ist ausschnittsweise ein weiteres Ausführungs- beispiel im schematischen Querschnitt dargestellt, bei dem die vom Substrat ab gezählt vierte Metallschicht MS4 zur Membran verlängert ist. Wie dargestellt kann die Membran eine größere Schichtdicke als die übrigen im Mehrschichtaufbau eingesetzten Metallschichten MSl bis MS3 aufweisen. Auch auf diese Weise wird eine verspannungsfreiere Membran erhalten, selbst wenn diese wie hier als oberste Schicht des Mehrschichtaufbaus realisiert ist. Die Abdeckung ist im lichten Abstand zur Membran angeordnet und mit einem Lochmuster versehen. Dieses garantiert, dass zum einen ein Luftdruck- ausgleich erfolgen kann und dass zum anderen ein Freiätzen der Membran durch Herauslösen von Opferschichten erfolgen kann. Diese Opferschichten werden während vorausgehender Verfahrensschritte bei der Herstellung mit erzeugt, sodass stets ein kompakter Schichtaufbau ohne Zwischenräume gegeben ist. Zum Freiätzen des Luftspalts unterhalb der Membran ist ebenfalls ein ÄtzmittelZugang zum späteren Luftspalt vorgesehen, beispielsweise durch ein weiteres Lochmuster innerhalb des freischwingenden Endes der Membran.
Figur 4 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts durch eine Membran eine weitere Ausgestaltung, die zum einen eine gegen Ätzangriffe geschützte und zum anderen in ihren mecha-
nischen Eigenschaften verbesserte und optimierte Membran darstellt. Oberhalb und unterhalb der den Kern der Membran bildenden Metallschicht MS sind zumindest eine obere Passi- vierungsschicht PS und eine untere Passivierungsschicht PS' vorgesehen. Diese bestehen jeweils aus einem inerten und gegen das zum Wegätzen der Opferschichten eingesetzte Ätzmittel resistenten Material . Über ein geeignetes Schichtmaterial und eine zum Beispiel unterschiedliche Wahl der Schichtdicken für obere und untere Passivierungsschicht PS kann bereits eine mechanische Anpassung erfolgen. Möglich ist es jedoch auch, zwischen Passivierungsschicht PS und Metallschicht MS jeweils eine obere beziehungsweise untere Anpassungsschicht AS, AS' vorzusehen. Bei gleicher Schichtdicke von oberer und unterer Passivierungsschicht kann die Anpassung durch Varia- tion der Schichtdicke der Anpassungsschicht ein- oder beidseitig erfolgen. Möglich ist es auch, eine solche Anpassungsschicht nur einseitig zu erzeugen.
In der dargestellten Ausführung ist die Membran beiderseits durch eine seitliche Passivierung SP geschützt, die eine mögliche aber nicht notwendige Ausgestaltung der Erfindung darstellt. Diese seitliche Passivierung kann auch in Form einer Spacer-Struktur erzeugt sein.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines mikromechanischen Bauelements, bei der die Membran MB als dritte Metall- Schicht MS3 im Mehrschichtaufbau realisiert ist, welcher zu zwei Stapeln strukturiert ist, zwischen denen die Membran MB verspannt ist . Durch die Verspannung an beiden Enden ist die Membran mechanisch stabilisiert. Oberhalb der dritten Metallschicht MS3 ist der Mehrschichtaufbau noch durch eine Zwischenschicht ZS4 und eine obere Metallschicht MS4 erweitert . Die Abdeckung AB ist hier geschlossen ausgebildet und liegt direkt auf der obersten Metallschicht MS4 auf.
Figur 6 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie die Figur 5 mit dem Unterschied, dass hier die Abdeckung auf der als Membran MB fungierenden Metallschicht MS4 direkt aufliegt.
Nicht dargestellt in den Figuren 5 und 6 ist eine
Verkapselung des Mehrschichtaufbaus, die beispielsweise wie in Figur 1 durch Stützelemente oder bis zur Oberfläche des Substrats gezogene Abdeckschichten erreicht werden kann.
Figur 7 zeigt eine als Membran verwendete Metallschicht in der Draufsicht. Die Membran weist einen durchgehend geschlossenen Teil auf, der Teil eines Mehrschichtaufbaus ist. In dem dem Stapel des Mehrschichtaufbaus überragenden freischwingenden Teil ist die Membran mit einem Lochmuster LM versehen. Dieses dient dazu, freien Zugang des Ätzmittels zu einer darunter liegenden herauszulösenden Opferschicht zu schaffen, um damit den Luftspalt herzustellen. Für Ausführungen entsprechend der Figuren 5 oder 6 ist auf der rechten Seite ein weiterer Bereich ohne Lochmuster vorgesehen, damit die Mem- bran an beiden Enden in einen Stapel eingespannt werden kann.
Figur 8 zeigt eine mögliche Anordnung von Passivierungs- schichten in dem Bereich der Membran, der mit einem Lochmuster versehen ist. Die innerste mit 1 bezeichnete Fläche entspricht den Außenabmessungen des mit Lochmuster versehenen freischwingenden Teils der Membran. Die Fläche 2 zeigt die Abmessungen von oberer und unterer Passivierungsschicht , die in dem Bereich ebenfalls mit einem Lochmuster versehen ist, um Zugang für das Ätzmittel zu darunter liegenden Schichten zu ermöglichen. Eine dritte Fläche 3 gibt einen Bereich der
Passivierungsschicht an, der nicht mit Lochmuster versehen ist. Möglich ist es jedoch auch, dass die Bereiche 2 und 3 größenmäßig identisch sind.
Im Folgenden wird die Herstellung eines mikromechanischen Bauelements anhand von Figur 9 mittels schematisch dargestellter verschiedener Verfahrensstufen erläutert . Ausgehend
von einem Substrat SU mit darin integrierter Schaltungsanordnung wird zunächst eine erste Zwischenschicht ZSl erzeugt. Im Bereich des später daraus zu strukturierenden Stapels werden Öffnungen OE in der Zwischenschicht ZSl erzeugt, in denen die Oberfläche des Substrats SU freigelegt wird (siehe Figur 9A) .
Figur 9b zeigt die Anordnung nach der Abscheidung eines Metalls selektiv in den Öffnungen OE. Dies kann beispielsweise durch selektive Wolfram-Abscheidung ausschließlich im inneren der Öffnungen erfolgen. Möglich ist es jedoch auch, ganzflächig ein Metall abzuscheiden und die Anordnung planar zurückzuätzen oder mittels chemisch/mechanischen Polierens zu planarisieren .
Im nächsten Schritt wird ganzflächig eine erste Metallschicht MSl aufgebracht und strukturiert, sodass im Bereich des Stapels über den Verbindungsstrukturen VS und im Bereich einer späteren Massenbelastung ML eine Metallfläche verbleibt. Figur 9c zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
Anschließend werden abwechselnd Zwischenschichten ZS inklusive darin angeordneter Verbindungsstrukturen VS sowie weitere Metallschichten MS erzeugt, bis der in Figur 9d aus drei Zwischenschichten und zwei dazwischen angeordneten Metall- schichten bestehende Mehrschichtaufbau erhalten wird. Zwischen dem flächenmäßig durch die Größe der Metallschichten definierten Stapel (in der Figur links dargestellt) und dem durch eine Opferschicht von der Substratoberfläche getrennten Aufbau für die Massenbelastung (in der Figur rechts dargestellt) ist der Zwischenraum außerhalb des Stapels mit weiterem Opfermaterial aufgefüllt, beispielsweise Siliziumoxid, sodass eine mit der Oberfläche der dritten Zwischenschicht ZS3 des Mehrschichtaufbaus abschließende planare Oberfläche des Aufbaus erhalten wird. Figur 9d zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
Anschließend wird die zur Membran verlängerte MetallSchicht (in der Figur die dritte Metallschicht MS3) erzeugt. Da diese Metallschicht zumindest in eine untere und eine obere Passi- vierungsschicht eingebettet ist, wird zunächst eine erste Passivierungsschicht , dann die Metallschicht und schließlich eine zweite Passivierungsschicht erzeugt und strukturiert . Die Strukturierung kann für jede einzelne Schicht separat erfolgen, kann jedoch auch mit einer einzigen Maske in einem einzigen Schritt durchgeführt werden. Figur 9e zeigt die An- Ordnung mit fertiger zur Membran verlängerter dritter Metall- Schicht MS3 , in der allerdings die relativ dünnen Passivier- ungsschichten nicht eingezeichnet sind.
Anschließend wird der Mehrschichtaufbau im Bereich des Sta- pels um weitere Schichten ergänzt, hier um eine vierte Zwischenschicht ZS4 und eine vierte Metallschicht MS4. Im Bereich des Stapels sind nun alle Metallschichten durch die Verbindungsstrukturen in den Zwischenschichten ZS elektrisch miteinander verbunden, wobei gleichzeitig auch die Stabilität des Stapels erhöht wird. Die vierte Zwischenschicht ZS4 erstreckt sich auch oberhalb der Membran MB, wo sie später als Opferschicht dient. Figur 9f zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
Im nächsten Schritt wird eine Abdeckschicht AS ganzflächig abgeschieden, aus der die spätere Abdeckung strukturiert wird. Die Abdeckschicht kann aus einem beliebigen mechanisch stabilen dielektrischen Material bestehen, beispielsweise aus Nitrid und insbesondere aus Siliziumnitrid. Mithilfe einer Fotoresistmaske wird nun in einem ersten Schritt die Abdeckschicht AS geätzt und dort das Lochmuster erzeugt. Anschließend erfolgt ein Ätzen der Opferschichten, die insbesondere aus dem gleichen Material wie die Zwischenschichten ZS bestehen, und insbesondere aus Oxid ausgebildet sind. Diese Ätzung kann in zwei Schritten durchgeführt werden, wobei zunächst anisotrop in Verlängerung des Lochmusters in der Fotoresistmaske ins Oxid geätzt wird, wobei die Ätzung im Oxid oder an
der Substratoberfläche gestoppt wird. Dies erfolgt sowohl im Bereich des Luftspalts unter der Membran als auch im Bereich der Massenbelastung, unter der sich ebenfalls eine zu entfernende Opferschicht befindet. In einem zweiten Ätzschritt wird anschließend isotrop geätzt, um die vertikalen Ätzlöcher seitlich in das Dielektrikum der Opferschicht hinein zu verbreitern und schließlich zu einem einzigen durchgehenden Hohlraum oder Luftspalt zu vereinigen. Die Ätzung wird so lange durchgeführt, bis sämtliches Opfermaterial entfernt ist. Figur 91 zeigt die Anordnung, bei der unterhalb der Membran und zwischen Membran und Abdeckung entsprechende Luftspalte LS entstanden sind. Außer im Bereich der Luft- spalte wird das Opfermaterial auch außerhalb des Stapels entfernt, wobei die Strukturierung jedoch so geführt werden kann, dass geeignete Stützelemente für die Abdeckung verbleiben (in der Figur nicht dargestellt) . Nach dem Ätzschritt wird die Fotomaske entfernt.
Soll die Abdeckung einen Luft- und Druckausgleich mit der Umgebung ermöglichen, so ist das Verfahren an dieser Stelle beendet. Ist jedoch eine geschlossene Abdeckung AB gewünscht oder erforderlich, so wird in einem abschließenden Schritt ganzflächig eine weitere Abdeckschicht oberhalb der strukturierten Abdeckschicht erzeugt, mit der das Lochmuster ver- schlössen wird. Figur 9j zeigt ausschnittsweise im Bereich von Stapel und Membran ein nach dieser Verfahrensstufe fertiges Bauelement.
Für jede einzelne Schicht gilt, dass die dafür verwendeten Materialien und Verfahren vorzugsweise mit Standardverfahren der CMOS-Technologie kompatibel sind. Entsprechend werden auch die Schichtdicken im Bereich der üblicherweise in CMOS- Technologie eingesetzten Schichtdicken gewählt.
Die Qualität des Mehrschichtaufbaus steigt mit der Planarität der Schichten. Sofern das jeweilige Schichtabscheideverfahren nicht zu einer planen Oberfläche führt, kann die Oberfläche
nachträglich noch planarisiert werden, beispielsweise durch chemisch mechanisches polieren (CMP) oder durch Hilfsschich- ten, die eine Planarisierung erzeugen und dann mit der gleichen Ätzrate wie die einzuebnende Schicht zurückgeätzt wer- den. Alle Zwischenräume, die später mit Luft gefüllt sind, werden während der Herstellung mit Opfermaterial aufgefüllt, wozu vorzugsweise das Material der Zwischenschichten verwendet wird. Ein Lochmuster wird im Bereich späterer Luftspalte durchgehend durch alle nicht aus Opfermaterial bestehende Schichten erzeugt, um den ungehinderten Zutritt des Ätzmittels von oben zu ermöglichen. Zum Ätzen von insbesondere Oxid kann trockene/wasserfreie oder gasförmige Flusssäure verwendet werden, mit der ein schnelles Entfernen von oxidischen Opferschichten möglich ist. Möglich ist es jedoch auch, Plasmaätzverfahren einzusetzen. Weiterhin ist es möglich, ein Plasmaätzverfahren als anisotropen und ein „Nassätzverfahren" als isotropen Ätzschritt zu kombinieren. Möglich ist es auch, als Opferschichten organische Schichten zu verwenden, und diese dann in einem Sauerstoffplasma zu entfernen. Im vorgeschlagenen Aufbau können auch für die
Zwischenschicht organische Dielektrika verwendet werden.
Die seitlichen Passivierungsschichten können zumindest im Bereich der Membran MB mit einer Spacer-Technik erzeugt werden. Möglich ist es jedoch auch, die obere Passivierungs- schicht oberhalb der Membran entsprechend zu strukturieren, dass sie seitlich nur noch überlappt, wie dies beispielsweise in Figur 8 dargestellt ist.
Die Erfindung wurde nur anhand weniger Ausführungsbeispiele dargestellt und ist aber nicht auf diese begrenzt. Für die Erfindung unerheblich ist die genaue Anzahl der für den Mehrschichtaufbau verwendeten Schichten und die Anordnung der Membran innerhalb dieses Schichtaufbaus . Bevorzugt sind jedoch stets symmetrische oder annähernd symmetrische Aufbauten, sodass sich die Membran in der „Mitte" des Mehrschichtaufbaus befindet. Bezüglich der eingesetzten
Materialien besteht für die Funktion des Bauelements weitgehende Auswahlfreiheit, jedoch ist dabei die entsprechende Kompatibilität zu beachten beziehungsweise von Vorteil .
Das Substratmaterial kann ein Trägermaterial oder ein Halbleiterbauelement sein, das eine Schaltungsanordnung, also eine integrierte Schaltung umfasst . Für einzelne Schritte oder für einen Großteil des vorgeschlagenen Aufbaus können an sich bekannte Verfahrensschritte eingesetzt werden. Wesent- lieh ist jedoch stets, dass die Stapel des Mehrschichtaufbaus zumindest zwei Metallschichten umfassen, von denen die zur Membran verlängerte Metallschicht eine obere Schicht darstellt. Vorteilhaft sind auch die genannten Anpass- und Passivierungsschichten, die die Eigenschaften des fertigen Bauelements positiv beeinflussen.
Bezugszeichenliste
SU Substrat
ZS1...ZS4 Zwischenschichten
MS1...MS4 Metallschichten
VS Verbindungsstrukturen
MB Membran
AB Abdeckung
SE Stützelement
MA Mehrschichtaufbau
SP Spacer oder seitliche Passivierung
AS,AS' Anpassungsschichten
PS, PS' Passivierungsschichten
LM Lochmuster
AS Abdeckschicht
OS Opferschicht
LS Luftspalt
PM Photomaske
OE Öffnungen
ML Massenbelastung
SK Schaltkontakt
1,2,3 Flächenbereiche