WO2006122829A1 - Verfahren zum herstellen eines mikromechanischen strukturelementes und halbleiteranordnung - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines mikromechanischen strukturelementes und halbleiteranordnung Download PDF

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recess
border
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Franz Schrank
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Austriamicrosystems AG
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    • B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
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    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0118—Cantilevers

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a micromechanical structural element and a semiconductor device.
  • Semiconductor arrangements with a micromechanical structural element are, for example, acceleration sensors in which a seismic mass is movably arranged above a recess in the crystal substrate and the deflection is a measure of the acceleration of the seismic mass relative to the crystal substrate.
  • An etch mask layer is used in semiconductor technology, thin film technology and micromechanics to protect an underlying layer on a substrate so that the layer to be protected is not removed when immersed in an etching solution. At the locations where the etch mask layer has an opening, the underlying layer is attacked and removed by the etch solution.
  • etching solutions such as potassium hydroxide, which etch silicon at different speeds in the different crystal directions. This is called an anisotropic etching process.
  • a silicon crystal substrate also called silicon wafer, having a (100) crystal plane as the surface of the crystal substrate, during etching with potassium hydroxide, recesses are produced whose sidewalls are (111) crystal planes.
  • the symbols in brackets are Miller indices indicating the orientation of the crystal planes.
  • the etching masks for anisotropic etching generally have rectangular structures. As shown in the book “Micromechanics”, Anton Heuberger, Springer Verlag, Berlin, 1991, p. 345 and p. 346, and pp. 349 to 354, self-supporting structures projecting into a recess with different anisotropic etching can also be used Make molds. Examples of micromechanical structural elements in one
  • the micromechanical structure element must be designed such that it is not attacked by the etching solution.
  • the underlying material of the crystal substrate is etched away by the anisotropic etching solution until the etching attack on a (111) crystal plane is slowed down so that one can speak of an etching stop.
  • the (111) crystal plane can therefore also be termed a stop plane.
  • a tongue is often used to measure acceleration.
  • the resonant frequency of a tongue or another micromechanical structural element is dependent inter alia on the length of the etched micromechanical structural element. Therefore, it is very important that the length of a tongue during anisotropic etching is exactly adhered to. Decisive for the accuracy is the positioning of the etching mask in relation to the crystal planes. If mispositioned by a non-zero angle, the recess is enlarged and the length of the tongue increases. Such misplacement may be due to misalignment of a
  • Etching mask for the anisotropic etching occur on the so-called Fiat of the Wers.
  • the etch mask for anisotropic etching at Justier Regenen or other Justage Schemeen that on the Aligned wafers are already aligned by previous process steps, so the misplacement may also be caused by the incorrect alignment of that mask, which is used to produce the adjustment structures.
  • FIGS. 2A and 2B show plan views of a conventional etching mask 1 for producing a micromechanical structural element 13 and an angular misalignment etching result.
  • FIG. 2A shows a plan view of an etching mask 1.
  • the micromechanical structure element 13 is formed as a tongue.
  • the micromechanical structural element 13 projects from an edge 9 into a recess 4.
  • a boundary 8 of the etching mask 1 has straight lines and in this example forms a rectangle with a rectangular tongue.
  • FIG. 2B shows in plan view an etching result with a faulty arrangement with an angular error ⁇ . Therefore, a line 6 forms this angle ⁇ with the edge 9.
  • the etching process stops only at one of the corners of the rectangle and not in the vicinity of the micromechanical structure element 13.
  • the micromechanical structure element 13 thus shows a significant undesired undercut and thus has a larger one Length as intended.
  • the invention has for its object to provide a method for etching free of a micromechanical structure element from a crystal substrate and thereby achieve a high structural accuracy and to provide a semiconductor device with a micromechanical, structurally accurate structural element.
  • the object with respect to the method is achieved by a method for producing a micromechanical structure element on or in a crystal substrate, wherein the micromechanical structure element is arranged swingably in a recess of a first main surface of one of the two main surfaces of the crystal substrate, by means of a web having an edge the recess of the crystal substrate is connected and has a main direction which is approximately perpendicular to the edge, with the following steps:
  • Providing the crystal substrate depositing an etch mask layer, locally removing the etch mask layer, such that the remaining etch mask layer protects the micromechanical structure element and its web to be formed from an etching attack and has a border with a first and a second line section located on both sides of a Extending terminal region of the web to the crystal substrate and have a predetermined angle ⁇ of less than 180 degrees to each other, and
  • the method is used to produce the micromechanical structural element. This is located on or in the crystal substrate.
  • the micromechanical structural element is movably arranged in the recess of the crystal substrate. In its movement it is restricted, in that the web connects the structural element with the edge of the recess of the crystal substrate. Part of the footbridge, the edge and the adjacent area of the crystal substrate represent the connection area of the web.
  • the method comprises as steps:
  • the crystal substrate is provided. It has two main surfaces, often referred to as front and back.
  • An etching mask layer is deposited on the entire first main surface. Should a layer structure be present on the first main surface, then the etching mask layer is deposited on this layer structure.
  • the etch mask layer is patterned to contact the
  • the etch mask layer protects at least the micromechanical structure element to be formed and its web. It can also protect other structures on the surface from an etching attack. It determines the shape of the recess. A main direction of the web is arranged approximately perpendicular to the edge. Likewise, the main direction of the micromechanical structure element is arranged approximately perpendicular to the edge.
  • an etch attack surface is exposed.
  • the remaining etching mask layer has the border. This comprises the border of the micromechanical structural element and the web apart from the transition of the web to the crystal substrate. Starting from the border of the bridge, the border on one side of the bridge includes the first line section and on the other side of the ridge the second line section, wherein the lines are continued so that they form at least one closed surface to allow an etching attack.
  • the first line section is arranged on one side and the second line section on another side of the connection area.
  • the first line section is connected to the border of one side of the web and the second line section is connected to the border of another side of the web.
  • the two line sections have the predeterminable angle ⁇ of less than 180 degrees to one another.
  • the crystal substrate is etched with an anisotropic etching solution. On the etching attack surface, the removal of the crystal substrate by the etching solution starts.
  • the recess is formed and the micromechanical structural element exposed.
  • the recess comprises a plurality of side surfaces, each formed by one of the exposed crystal planes. At the edge of the recess, at which the web is exposed, one of the crystal planes forms the line with the surface of the crystal substrate. The result is that the line runs through the connection area of the web to the crystal substrate.
  • the angle By choosing the angle smaller than 180 degrees, it is achieved that, in the case of an angle error between the etching mask layer and the crystal planes present in the crystal substrate or the lines at which these planes contact the first main surface of the crystal substrate, the etching process is slowed down by one of the slowly etchable crystal planes whose line, at which this crustal plane touches the first main surface, runs through the connecting area of the bridge.
  • This crystal plane can no longer be attacked "from the side” because it is protected from attack by the first main surface of the crystal substrate by the etch mask layer and from another side it is unaffected since it intersperses with the other slowly etchable crystal planes Side walls of the recess forms.
  • the side surfaces of the terminal region may have a surface with a surface normal substantially parallel to the
  • Main direction of the micromechanical structure element a surface having a surface normal parallel to the surface normal of the first main surface, a surface with a surface normal opposite parallel to the surface normal of the first main surface, a surface in the direction of the crystal substrate and two surfaces with opposite surface normal, approximately parallel to the Edge are, include.
  • the first line section passes through one of the latter two surfaces and the second line section passes through another of the latter two surfaces.
  • the first line section is on a first straight line and the second line section is on a second straight line which forms the legs of the angle which has the predeterminable value ⁇ of less than 180 degrees.
  • the vertex of the angle is preferably arranged in the remaining etching mask layer.
  • the first and second line sections are each formed as a straight line section.
  • the two straight sections may be overlaid with small waves or fine steps caused by the method of producing a photomask which serves to specify the structure of the etching mask layer by means of an optical pattern generator or electron beam writer.
  • the first and the second line section each have a second predeterminable angle ⁇ to the edge.
  • depositing at least one layer serves to produce the structure of the micromechanical structure element. Additional layers can be deposited. At least one of the layers can be patterned photolithographically. The recess of the side facing the micromechanical structure element is protected in an advantageous embodiment from attack by the etching solution.
  • the crystal substrate is formed of silicon having a (100) crystal plane as a major surface
  • the plural side surfaces included by the recess and each formed by one of the exposed crystal planes become four (111) stop planes
  • the symbols shown in parentheses are Miller indices.
  • the etching mask layer can be removed.
  • the etch mask layer is left on the surface since the etch mask layer is a very resistant one Layer is and therefore can be used as passivation of micromechanical structural element in operation.
  • the object is achieved with respect to the arrangement by a semiconductor device having an etching mask layer for producing a micromechanical structure element on or in a crystal substrate, wherein the micromechanical structure element is arranged swingably in a recess of a first main surface of one of the two main surfaces of the crystal substrate by means of a Web is connected to an edge of the recess of the crystal substrate and has a main direction which is approximately perpendicular to the edge, and the ⁇ tzmasken slaughter for protecting the micromechanical structural element and the web is equipped and has a border with a first line section and a second line section, which extend on both sides of a connection region of the web to the crystal substrate and have a predetermined angle ⁇ of less than 180 degrees to each other, so that a line at which an exposed crystal live the recess touches the first major surface of the crystal substrate, passes through the connection area.
  • the etch mask layer comprises a material that is not completely etchable during the etch time, such as a photoresist or a thin film.
  • the crystal substrate such as a silicon wafer, has two major surfaces. On the first main surface, the ⁇ tzmasken Anlagen is arranged. At least one intermediate layer may be provided between the crystal substrate and the etching mask layer.
  • the micromechanical structural element extends over or into the recess. It is connected to the crystal substrate via the bridge. A main direction of the ridge is approximately perpendicular to the edge. Likewise, the main direction of the micromechanical structure element is approximately perpendicular to the edge.
  • the terminal area includes portions of the land and the crystal substrate near the edge.
  • the etching mask layer serves for the anisotropic etching of the recess in the crystal substrate and the free etching of the micromechanical structure element.
  • the recess is formed by the action of the anisotropic etching solution on an etching attack surface.
  • the covering of the web and of the micromechanical structural element by the etching mask layer serves to protect the web and the structural element.
  • the dividing line between the etching attack surface and the etch mask layer is the border.
  • the border specifies on which surface the etching solution performs the etching process.
  • the crystal substrate has various crystal planes that come to the surface. However, in the course of the etching process, the crystal planes which are rapidly removable from the etching solution are degradable, and the resulting recess has only the crystal planes to be etched very slowly by the etching solution.
  • the border of the micromechanical structural element forms part of the border.
  • the border is continued so that the etching attack surface results.
  • the border comprises a first line section on one side of the connection area and a second line section on another side of the connection area. In the case of misalignment of the The edge of the etching mask layer at an angle other than zero forms the line at which the exposed crystal plane contacts the first main surface and which does not lie on the intended edge.
  • the maximum assumed angle of misalignment between the etch mask and the line where the exposed crystal plane contacts the first major surface is ⁇ .
  • the predeterminable angle ⁇ which assumes the border in the terminal area on both sides of the web or take the first and the second line section to each other, 180 degrees less than twice the angle ⁇ .
  • the line and the edge are at an angle ⁇ to each other.
  • the exposed crystal plane and the first major surface of the crystal substrate contact each other in the line that passes through the lead region and whose continuation in the form of a straight line does not intersect the boundary of the etching attack surface outside the lead region, there is no longer an etching attack possibility that causes the slowly etched crystal plane can be further etched by attack from another direction.
  • An advantage of this arrangement is that the line runs through the connection region of the web, even if during the production process, the etching mask is arranged incorrectly by an angle ⁇ .
  • the arrangement with the edge of the etching mask layer forming an angle ⁇ of less than 180 degrees of angle offers a clear Chen advantage over conventional ⁇ tzmasken that know only rectangular structures.
  • the result is a stop of the etching process at one of the corners of the rectangle and not, as desired, in the connection region of the web and thus of the micromechanical structure element.
  • the value of the angle between the edge and the border on one side of the web can be equal to the value of the angle between the edge and the border on the second side of the web, namely equal to ⁇ , with ⁇ for the further predeterminable angle greater value than the value of the error angle ⁇ is provided.
  • the value of the angle between the edge and the border on one side of the web can be different from the value of the angle between the edge and the border on the second side of the web.
  • various tolerances of the micromechanical structure element to be exposed can be taken into account with regard to the direction of rotation of the incorrect arrangement.
  • the entire micromechanical structural element can be designed as a web.
  • the micromechanical structural element described above is modified such that it is divided into two partial structural elements.
  • a partial structure element with the web to the crystal substrate and the second part structural element are connected to another web in the same direction as the web with the crystal substrate.
  • a common connection area is formed.
  • the lines leaving the common area fertilize form an angle less than 180 degrees. It is thus achieved that the line at which the crystal plane exposed by the anisotropic etching contacts the first main surface of the crystal substrate passes through the common connection region.
  • the micromechanical structural element can have an opening which has at least one point in common with the edge.
  • the micromechanical structure element has the web and the further web in the same direction, which together with the edge and the adjacent crystal substrate form the common connection region.
  • the border forms an angle ⁇ smaller than 180 degrees.
  • a micromechanical structure element protrudes from the edge and at least one further edge into the
  • the footbridge has the connection area and at least one further footbridge has at least one further connection area.
  • the etching mask layer is preferably designed so that the border forms an angle ⁇ of less than 180 degrees of angle in the region of the connection region and the border forms an angle ⁇ 1 of less than 180 degrees of angle in at least one region of the at least one further connection region.
  • the at least one further exposed crystal plane touches the first main surface. With this the line runs in the connection area and the at least one further line in the at least one further connection area. In this case, it is an advantage of this design of the etching mask that, even if the etching mask is arranged incorrectly in relation to the at least one further line, it passes through the at least one further connection region after the anisotropic etching.
  • the border of the etching mask can be a closed line, which has an arbitrary line shape in further sections.
  • the border defines the target recess.
  • a first straight line includes the border in the vicinity of the connection area on one side of the bridge and a further straight line the border on the second side of the bridge. Since two straight lines can not comprise an area, at least one further straight line can be provided.
  • these straight line sections form a predeterminable angle ⁇ of less than 180 degrees of angle with a value for ⁇ that is 180 degrees less than twice the further predeterminable angle ⁇ . Because of this, the area at which the etching attack can take place by the etching solution, provided as large as possible. As a further advantage, a short etching time can be achieved.
  • the further predeterminable angle ⁇ 1 may be the predeterminable angle ⁇ .
  • the functions of the micromechanical structure element in one embodiment require that the line is located with higher accuracy in the connection region than the further line in the further connection region, then the angles can be predefined differently. In this case, a smaller value ⁇ of the predeterminable angle than a value ⁇ 1 of the further predeterminable angle can be provided. It is preferred that the value of the predeterminable angle ⁇ and the value of the further predeterminable angle ⁇ 1 be between 160 and 180 degrees, but are different from 180 degrees of angle.
  • the value of the predeterminable angle ⁇ and the value of the further predeterminable angle ⁇ 1 be between 170 and 180 degrees, but are different from 180 degrees in angle.
  • An etch mask layer preferably comprises a material that is not completely etchable during the etch time.
  • the side of the structure element to be exposed, which faces the recess, preferably also comprises a layer which can not be completely etched away during the etching time.
  • the side of the structure to be etched away from the recess and the surfaces on the surface of the crystal substrate outside the recess preferably comprise a layer which can not be completely etched away during the etching time.
  • the etching mask layer may be designed, inter alia, for silicon Si, gallium arsenide GaAS, gallium phosphide GaP or indium phosphide InP as the material of the crystal substrate.
  • the etching mask layer may be formed of photoresist.
  • the etch mask layer is silicon oxynitride or silicon dioxide.
  • the ⁇ tzmasken für silicon nitride or silicon carbide because they have very low etching rates.
  • the etch mask layer may comprise a combination of materials.
  • the etch mask layer may comprise a double layer. For example, it can be made from a silicon oxide layer, which is covered with a silicon nitride layer
  • the material of the etching mask layer may be different on different surfaces.
  • the largest surface area of the surface may be protected with silicon carbide while the electrical contact terminals are covered with gold.
  • the side of the structure to be etched facing the recess may comprise a layer of boron highly doped silicon, silicon nitride, silicon carbide or silicon oxide.
  • the etching apparatus for blocking this pn junction during the etching process can be designed by applying a positive voltage to the n-doped silicon with respect to the etching solution. By means of this blocked pn junction, an etching stop on the n-doped layer can be achieved.
  • the micromechanical structural element can consist of a layer. However, it may also include multiple layers to perform a function. At least one of the layers can be structured.
  • the micromechanical structural element comprises a first layer of an insulator material, such as silicon nitride. Over the silicon nitride layer, a polysilicon layer is deposited, which is structured by photolithography and etching so that a polysilicon resistance is formed. With further layers, for example of metals, which are first deposited and then patterned, an electrical contact to the polysilicon resistor can be produced.
  • An etching mask layer of, for example, silicon nitride covers the micromechanical structure element and exhibits a protective effect against attack by the anisotropic etching solution. The etch mask layer can be etched away after the end of the anisotropic etching process. It can advantageously remain as a passivation for the operation of the micromechanical structure element on this structural element.
  • the resistance of polysilicon resistors is dependent on mechanical stress. A movement of the structural element with respect to the crystal substrate thus changes the resistance value of a polysilicon resistance provided in the region of the greatest stress.
  • the micromechanical structural element can thus be designed as an acceleration sensor.
  • etching mask layer not only the etching mask layer but also all intermediate layers or layers which are required for forming the micromechanical structure element or at least one further structure over the entire area on the first main surface or surfaces can be removed on the surfaces of the first main surface at which the anisotropic etching process is to start on there already existing layers are deposited.
  • the crystal substrate may be made of silicon having a surface of (100) crystal plane. If the target recess is to have vertical walls, the crystal substrate may be made of silicon with a surface of one
  • the micromechanical structural element comprises a movable sensor element, which is connected to a crystal substrate, and at least partially applied directly on the crystal substrate.
  • the movable sensor element may comprise silicon at the point at which the movable sensor element is applied to the crystal substrate.
  • the micromechanical structure element is produced according to the proposed method with little undercut, because thereby the silicon is not exposed at this point and etched away. An unwanted etching away of the silicon at this point could mean a failure of the sensor element.
  • An exemplary arrangement with such a sensor element and a method thereof are described in the earlier patent application DE 102005002304.5, which is hereby incorporated by reference in the present disclosure.
  • the proposed principle has among others advantages: a significantly increased accuracy in the production of a structure to be exposed, even if the etching mask is incorrectly positioned by an angle with respect to the line at which the exposed crystal plane touches the first main surface of the crystal substrate, and thus clearly reduced undercutting of the free-to-size micromechanical structural element,
  • FIGS. 1A to 1D show an exemplary cross section of a semiconductor arrangement comprising a crystal substrate, a micromechanical structure element and an etching mask layer as well as exemplary views of an etching mask layer for the micromechanical structure element and on the etching result without and with misalignment with angle error according to the proposed principle.
  • FIGS. 2A and 2B show top views of a conventional etching mask layer and the etching result with angular misalignment.
  • FIG. 3 shows an embodiment according to the proposed principle for a top view of an etching mask layer for producing a micromechanical structure element to be exposed, which has a plurality of webs in the same direction.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a plan view of an etching mask layer for producing a micromechanical structural element in the form of a bridge, which has a web to one edge and another web to another edge, according to the proposed principle.
  • FIGS. 5A and 5B show two developments of the etching mask layer 1 with the border 8 in or in the vicinity of the connection region 19 according to the proposed principle.
  • FIGS. 1A to 1D show a cross-section through a semiconductor arrangement and exemplary views of an etching mask layer 1 for a micromechanical structure element 13 and on etching results without and with incorrect arrangement with an angle error ⁇ according to the proposed principle.
  • FIG. 1A shows a cross section of the exemplary semiconductor arrangement with a crystal substrate 3, the micromechanical structure element 13 to be etched free and the etching mask layer 1.
  • the position of the cross section is drawn in FIG. In some places there is an intermediate layer 14 between a first main surface 2 of the crystal substrate 3 and the etching mask layer 1.
  • the micromechanical structure element 13 protrudes into the recess 4.
  • the recess 4 is formed on one side by a crystal plane 7.
  • the side of the micromechanical structure element 13 facing the recess 4 preferably comprises a layer which is not completely etched away during the etching time.
  • this layer Boron highly doped silicon, silicon nitride, silicon carbide or silicon oxide.
  • the micromechanical structural element 13 comprises at least one layer.
  • the micromechanical structure element 13 may comprise a semiconductor material.
  • the semiconductor material may be a material of the crystal substrate which is protected by special precautions prior to etching away by the anisotropic etching solution.
  • the semiconductor material can also be deposited as a layer above the surface of the crystal substrate.
  • the micromechanical structure element 13 may comprise at least one conductive layer.
  • This conductive layer may be made of at least one metal.
  • it can be deposited at relatively high temperatures, it can be a conductive layer of polysilicon.
  • the micromechanical structure element 13 may comprise at least one insulating layer. At least one of these layers can be structured.
  • FIG. 1B shows a plan view of the exemplary etching mask layer 1 according to the proposed principle.
  • the micromechanical structure element 13 is formed as a tongue. It has a web 15, by means of which the structural element 13 is connected to the edge 9 of the crystal substrate 3.
  • Structural element 13 protrudes from the edge 9 into the recess 4.
  • the web 15, the edge 9 at the transition of the web 15 to the crystal substrate 3 and an adjacent part of the crystal substrate 3 form a connection region 19.
  • the border 8 of the ⁇ tzmasken Mrs 1 comprises in this exemplary embodiment straight pieces for the micromechanical structure element 13 and other lines without straight sections.
  • the lines include an area where the etch attack occurs.
  • the border 8 comprises a first line section 81, which is connected to the border of the web 15 on one side of the web 15, and a second line section 82 which is connected to the border of the web 15 on the further side of the web 15.
  • the etching mask layer 1 is formed such that the border 8 forms an angle ⁇ of less than 180 degrees of angle on both sides of the web.
  • FIG. 1C shows a plan view of the etching result without misalignment.
  • the exposed crystal plane 7 and the first main surface 2 touch each other.
  • the line 6 lies on the edge 9, so that the micromechanical structure element 13 protrudes into the recess 4 without unwanted undercutting.
  • FIG. 1D shows in plan view an etching result with a faulty arrangement with an angular error ⁇ smaller than the predeterminable angle ⁇ .
  • the line 6 forms an angle ⁇ with the edge 9. Therefore, only one side of the web on the line 6 ends of the micromechanical structure element 13 to be etched free. The second side of the web lies completely above the recess 4.
  • an advantage of an etching mask 1 according to the proposed principle is that the boundary 8 of the etching mask layer 1 is angled such that at least one of the sides of the web 15 extends to the line 6.
  • the boundary 8 of the etching mask layer 1 is angled such that at least one of the sides of the web 15 extends to the line 6.
  • FIGS. 2A and 2B show plan views of a conventional etching mask 1 for producing the micromechanical structure element 13 to be etched and of the angular misalignment etching result.
  • FIGS. 2A and 2B were explained in the introduction to the description, so that the explanation will not be repeated here.
  • the undercut is x ⁇ * sin ( ⁇ ), where x ⁇ is the distance between the corner of the rectangle in the border 8 and the first side of the ridge 15 and ⁇ the angle of misplacement of the etch mask to the line 6 is.
  • the undercut on the second side is
  • an etching mask layer 1 according to FIG. 1B is therefore that the micromechanical structure element 13 in FIG. 1B has a significantly smaller undesired undercut than the micromechanical structure element 13 in FIG. 2B.
  • FIG. 3 shows a plan view of the exemplary etching mask layer 1 according to the proposed principle for producing the To be etched micromechanical structure element 13, which has the web 15 and another web 151, both of which connect the structural element 13 with the crystal substrate 3 via the edge 9. Therefore, the further web 151 has in the same main direction as the web 15.
  • the main directions of the two webs 15, 151 and the main direction of the micromechanical structure element 13 are approximately perpendicular to the edge 8.
  • the further web 151 may have as a border lines parallel to are the lines of the border of the web 15. Depending on the function of the micromechanical structural element 13, the border of the web 15 and the border of the further web 151 may not have parallel lines.
  • a common connection region 191 comprises parts of the web 15, of the further web 151 and of the crystal substrate 3 in the vicinity of the transition or of the edge 9.
  • the border 8 leaving the common connection region 191 on both sides forms an angle ⁇ of less than 180 degrees of angle and has two line segments 81, 85, which lie in the vicinity of the border of the webs 15, 151 on the legs of the angle ⁇ less than 180 degrees.
  • the vertex of the angle lies on the remaining etching mask layer.
  • the border 8 is shown as a line with partial straight lines.
  • the border 8 of the proposed etching mask layer 1 ensures that the line 6 passes through the common connection region 191. At least one side of the web 15 or the further web 151 have a point in common with the line 6.
  • An advantage of an etching mask 1 according to the proposed principle is that the accuracy in the production of this structure turiatas is significantly improved, characterized in that the line 6 passes through the common connection area 191.
  • the border 8 between the web 15 and the further web 151 can not be located on the half plane of the edge 9 opposite the structure element 13 to be etched free. In this case, the edge 9 would be determined by one of these points of the border 8 between the web 15 and the other web 151.
  • the border 8 between the two webs 15, 151 has the line sections 82, 83.
  • FIG. 4 shows a plan view of the exemplary etching mask layer 1 according to the proposed principle for producing a micromechanical structure element 13 to be exposed in the form of a bridge, which by means of the web 15 with the edge 9 of the recess 4 of the crystal substrate 3 and by means of a further web 152 with another Edge 92 of the recess 4 of the crystal substrate 3 is connected.
  • the main direction of the micromechanical structural element 13 is approximately perpendicular to both edges 9, 92.
  • the main direction of the web 15 is approximately perpendicular to the edge 9 and the main direction of the further web 152 is approximately perpendicular to the further edge 92nd
  • the web 15 and an adjacent part of the crystal substrate 3 form the terminal region 19;
  • the further web 152 and an adjacent part of the crystal substrate 3 form a further connection region 192.
  • the border 8 comprises in this embodiment straight lines and other line shapes.
  • the surrounding fertil 8 has in the connection area 19, the first and the second line section 81, 82 and in the further connection area 192, a further first and a further second line section 84, 86.
  • Silicon with a (110) crystal surface is preferably used as the crystal substrate 3 for producing a bridge as a micromechanical structural element 13.
  • the symbols in parentheses are Miller indices indicating the orientation of the crystal planes.
  • the bridge is thus advantageously free-etchable with high accuracy.
  • FIGS. 5A and 5B show two developments of the etching mask layer 1 with the border 8 in or in the vicinity of the connection region 19.
  • FIG. 5A shows the web 15 and the micromechanical structure element 13 and the border 8 in an xy coordinate system.
  • the main direction of the micromechanical structural element 13 and the main direction of the web 15 are in the direction of the y-coordinate axis and thus perpendicular to the edge 9.
  • the border 8 extends along the web 15 and the micromechanical structural element 13.
  • the border 8 forms a closed surface
  • the border 8 comprises further lines which lie in the following area, wherein the areas of the web 15 and of the micromechanical structural element 13 are to be excluded: y ⁇ 0 for 0 ⁇ x ⁇ x B ; y ⁇ (xx B ) -tan ⁇ för x B ⁇ x; with x B > 0
  • the sin ⁇ can also be selected, since the values for tan ⁇ and sin ⁇ differ only slightly at the small angles ⁇ .
  • the further predeterminable angle ⁇ is in the following relation to the predeterminable angle ⁇ :
  • the first line section 81 has x coordinates with x ⁇ 0 and y coordinates with y ⁇ -x tan ⁇
  • the second line section 82 has x coordinates with x ⁇ xg and y coordinates with y ⁇ (x-xg) tan ⁇ on.
  • the first and second line sections 81, 82 lie in sections on a first and a second straight line, which have the predeterminable angle ⁇ less than 180 degrees to each other.
  • the vertex of the angle lies on the remaining etching mask layer and has a y- Coordinate with y ⁇ 0 and an x-coordinate with 0 ⁇ x ⁇ Xg.
  • FIG. 5B shows, as in FIG. 15A, the web 15 and the micromechanical structure element 13 and the border 8 in an x-y coordinate system.
  • the border 8 runs along the web 15 and the micromechanical structural element 13.
  • the border 8 forms a closed surface
  • the border 8 encloses further lines.
  • the boundary 8 comprises short straight lines 87, 88 which lie on the edge 9 or near the edge 9.
  • the border 8 comprises the first and second line sections 81 ', 82'.
  • the first and the second line sections 81 ', 82' lie in sections on two straight lines, which have the predeterminable angle ⁇ less than 180 degrees to each other.
  • the vertex of the angle is on the remaining etch mask layer, as in FIG. 5A.
  • the border 8 can lie in the following area, wherein the areas of the web 15 and the micromechanical structural element 13 are to be excluded: y ⁇ (xx B -d ⁇ ) ⁇ zn ⁇ för x B + d x ⁇ x; y ⁇ - (x + d 2 ) -tan ⁇ for x ⁇ -d 2 withd ⁇ > 0 and d 2 > 0
  • the web 15 thus has on one side only a very small undercut and on the other side a slightly larger undercut.
  • connection area 191 common connection area

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Abstract

Das Verfahren dient zum Herstellen eines mikromechanischen Strukturelementes (13) auf oder in einem Kristallsubstrat (3), wobei das mikromechanische Strukturelement (13) schwingbar in einer Ausnehmung (4) des Kristallsubstrates (3) angeordnet ist und mittels eines Steges (15) mit dem Kristallsubstrat (3) verbunden ist, mit folgenden Schritten: Bereitstellen des Kristallsubstrates (3); Abscheiden einer Ätzmaskenschicht (1); lokales Entfernen der Ätzmaskenschicht (1), so dass die verbleibende Ätzmaskenschicht (1) eine Umrandung (8) aufweist, welche sich unter einem vorgebbaren Winkel von weniger als 180 Grad auf beiden Seiten eines Anschlussgebietes (19) des Steges (15) an das Kristallsubstrat (3) erstreckt, und Ätzen des Kristallsubstrates (3) zur Bildung der Ausnehmung (4) und des mikromechanischen Strukturelementes (13). Damit wird erreicht, dass eine freigelegte Kristallebene (7) durch das Anschlussgebiet (19) verläuft.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Strukturelementes und Halbleiteranordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Strukturelementes und eine HaIb- leiteranordnung .
Halbleiteranordnungen mit einem mikromechanischem Strukturelement sind beispielsweise Beschleunigungssensoren, bei denen eine seismische Masse beweglich über einer Ausnehmung im Kristallsubstrat angeordnet ist und die Auslenkung ein Maß für die Beschleunigung der seismischen Masse relativ zum Kristallsubstrat ist.
Eine Ätzmaskenschicht dient in der Halbleitertechnologie, Dünnfilmtechnik und Mikromechanik dazu, eine darunter liegende Schicht auf einem Substrat zu schützen, sodass die zu schützende Schicht beim Eintauchen in eine Ätzlösung nicht entfernt wird. An den Stellen, an denen die Ätzmaskenschicht eine Öffnung aufweist, wird die darunter liegende Schicht von der Ätzlösung angegriffen und entfernt.
Für die mikromechanische Strukturierung von Silizium existieren Ätzlösungen, wie etwa Kaliumhydroxid, die Silizium in den verschiedenen Kristallrichtungen unterschiedlich schnell ätzen. Man spricht hierbei von einem anisotropen Ätzvorgang. Bei einem Siliziumkristallsubstrat, auch Siliziumwafer ge- nannt, mit einer (100) -Kristallebene als Oberfläche des Kristallsubstrates entstehen beim Ätzen mit Kaliumhydroxid Ausnehmungen, deren Seitenwände (111) -Kristallebenen sind. Dabei sind die in Klammern dargestellten Symbole Miller-Indizes, welche die Orientierung der Kristallebenen angeben.
Die Ätzmasken für das anisotrope Ätzen weisen im Allgemeinen rechteckfόrmige Strukturen auf. Wie im Buch "Mikromechanik" , Anton Heuberger, Springer Verlag, Berlin, 1991, S. 345 und S. 346 sowie S. 349 bis 354 gezeigt, lassen sich mit einem anisotropen Ätzen auch freitragende Strukturen, die in eine Ausnehmung hineinragen, mit verschiedenen Formen herstellen. Beispiele für mikromechanische Strukturelemente in einer
Halbleiteranordnung sind Zungen, Spiralen und Brücken. Das mikromechanische Strukturelement muss so gestaltet sein, dass es von der Ätzlösung nicht angegriffen wird. Das darunter befindliche Material des Kristallsubstrates wird von der ani- sotropen Ätzlösung so lange weggeätzt, bis der Ätzangriff an einer (111) -Kristallebene so verlangsamt wird, dass man von einem Ätzstopp sprechen kann. Die (111) -Kristallebene kann daher auch als Stoppebene bezeichnet werden.
Eine Zunge wird oft zur Messung einer Beschleunigung eingesetzt. Die Resonanzfrequenz einer Zunge oder eines anderen mikromechanischen Strukturelementes ist unter anderem von der Länge des freigeätzten mikromechanischen Strukturelementes abhängig. Daher kommt es sehr darauf an, dass die Länge einer Zunge beim anisotropen Ätzen genau eingehalten wird. Maßgeblich für die Genauigkeit ist die Positionierung der Ätzmaske in Bezug zu den Kristallebenen. Bei einer Fehlpositionierung um einen von Null verschiedenen Winkel wird die Ausnehmung vergrößert und die Länge der Zunge nimmt zu. Eine derartige Fehlanordnung kann durch ein fehlerhaftes Ausrichten einer
Ätzmaske für das anisotrope Ätzen am sogenannten Fiat des Wa- fers auftreten. Wenn die Ätzmaske für das anisotrope Ätzen an Justierkreuzen oder anderen Justagestrukturen, die auf dem Wafer bereits von vorangegangenen Prozessschritten vorhanden sind, ausgerichtet ist, so kann die Fehlanordnung auch durch das fehlerhafte Ausrichten derjenigen Maske verursacht sein, die zum Herstellen der Justagestrukturen dient.
Figuren 2A und 2B zeigen Aufsichten auf eine übliche Ätzmaske 1 zum Herstellen eines mikromechanischen Strukturelementes 13 und auf ein Ätzergebnis mit Fehlanordnung mit Winkelfehler.
Figur 2A zeigt eine Aufsicht auf eine Ätzmaske 1. In dieser beispielhaften Anordnung ist das mikromechanische Strukturelement 13 als eine Zunge ausgebildet. Das mikromechanische Strukturelement 13 ragt von einem Rand 9 in eine Ausnehmung 4 hinein. Eine Berandung 8 der Ätzmaske 1 weist Geradenstrecken auf und bildet in diesem Beispiel ein Rechteck mit einer rechteckförmigen Zunge .
Die Figur 2B zeigt in Aufsicht ein Ätzergebnis mit einer Fehlanordnung mit einem Winkelfehler δ. Daher bildet eine Li- nie 6 diesen Winkel δ mit dem Rand 9. Der Ätzvorgang stoppt erst an einer der Ecken des Rechteckes und nicht in der Umgebung des mikromechanischen Strukturelementes 13. Das mikromechanische Strukturelement 13 zeigt somit eine deutliche unerwünschte Unterätzung und besitzt damit eine größere Länge als vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Freiätzen eines mikromechanischen Strukturelementes aus einem Kristallsubstrat bereitzustellen und dabei eine hohe Struk- turgenauigkeit zu erzielen sowie eine Halbleiteranordnung mit einem mikromechanischen, strukturgenauen Strukturelement zu schaffen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bezüglich des Verfahrens gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Strukturelementes auf oder in einem Kristallsubstrat, wobei das mikromechanische Strukturelement schwingbar in ei- ner Ausnehmung einer ersten Hauptfläche einer der beiden Hauptflächen des Kristallsubstrates angeordnet ist, mittels eines Steges mit einem Rand der Ausnehmung des Kristallsub- strates verbunden ist und eine Hauptrichtung aufweist, die näherungsweise senkrecht zu dem Rand angeordnet ist, mit fol- genden Schritten:
Bereitstellen des Kristallsubstrates, Abscheiden einer Ätzmaskenschicht, lokales Entfernen der Ätzmaskenschicht, so dass die verbleibende Ätzmaskenschicht das zu bildende mikromecha- nische Strukturelement und dessen Steg vor einem Ätzangriff schützt und eine Umrandung mit einem ersten und einem zweiten Linienabschnitt aufweist, welche sich auf beiden Seiten eines Anschlussgebietes des Steges an das Kristallsubstrat erstrecken und einen vorgebbaren Winkel φ von weniger als 180 Grad zueinander aufweisen, und
Ätzen des KristallSubstrates zur Bildung der Ausnehmung und des mikromechanischen Strukturelementes, so dass eine Linie, an der eine durch das Ätzen freigelegte Kristall - ebene der Ausnehmung die erste Hauptfläche des Kristall - Substrates berührt, durch das Anschlussgebiet verläuft.
Das Verfahren dient zum Herstellen des mikromechanischen Strukturelementes. Dieses befindet sich auf oder in dem Kristallsubstrat. Das mikromechanische Strukturelement ist beweg- lieh in der Ausnehmung des Kristallsubstrates angeordnet. In seiner Bewegung wird es eingeschränkt, dadurch dass der Steg das Strukturelement mit dem Rand der Ausnehmung des Kristall - Substrates verbindet. Ein Teil des Steges, der Rand und das benachbarte Gebiet des Kristallsubstrates stellen das Anschlussgebiet des Steges dar.
Das Verfahren umfasst als Schritte:
Das Kristallsubstrat wird bereitgestellt. Es hat zwei Hauptflächen, die häufig auch als Vorder- und Rückseite bezeichnet sind.
Eine Ätzmaskenschicht wird auf der gesamten ersten Hauptfläche abgeschieden. Sollte ein Schichtaufbau auf der ersten Hauptfläche vorhanden sein, so wird die Ätzmaskenschicht auf diesem Schichtaufbau abgeschieden.
Die Ätzmaskenschicht wird strukturiert, sodass sie an den
Flächen verbleibt, an denen sie einen Schutz vor dem Ätzangriff bieten soll. Die Ätzmaskenschicht schützt zumindest das zu bildende mikromechanische Strukturelement und dessen Steg. Sie kann auch weitere Strukturen auf der Oberfläche vor einem Ätzangriff schützen. Sie bestimmt die Form der Ausnehmung. Eine Hauptrichtung des Steges ist näherungsweise senkrecht zum Rand angeordnet. Ebenso ist die Hauptrichtung des mikromechanischen Strukturelementes näherungsweise senkrecht zum Rand angeordnet .
An den Stellen, an denen die Ätzmaskenschicht entfernt wurde, wird eine Ätzangriffsfläche freigelegt.
Die verbleibende Ätzmaskenschicht weist die Umrandung auf. Diese umfasst die Umrandung des mikromechanischen Strukturelementes und des Steges abgesehen von dem Übergang des Steges zu dem Kristallsubstrat. Ausgehend von der Umrandung des Steges umfasst die Umrandung auf einer Seite des Steges den ersten Linienabschnitt und auf der anderen Seite des Steges den zweiten Linienabschnitt, wobei die Linien so fortgesetzt sind, dass sie mindestens eine geschlossene Fläche bilden, um einen Ätzangriff zu ermöglichen.
Diese beiden Linien erstrecken sich unter einem vorgebbaren Winkel φ von weniger als 180 Winkelgrad auf beiden Seiten eines Anschlussgebietes des Steges an das Kristallsubstrat. Die Tangenten an Punkten dieser beiden Linien treffen sich in der Ätzmaskenschicht, die über dem Kristallsubstrat sich befindet, und schneiden sich dort mit einem Winkel φ von weniger als 180 Winkelgrad.
Der erste Linienabschnitt ist auf einer Seite und der zweite Linienabschnitt auf einer weiteren Seite des Anschlussgebietes angeordnet. Der erste Linienabschnitt ist mit der Umrandung einer Seite des Steges und der zweite Linienabschnitt ist mit der Umrandung einer weiteren Seite des Steges verbunden. Die beiden Linienabschnitte weisen den vorgebbaren Win- kel φ von weniger als 180 Grad zueinander auf.
In einer Ausführungsform liegen die beiden Linienabschnitte zumindest abschnittsweise auf den Schenkeln eines Winkels, dessen Scheitelpunkt in der verbleibenden Ätzmaskenschicht angeordnet ist und den vorgebbaren Wert φ von weniger als 180 Grad aufweist.
Das Kristallsubstrat wird mit einer anisotrop wirkenden Ätzlösung geätzt. Auf der Ätzangriffsfläche startet das Entfer- nen des Kristallsubstrates durch die Ätzlösung. Dabei wird die Ausnehmung gebildet und das mikromechanische Strukturelement freigelegt . Die Ausnehmung umfasst mehrere Seitenflächen, die jeweils von einer der freigelegten Kristallebenen gebildet wird. An dem Rand der Ausnehmung, an dem der Steg freigelegt wird, bildet eine der Kristallebenen mit der Oberfläche des Kristallsub- strates die Linie. Ergebnis ist, dass die Linie durch das Anschlussgebiet des Steges an das Kristallsubstrat verläuft.
Durch die Wahl des Winkels kleiner 180 Winkelgrad wird erreicht, dass bei einem Winkelfehler zwischen Ätzmaskenschicht und den im Kristallsubstrat vorhandenen Kristallebenen beziehungsweise den Linien, an denen diese Ebenen die erste Hauptfläche des Kristallsubstrates berühren, der Ätzvorgang verlangsamt wird, dadurch dass eine der langsam ätzbaren Kristallebenen freigelegt wird, deren Linie, an der diese Kris- tallebene die erste Hauptfläche berührt, durch das Anschlussgebiet des Steges verläuft. Diese Kristallebene kann nicht mehr "von der Seite" angegriffen werden, da sie vor einem Angriff von der ersten Hauptfläche des Kristallsubstrates durch die Ätzmaskenschicht geschützt ist und von einer anderen Sei- te sie nicht angreifbar ist, da sie mit den anderen langsam ätzbaren Kristallebenen die Seitenwände der Ausnehmung bildet.
Ohne der Form der Umrandung mit dem Winkel kleiner 180 Win- kelgrad wird auch eine langsam ätzbare Kristallebene, die durch das Anschlussgebiet verläuft, weitergeätzt, obwohl sie in dem Anschlussgebiet vor einem Angriff von der ersten Hauptfläche aus geschützt ist, da sie lateral angegriffen wird. Bei einer rechteckigen Form der Umrandung der Ätzan- griffsflache stoppt der Ätzvorgang erst, wenn die langsam ätzbare Kristallebene das Eck des Rechteckes erreicht hat. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass im Anschlussbereich des Steges des mikromechanischen Strukturelementes die Linie, an der die freigelegte Kristallebene die erste Hauptfläche berührt, so verläuft, dass dort der Ätzprozess so verlangsamt wird, dass faktisch ein Ätzstopp auftritt. Das Verfahren erreicht dies auch dann, wenn während des Herstellungsablaufes die Ätzmaskenschicht um einen Winkel fehlerhaft angeordnet wird. Mit Vorteil ist somit erreicht, dass sich ein mikromechanisches Strukturelement mit hoher Genauigkeit an dem Rand der Ausnehmung befindet. Der Einfluss der bei der Ausrichtung der Ätzmaske und der bei dem Anbringen der sogenannten Fiats an den Wafern auftretenden Streuung wird deutlich reduziert.
Die Seitenflächen des Anschlussgebietes können eine Fläche mit einer Flächennormale im wesentlichen parallel zu der
Hauptrichtung des mikromechanischen Strukturelementes, eine Fläche mit einer Flächennormale parallel zu der Flächennormale der ersten Hauptfläche, eine Fläche mit einer Flächennormale entgegengesetzt parallel zur Flächennormalen der ersten Hauptfläche, eine Fläche in Richtung des Kristallsubstrates und zwei Flächen mit einander entgegengesetzten Flächennormalen, die näherungsweise parallel zu dem Rand sind, umfassen. Der erste Linienabschnitt tritt durch eine der letzteren beiden Flächen hindurch und der zweite Linienabschnitt tritt durch eine weitere der letzteren beiden Flächen hindurch.
In einer Ausführungsform befinden sich der erste Linienabschnitt auf einer ersten Gerade und der zweite Linienabschnitt auf einer zweiten Gerade, welche die Schenkel des Winkels, der den vorgebbaren Wert φ von weniger als 180 Grad aufweist, bilden. Der Scheitelpunkt des Winkels ist bevorzugt in der verbleibenden Ätzmaskenschicht angeordnet. In dieser Ausführungsform sind der erste und der zweite Linienabschnitt jeweils als ein Geradenabschnitt ausgebildet. Alternativ können den beiden Geradenabschnitten kleine Wellen oder feine Stufen überlagert sein, die durch das Herstel- lungsverfahren einer Photomaske, die zur Strukturvorgabe der Ätzmaskenschicht dient, mittels optischer Patterngenerator oder Elektronenstrahlschreiber bewirkt sind.
In einer Ausführungsform weisen der erste und der zweite Li- nienabschnitt jeweils einen zweiten vorgebbaren Winkel γ zu dem Rand auf .
In einer Ausführungsform dient das Abscheiden mindestens einer Schicht dazu, den Aufbau des mikromechanischen Struktur- elementes herzustellen. Es können weitere Schichten abgeschieden werden. Mindestens eine der Schichten kann photolithographisch strukturiert werden. Die der Ausnehmung zugewandten Seite des mikromechanischen Strukturelementes ist in einer vorteilhaften Ausführung vor dem Angriff durch die Ätz- lösung geschützt.
In einer Ausführungsform, in welcher das Kristallsubstrat aus Silizium mit einer (100) -Kristallebene als Hauptfläche gebildet ist, werden die mehreren Seitenflächen, welche von der Ausnehmung umfasst werden und die jeweils von einer der freigelegten Kristallebenen gebildet werden, von vier (111) Stoppebenen gebildet, wobei die in Klammern dargestellten Symbole Miller-Indizes sind.
Nach dem anisotropen Ätzen kann die Ätzmaskenschicht entfernt werden. Mit Vorteil wird die Ätzmaskenschicht auf der Oberfläche belassen, da die Ätzmaskenschicht eine sehr resistente Schicht ist und daher als Passivierung des mikromechanisehen Strukturelementes im Betrieb eingesetzt werden kann.
Bezüglich Weiterbildungen des Verfahrens wird auf die Unter- ansprüche verwiesen.
Die Aufgabe wird bezüglich der Anordnung durch eine Halbleiteranordnung gelöst, die eine Ätzmaskenschicht zum Herstellen eines mikromechanischen Strukturelementes auf oder in einem Kristallsubstrat aufweist, wobei das mikromechanische Strukturelement schwingbar in einer Ausnehmung einer ersten Haupt- fläche einer der beiden Hauptflächen des Kristallsubstrates angeordnet ist, mittels eines Steges mit einem Rand der Ausnehmung des Kristallsubstrates verbunden ist sowie eine Hauptrichtung aufweist, die näherungsweise senkrecht zu dem Rand angeordnet ist, und die Ätzmaskenschicht zum Schutz des mikromechanischen Strukturelementes und dessen Steg ausgestattet ist und eine Umrandung mit einem ersten Linienabschnitt und einem zweiten Linienabschnitt aufweist, welche sich auf beiden Seiten eines Anschlussgebietes des Steges an das Kristallsubstrat erstrecken und einen vorgebbaren Winkel φ von weniger als 180 Grad zueinander aufweisen, so dass eine Linie, an der eine freigelegte Kristallebene der Ausnehmung die erste Hauptfläche des Kristallsubstrates berührt, durch das Anschlussgebiet verläuft.
Die Ätzmaskenschicht umfasst ein Material, das während der Ätzzeit nicht vollständig wegätzbar ist, wie etwa einen Fotoresist oder einen Dünnfilm. Das Kristallsubstrat, wie etwa ein Siliziumwafer, besitzt zwei Hauptflächen. Auf der ersten Hauptfläche ist die Ätzmaskenschicht angeordnet. Es kann mindestens eine Zwischenschicht zwischen dem Kristallsubstrat und der Ätzmaskenschicht vorgesehen sein. Das mikromechanische Strukturelement erstreckt sich über oder in die Ausnehmung. Es ist über den Steg mit dem Kristallsubstrat verbunden. Eine Hauptrichtung des Steges ist näherungs- weise senkrecht zum Rand. Ebenso ist die Hauptrichtung des mikromechanischen Strukturelementes näherungsweise senkrecht zum Rand. Das Anschlussgebiet umfasst Teile des Steges und das Kristallsubstrat in der Nähe des Randes.
Die Ätzmaskenschicht dient zu dem anisotropen Ätzen der Ausnehmung in dem Kristallsubstrat und dem Freiätzen des mikromechanischen Strukturelementes. Die Ausnehmung entsteht durch Einwirkung der anisotropen Ätzlösung auf einer Ätzangriffsfläche. Die Bedeckung des Steges und des mikromechanischen Strukturelementes durch die Ätzmaskenschicht dient dem Schutz des Steges und des Strukturelementes.
Die Trennlinie zwischen der Ätzangriffsfläche und der Ätzmaskenschicht ist die Umrandung. Die Umrandung gibt vor, auf welcher Fläche die Ätzlösung den Ätzvorgang durchführt. Das Kristallsubstrat weist verschiedene Kristallebenen auf, die an die Oberfläche treten. Jedoch sind im Verlauf des Ätzvorgangs die von der Ätzlösung schnell entfernbaren Kristallebenen abbaubar und die am Schluss entstandene Ausnehmung weist nur die von der Ätzlösung sehr langsam zu ätzenden Kristallebenen auf .
Die Umrandung des mikromechanischen Strukturelementes bildet einen Teil der Umrandung. Die Umrandung ist so fortgesetzt, dass sich die Ätzangriffsfläche ergibt. Die Umrandung umfasst einen ersten Linienabschnitt auf einer Seite des Anschlussgebietes und einen zweiten Linienabschnitt auf einer weiteren Seite des Anschlussgebietes. Bei der Fehlausrichtung der Um- randung der Ätzmaskenschicht um einen von Null verschiedenen Winkel entsteht die Linie, an der die freigelegte Kristall - ebene die erste Hauptfläche berührt und die nicht auf dem vorgesehenen Rand liegt.
Der maximal anzunehmende Winkel der Fehlausrichtung zwischen der Ätzmaske und der Linie, an der die freigelegte Kristallebene die erste Hauptfläche berührt, sei γ. Damit ist der vorgebbare Winkel φ, den die Umrandung im Anschlussgebiet auf beiden Seiten des Steges annimmt beziehungsweise der erste und der zweite Linienabschnitt zueinander annehmen, 180 Winkelgrad abzüglich des Doppelten des Winkels γ.
Nach dem anisotropen Ätzvorgang bei einer Fehlausrichtung der Ätzmaske gegenüber der Linie mit einem Winkel δ befinden sich die Linie und der Rand in dem Winkel δ zueinander.
Wenn die freigelegte Kristallebene und die erste Hauptfläche des Kristallsubstrates sich in der Linie berühren, die durch das Anschlussgebiet geht und deren Fortsetzung in Form einer Gerade nicht die Umrandung der Ätzangriffsfläche außerhalb des Anschlussgebietes schneidet, existiert keine Ätzangriffs- möglichkeit mehr, die bewirkt, dass die langsam zu ätzende Kristallebene durch Angriff aus einer anderen Richtung weite- rätzbar ist.
Ein Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Linie durch das Anschlussgebiet des Steges verläuft und zwar auch dann, wenn während des Herstellungsablaufes die Ätzmaske um einen Winkel δ fehlerhaft angeordnet ist.
Die Anordnung mit der einen Winkel φ kleiner 180 Winkelgrad bildenden Umrandung der Ätzmaskenschicht bietet einen deutli- chen Vorteil gegenüber herkömmlichen Ätzmasken, die nur rechteckige Strukturen kennen. Bei einer rechteckigen Beran- dung der Ätzmaske ist das Resultat ein Stopp des Ätzprozesses an einem der Ecken des Rechtecks und nicht wie gewünscht im Anschlussgebiet des Steges und damit des mikromechanischen Strukturelementes .
In einer Weiterbildung kann der Wert des Winkels zwischen dem Rand und der Umrandung auf einer Seite des Steges gleich dem Wert des Winkels zwischen dem Rand und der Umrandung auf der zweiten Seite des Steges sein, nämlich gleich γ, wobei für den weiteren vorgebbaren Winkel γ ein größerer Wert als der Wert des Fehlerwinkels δ vorgesehen ist.
In einer Weiterbildung kann der Wert des Winkels zwischen dem Rand und der Umrandung auf einer Seite des Steges verschieden vom Wert des Winkels zwischen dem Rand und der Umrandung auf der zweiten Seite des Steges sein. Mit Vorteil können so verschiedene Toleranzen des freizuätzenden mikromechanischen Strukturelementes hinsichtlich des Drehsinns der Fehlanordnung berücksichtigt werden.
Das gesamte mikromechanische Strukturelement kann als Steg ausgebildet sein.
In einer Weiterbildung ist das oben beschriebene, mikromechanische Strukturelement dahingehend verändert, dass es in zwei Teilstrukturelemente aufgeteilt ist. Damit sind ein Teilstrukturelement mit dem Steg mit dem Kristallsubstrat und das zweite TeilStrukturelement mit einem weiteren Steg in der gleichen Richtung wie der Steg mit dem Kristallsubstrat verbunden. Es wird ein gemeinsames Anschlussgebiet gebildet. Die das gemeinsame Anschlussgebiet verlassenden Linien der Umran- düng bilden einen Winkel kleiner 180 Winkelgrad. Somit ist erreicht, dass die Linie, an der die durch den anisotropen Ätzvorgang freigelegte Kristallebene die erste Hauptfläche des Kristallsubstrates berührt, durch das gemeinsame An- schlussgebiet verläuft .
In einer anderen Weiterbildung kann das mikromechanische Strukturelement eine Öffnung aufweisen, die mindestens einen Punkt mit dem Rand gemeinsam hat. Somit weist das mikromecha- nische Strukturelement den Steg und den weiteren Steg in der gleichen Richtung auf, die zusammen mit dem Rand und dem benachbarten Kristallsubstrat das gemeinsame Anschlussgebiet bilden. Die Umrandung bildet einen Winkel φ kleiner 180 Winkelgrad. Damit verläuft auch bei einer Fehlausrichtung der Ätzmaske gegenüber der Linie die Linie durch das gemeinsame Anschlussgebiet und ist das mikromechanische Strukturelement mit hoher Genauigkeit herstellbar.
In einer Weiterbildung ragt ein mikromechanisches Struktur- element von dem Rand und zumindest einem weiteren Rand in die
Ausnehmung hinein. Der Steg besitzt das Anschlussgebiet und zumindest ein weiterer Steg besitzt zumindest ein weiteres Anschlussgebiet. Die Ätzmaskenschicht ist bevorzugt so ausgelegt, dass die Umrandung im Bereich des Anschlussgebietes ei- nen Winkel φ kleiner 180 Winkelgrad und die Umrandung in zumindest einem Bereich des zumindest einen weiteren Anschlussgebietes einen Winkel φ1 kleiner 180 Winkelgrad bildet. An zumindest einer weiteren Linie berührt die zumindest eine weitere freigelegte Kristallebene die erste Hauptfläche. Da- mit verläuft die Linie in dem Anschlussgebiet und die zumindest eine weitere Linie in dem zumindest einen weiteren Anschlussgebiet . Dabei ist es ein Vorteil dieser Auslegung der Ätzmaske, dass sich auch bei einer Fehlanordnung der Ätzmaske gegenüber der zumindest einen weiteren Linie diese nach dem anisotropen Ätzen durch das zumindest eine weitere Anschlussgebiet ver- läuft.
Die Umrandung der Ätzmaske kann eine geschlossene Linie sein, die in weiteren Abschnitten eine beliebige Linienform aufweist. Die Umrandung legt die Soll -Ausnehmung fest.
Mit Vorteil, weil einfacher im Entwurf, umfasst eine erste Geradenstrecke die Umrandung in der Umgebung des Anschlussgebietes auf der einen Seite des Steges und eine weitere Geradenstrecke die Umrandung auf der zweiten Seite des Steges. Da zwei Geradenstrecken keine Fläche umfassen können, kann mindestens eine weitere Geradestrecke vorgesehen sein.
Mit Vorteil bilden diese Geradenstrecken einen vorgebbaren Winkel φ kleiner 180 Winkelgrad mit einem Wert für φ, der 180 Winkelgrad abzüglich des Doppelten des weiteren vorgebbaren Winkels γ beträgt. Denn dadurch ist die Fläche, an welcher der Ätzangriff durch die Ätzlösung stattfinden kann, möglichst groß vorgesehen. Als weiterer Vorteil ist eine kurze Ätzzeit erreichbar.
Der weitere vorgebbare Winkel φ1 kann der vorgebbare Winkel φ sein. Wenn es jedoch die Funktion der mikromechanischen Strukturelementes in einem Ausführungsbeispiel erfordert, dass die Linie mit höherer Genauigkeit im Anschlussgebiet als die weitere Linie im weiteren Anschlussgebiet befindet, dann können die Winkel unterschiedlich vorgebbar sein. In diesem Fall ist ein kleinerer Wert φ des vorgebbaren Winkels als ein Wert φ1 des weiteren vorgebbaren Winkels vorsehbar. Bevorzugt ist, dass der Wert des vorgebbaren Winkels φ und der Wert des weiteren vorgebbaren Winkels φ1 zwischen 160 und 180 Winkelgraden betragen, aber von 180 Winkelgrad verschie- den sind.
Weiter ist bevorzugt, dass der Wert des vorgebbaren Winkels φ und der Wert des weiteren vorgebbaren Winkels φ1 zwischen 170 und 180 Winkelgraden betragen, aber von 180 Winkelgrad ver- schieden sind.
Eine Ätzmaskenschicht umfasst bevorzugt ein Material, das während der Ätzzeit nicht vollständig wegätzbar ist. Auch die der Ausnehmung zugewandte Seite des freizuätzenden Struktur- elementes umfasst bevorzugt eine Schicht, die während der Ätzzeit nicht vollständig wegätzbar ist. Ebenso umfasst bevorzugt die der Ausnehmung abgewandte Seite der freizuätzenden Struktur und die Flächen auf der Oberfläche des Kristall - Substrates außerhalb der Ausnehmung eine Schicht, die während der Ätzzeit nicht vollständig wegätzbar ist.
Die Ätzmaskenschicht kann unter anderem für Silizium Si, GaI- liumarsenid GaAS, Galliumphosphid GaP oder Indiumphosphid InP als Material des Kristallsubstrats ausgelegt sein.
Die Ätzmaskenschicht kann aus Photolack gebildet sein. Mit Vorteil, da resistenter gegenüber einer anisotropen Ätzlösung, ist die Ätzmaskenschicht aus Siliziumoxinitrid oder Siliziumdioxid. Bevorzugt umfasst die Ätzmaskenschicht Silizi- umnitrid oder Siliziumcarbid, weil diese sehr geringe Ätzraten aufweisen. Die Ätzmaskenschicht kann eine Kombination von Materialien umfassen. Die Ätzmaskenschicht kann eine Doppel - schicht umfassen. Sie kann beispielsweise aus einer Silizium- oxidschicht bestehen, die mit einer Siliziumnitridschicht bedeckt ist
Das Material der Ätzmaskenschicht kann an verschiedenen Ober- flächen unterschiedlich sein. Beispielsweise kann der größte Flächenanteil der Oberfläche mit Siliziumcarbid geschützt sein, während die elektrischen Kontaktanschlüsse mit Gold bedeckt sind.
Bei Silizium als Material des Kristallsubstrats kann in Abhängigkeit von der anisotropen Ätzlösung die der Ausnehmung zugewandte Seite der freizuätzenden Struktur eine Schicht aus mit Bor hochdotiertem Silizium, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Siliziumoxid umfassen.
Umfasst das Kristallsubstrat p-dotiertes Silizium und die der Ausnehmung zugewandte Seite der freizuätzenden Struktur n- dotiertes Silizium, kann die Ätzapparatur zum Sperren dieses pn-Überganges während des Ätzprozesses durch Anlegen einer positiven Spannung am n-dotiertem Silizium gegenüber der Ätzlösung ausgelegt sein. Durch diesen gesperrten pn-Übergang ist ein Ätzstopp an der n-dotierten Schicht erzielbar.
Das mikromechanische Strukturelement kann aus einer Schicht bestehen. Sie kann jedoch auch mehrere Schichten umfassen, um eine Funktion zu erfüllen. Mindestens eine der Schichten kann strukturiert sein.
Beispielsweise umfasst das mikromechanische Strukturelement eine erste Schicht aus einem Isolatormaterial wie Siliziumnitrid. Über der Siliziumnitridschicht ist eine Polysilizium- schicht abgeschieden, die mittels Photolithographie und Ätzvorgang so strukturiert ist, dass ein Polysiliziumwiderstand gebildet ist. Mit weiteren Schichten beispielsweise aus Metallen, die zuerst abgeschieden und dann strukturiert werden, ist ein elektrischer Kontakt zum Polysiliziumwiderstand herstellbar. Eine Ätzmaskenschicht etwa aus Siliziumnitrid be- deckt das mikromechanische Strukturelement und zeigt eine Schutzwirkung gegen einen Angriff durch die anistrope Ätzlösung. Die Ätzmaskenschicht ist nach dem Ende des anisotropen Ätzvorganges wegätzbar. Sie kann mit Vorteil als Passivierung für den Betrieb des mikromechanischen Strukturelementes auf diesem Strukturelement verbleiben.
Der Widerstandswert von Polysiliziumwiderständen ist vom mechanischen Stress abhängig. Eine Bewegung des Strukturelementes gegenüber dem Kristallsubstrat verändert somit den Wider- standswert eines im Bereich des größten Stresses vorgesehenen Polysiliziumwiderstandes . Das mikromechanische Strukturelement kann somit als Beschleunigungssensor ausgelegt sein.
Auf den Flächen der ersten Hauptfläche, an denen der ani- sotrope Ätzvorgang starten soll, können nicht nur die Ätzmaskenschicht, sondern auch alle Zwischenschichten oder Schichten entfernt sein, die für das Bilden des mikromechanischen Strukturelementes oder mindestens einer weiteren Struktur ganzflächig auf der ersten Hauptfläche beziehungsweise auf dort schon vorhandene Schichten abgeschieden sind.
Das Kristallsubstrat kann aus Silizium mit einer Oberfläche aus einer (100) Kristallebene bestehen. Falls die Soll- Ausnehmung senkrechte Wände aufweisen soll, kann das Kris- tallsubstrat aus Silizium mit einer Oberfläche aus einer
(110) Kristallebene bestehen. Dabei sind die in Klammern dargestellten Symbole Miller-Indizes, welche die Kristallebenen angeben . In einer Weiterbildung umfasst das mikromechanische Strukturelement ein bewegliches Sensorelement, das mit einem Kristallsubstrat verbunden ist, und zumindest bereichsweise un- mittelbar auf dem Kristallsubstrat aufgebracht ist. Das bewegliche Sensorelement kann in einer Ausführungsform der Weiterbildung Silizium an der Stelle umfassen, an der das bewegliche Sensorelement auf dem Kristallsubstrat aufgebracht ist. Mit Vorteil ist das mikromechanische Strukturelement nach dem vorgeschlagenen Verfahren mit geringer Unterätzung hergestellt, weil dadurch das Silizium an dieser Stelle nicht freigelegt und weggeätzt ist. Ein unerwünschtes Wegätzen des Siliziums an dieser Stelle könnte einen Ausfall des Sensorelementes bedeuten. Eine beispielhafte Anordnung mit einem solchen Sensorelement und ein Verfahren dazu sind in der früheren Patentanmeldung DE 102005002304.5 beschrieben, die hiermit diesbezüglich als Referenz in die vorliegende Offenbarung einbezogen wird.
Bezüglich Weiterbildungen der Anordnung wird auf die Unteransprüche verwiesen.
Zusammenfassend hat das vorgeschlagene Prinzip unter anderem als Vorteile: - eine deutlich vergrößerte Genauigkeit bei der Herstellung einer freizuätzenden Struktur auch bei einer Fehlpositionierung der Ätzmaske um einen Winkel gegenüber der Linie, an der die freigelegte Kristallebene die erste Hauptfläche des Kristallsubstrates berührt, und damit eine deutlich verringerte Unterätzung des freizuätzenden mikromechanischen Strukturelementes,
- eine höhere Toleranz bei der Ausrichtung der Ätzmaske gegenüber der Kristallorientierung, - eine größere Toleranz bei der Spezifikation für die Kristallorientierung der Oberfläche des Kristallsubstrats und für das Anbringen des sogenannten Fiats.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Bauteile, Strukturteile oder Strukturelemente tragen gleiche Bezugszeichen.
Figuren IA bis ID zeigen einen beispielhaften Querschnitt einer Halbleiteranordnung umfassend ein Kristallsubstrat, ein mikromechanisches Strukturelement und eine Ätzmaskenschicht sowie beispielhafte Aufsichten auf eine Ätzmaskenschicht für das mikromechanische Strukturelement und auf das Ätzergebnis ohne und mit Fehlanordnung mit Winkelfehler nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
Figuren 2A und 2B zeigen Aufsichten auf eine übliche Ätzmaskenschicht und auf das Ätzergebnis mit Fehlanordnung mit Win- kelfehler.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel nach dem vorgeschlagenen Prinzip für eine Aufsicht auf eine Ätzmaskenschicht zum Herstellen eines freizuätzenden mikromechanischen Strukturelementes, das mehrere Stege in der gleichen Richtung aufweist .
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Aufsicht auf eine Ätzmaskenschicht zum Herstellen eines mikromechanischen Strukturelementes in Form einer Brücke, die einen Steg zu einem Rand und einen weiteren Steg zu einem weiteren Rand aufweist, nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Figur 5A und 5B zeigen zwei Weiterbildungen der Ätzmaskenschicht 1 mit der Umrandung 8 in oder in der Nähe des Anschlussgebietes 19 nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
Figuren IA bis ID zeigen einen Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung sowie beispielhafte Aufsichten auf eine Ätzmaskenschicht 1 für ein mikromechanisches Strukturelement 13 und auf Ätzergebnisse ohne und mit Fehlanordnung mit einem Winkelfehler δ nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
Die Figur IA zeigt einen Querschnitt der beispielhaften Halbleiteranordnung mit einem Kristallsubstrates 3, dem freizuätzenden mikromechanischen Strukturelement 13 sowie der Ätzmaskenschicht 1. Die Lage des Querschnittes ist in Figur IB ein- gezeichnet. An manchen Stellen befindet sich eine Zwischenschicht 14 zwischen einer ersten Hauptfläche 2 des Kristallsubstrates 3 und der Ätzmaskenschicht 1. Das mikromechanische Strukturelement 13 ragt in die Ausnehmung 4 hinein. Die Ausnehmung 4 wird an einer Seite von einer Kristallebene 7 ge- bildet.
Die Ätzmaskenschicht 1, welche eine der Ausnehmung 4 abgewandte Seite der mikromechanischen Strukturelementes 13 und die weiteren Flächen auf der Oberfläche 2 außerhalb der Aus- nehmung 4 bedeckt und vor dem Ätzangriff schützt, umfasst mit Vorteil eine Schicht, die während der Ätzzeit nicht vollständig weggeätzt wird.
Die der Ausnehmung 4 zugewandte Seite des mikromechanischen Strukturelementes 13 umfasst bevorzugt eine Schicht, die während der Ätzzeit nicht vollständig weggeätzt wird. Bei Silizium als Material des Kristallsubstrats 3 kann diese Schicht ein mit Bor hochdotiertes Silizium, Siliziumnitrid, Silizium- carbid oder Siliziumoxid umfassen.
Das mikromechanische Strukturelement 13 umfasst mindestens eine Schicht . Das mikromechanische Strukturelement 13 kann ein Halbleitermaterial umfassen. Das Halbleitermaterial kann ein Material des Kristallsubstrates sein, das durch spezielle Vorkehrungen vor dem Wegätzen durch die anisotrope Ätzlösung geschützt ist. Das Halbleitermaterial kann auch als Schicht über der Oberfläche des Kristallsubstrates abscheidbar sein.
Das mikromechanische Strukturelement 13 kann mindestens eine leitfähige Schicht umfassen. Diese leitfähige Schicht kann aus mindestens einem Metall sein. Mit Vorteil, weil mit höhe- ren Temperaturen abscheidbar, kann eine leitende Schicht aus Polysilizium sein. Das mikromechanische Strukturelement 13 kann mindestens eine isolierende Schicht umfassen. Mindestens eine dieser Schichten kann strukturiert sein.
Figur IB zeigt eine Aufsicht auf die beispielhafte Ätzmaskenschicht 1 nach dem vorgeschlagenen Prinzip. In dieser beispielhaften Anordnung ist das mikromechanische Strukturelement 13 als eine Zunge ausgebildet. Es weist einen Steg 15 auf, mittels dem das Strukturelement 13 mit dem Rand 9 des Kristallsubstrates 3 verbunden ist. Das mikromechanische
Strukturelement 13 ragt von dem Rand 9 in die Ausnehmung 4 hinein. Der Steg 15, der Rand 9 am Übergang des Steges 15 zum Kristallsubstrat 3 und ein benachbarter Teil des Kristallsubstrates 3 bilden ein Anschlussgebiet 19. Die Umrandung 8 der Ätzmaskenschicht 1 umfasst in dieser beispielhaften Ausführung Geradenstücke für das mikromechanische Strukturelement 13 und weitere Linien ohne Geradenstücke. Die Linien schließen eine Fläche ein, an welcher der Ätzangriff stattfindet. Die Umrandung 8 umfasst einen ersten Linienabschnitt 81, der mit der Umrandung des Steges 15 auf einer Seite des Steges 15 verbunden ist, und einen zweiten Linienabschnitt 82, der mit der Umrandung des Steges 15 auf der weiteren Seite des Steges 15 verbunden ist.
Die Ätzmaskenschicht 1 ist so ausgebildet, dass die Umrandung 8 zu beiden Seiten des Steges einen Winkel φ kleiner 180 Winkelgrad bildet.
Die Figur IC zeigt eine Aufsicht auf das Ätzergebnis ohne Fehlanordnung. In der Linie 6 berühren sich die freigelegte Kristallebene 7 und die erste Hauptfläche 2. Die Linie 6 liegt auf dem Rand 9, so dass das mikromechanische Struktur- element 13 ohne unerwünschte Unterätzung in die Ausnehmung 4 hineinragt .
Die Figur ID zeigt in Aufsicht ein Ätzergebnis mit einer Fehlanordnung mit einem Winkelfehler δ kleiner dem vorgebba- ren Winkel γ. Die Linie 6 bildet einen Winkel δ mit dem Rand 9. Daher endet von dem freizuätzenden mikromechanischen Strukturelement 13 nur eine Seite des Steges auf der Linie 6. Die zweite Seite des Steges liegt vollständig über der Ausnehmung 4.
Ein Vorteil einer Ätzmaske 1 nach dem vorgeschlagenen Prinzip liegt darin, dass die Berandung 8 der Ätzmaskenschicht 1 so abgewinkelt ist, dass sich zumindest eine der Seiten des Steges 15 bis zur Linie 6 erstreckt. Damit liegt an einer der beiden Seiten des Steges 15 keine unerwünschte Unterätzung eines freizuätzenden mikromechanischen Strukturelementes 13 vor und an der weiteren Seite des Steges 15 eine Unterätzung, die im Vergleich zu einer üblichen Anordnung, wie in den Figuren 2A und 2B dargestellt, deutlich geringer ist.
Figuren 2A und 2B zeigen Aufsichten auf eine übliche Ätzmaske 1 zum Herstellen des freizuätzenden mikromechanischen Strukturelementes 13 und auf das Ätzergebnis mit Fehlanordnung mit Winkelfehler. Die Figuren 2A und 2B wurden in der Beschreibungseinleitung erläutert, so dass die Erläuterung an dieser Stelle nicht wiederholt wird.
Gemäß der Anordnung in Figur IB besteht keine Unterätzung bei einer Seite des Steges 15 in Figur ID. Die Unterätzung bei der zweiten Seite des Steges 15 beträgt X2 * sin(δ), wobei X2 der Abstand zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite und δ der Winkel der Fehlanordnung der Ätzmaske zu der Linie 6 ist.
In Figur 2B beträgt bei der ersten Seite des Steges 15 die Unterätzung x^ * sin(δ), wobei x^ der Abstand zwischen der Ecke der Rechteckes in der Umrandung 8 und der ersten Seite des Steges 15 und δ der Winkel der Fehlanordnung der Ätzmaske zu der Linie 6 ist. Die Unterätzung bei der zweiten Seite beträgt
(xi + X2) * sin(δ), wobei X]_, X2 und δ unverändert definiert sind.
Die Wirkung einer Ätzmaskenschicht 1 gemäß Figur IB ist somit, dass das mikromechanische Strukturelement 13 in Figur IB eine deutlich kleinere unerwünschte Unterätzung als das mik- romechanische Strukturelement 13 in Figur 2B aufweist.
Figur 3 zeigt eine Aufsicht auf die beispielhafte Ätzmaskenschicht 1 nach dem vorgeschlagenen Prinzip zum Herstellen des freizuätzenden mikromechanischen Strukturelementes 13, das den Steg 15 und einen weiteren Steg 151 aufweist, die beide das Strukturelement 13 mit dem Kristallsubstrat 3 über den Rand 9 verbinden. Der weitere Steg 151 weist daher in die gleiche Hauptrichtung wie der Steg 15. Die Hauptrichtungen der beiden Stege 15, 151 und die Hauptrichtung des mikromechanischen Strukturelementes 13 sind näherungsweise senkrecht zum Rand 8. Der weitere Steg 151 kann als Umrandung Linien aufweisen, die parallel zu den Linien der Umrandung des Ste- ges 15 sind. Je nach Funktion des mikromechanischen Strukturelementes 13 kann die Umrandung des Steges 15 und die Umrandung des weiteren Steges 151 nicht parallele Linien aufweisen.
Ein gemeinsames Anschlussgebiet 191 umfasst Teile des Steges 15, des weiteren Steges 151 und des Kristallsubstrates 3 in der Nähe des Überganges beziehungsweise des Randes 9. Die das gemeinsame Anschlussgebiet 191 zu beiden Seiten verlassende Umrandung 8 bildet einen Winkel φ kleiner 180 Winkelgrad und weist zwei Linienabschnitte 81, 85 auf, die in der Nähe der Umrandung der Stege 15, 151 auf den Schenkeln des Winkels φ kleiner 180 Winkelgrad liegen. Der Scheitelpunkt des Winkels liegt auf der verbleibenden Ätzmaskenschicht.
Die Umrandung 8 ist als Linie mit teilweise Geradenstrecken eingezeichnet. Die Umrandung 8 der vorgeschlagenen Ätzmaskenschicht 1 stellt sicher, dass die Linie 6 durch das gemeinsame Anschlussgebiet 191 verläuft. Zumindest eine Seite des Steges 15 oder des weiteren Steges 151 haben einen Punkt mit der Linie 6 gemeinsam.
Ein Vorteil einer Ätzmaske 1 nach dem vorgeschlagenen Prinzip ist, dass die Genauigkeit bei der Herstellung dieses Struk- turelementes deutlich verbessert ist, dadurch dass die Linie 6 durch das gemeinsame Anschlussgebiet 191 verläuft.
Die Umrandung 8 zwischen dem Steg 15 und dem weiteren Steg 151 kann sich jedoch nicht auf der dem freizuätzenden Strukturelement 13 gegenüberliegenden Halbebene des Randes 9 befinden. In diesem Falle wäre der Rand 9 durch einen dieser Punkte der Umrandung 8 zwischen dem Steg 15 und dem weiteren Steg 151 bestimmt. Die Umrandung 8 zwischen den beiden Stegen 15, 151 weist die Linienabschnitte 82, 83 auf.
Figur 4 zeigt eine Aufsicht auf die beispielhafte Ätzmaskenschicht 1 nach dem vorgeschlagenen Prinzip zum Herstellen eines freizuätzenden mikromechanischen Strukturelementes 13 in Form einer Brücke, die mittels des Steges 15 mit dem Rand 9 der Ausnehmung 4 des Kristallsubstrates 3 und mittels eines weiteren Steges 152 mit einem weiteren Rand 92 der Ausnehmung 4 des Kristallsubstrates 3 verbunden ist. Die Hauptrichtung des mikromechanischen Strukturelementes 13 ist näherungsweise senkrecht zu beiden Rändern 9, 92. Die Hauptrichtung des Steges 15 ist näherungsweise senkrecht zu dem Rand 9 und die Hauptrichtung des weiteren Steges 152 ist näherungsweise senkrecht zu dem weiteren Rand 92.
Der Steg 15 und ein benachbarter Teil des Kristallsubstrates 3 bilden das Anschlussgebiet 19; in Analogie dazu bilden der weitere Steg 152 und ein benachbarter Teil des Kristallsubstrates 3 ein weiteres Anschlussgebiet 192. In Analogie zu der Umrandung 8 in der Umgebung des Anschlussgebietes 19 bil- det die zu beiden Seiten des weiteren Anschlussgebietes 192 sich erstreckende Umrandung 8 einen Winkel φ1 kleiner 180 Winkelgrad. Die Umrandung 8 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel Geradenstrecken und sonstige Linienformen. Die Umran- düng 8 weist im Anschlussgebiet 19 den ersten und den zweiten Linienabschnitt 81, 82 sowie im weiteren Anschlussgebiet 192 einen weiteren ersten und einen weiteren zweiten Linienabschnitt 84, 86 auf.
Bevorzugt ist Silizium mit einer (110) Kristalloberfläche als Kristallsubstrat 3 zum Herstellen einer Brücke als mikromechanisches Strukturelement 13 eingesetzt. Dabei sind die in Klammern dargestellten Symbole Miller-Indizes, welche die O- rientierung der Kristallebenen angeben.
Die Brücke ist somit vorteilhaft mit hoher Genauigkeit frei- ätzbar .
Figur 5A und 5B zeigen zwei Weiterbildungen der Ätzmaskenschicht 1 mit der Umrandung 8 in oder in der Nähe des Anschlussgebietes 19.
Figur 5A zeigt den Steg 15 und das mikromechanische Struktur- element 13 sowie die Umrandung 8 in einem x-y Koordinatensystem. Der Steg geht an der x-Achse zwischen den Punkten y = 0 und x = 0 sowie y = 0 und x = Xg in den Rand 9 des Kristall - Substrates 3 über. Die Hauptrichtung des mikromechanischen Strukturelementes 13 und die Hauptrichtung des Steges 15 sind in Richtung der y-Koordinatenachse und damit senkrecht zu dem Rand 9. Die Umrandung 8 verläuft entlang des Steges 15 und des mikromechanischen Strukturelementes 13. Damit die Umrandung 8 eine geschlossene Fläche bildet, umfasst die Umrandung 8 weitere Linien, die auf folgendem Gebiet liegen, wobei die Flächen des Steges 15 und des mikromechanischen Strukturelementes 13 auszunehmen sind: y ≥ 0 für 0 <x<xB; y≥(x-xB)-tanχ för xB ≤x;
Figure imgf000030_0001
mit xB > 0
Anstelle des tan γ eines weiteren vorgebbaren Winkels γ kann auch der sin γ gewählt werden, da bei den kleinen Winkeln γ die Werte für tan γ und sin γ sich nur wenig unterscheiden.
Der weitere vorgebbare Winkel γ steht in folgender Beziehung zu dem vorgebbaren Winkel φ:
<p+2/=180°
Der erste Linienabschnitt 81 weist x-Koordinaten mit x ≤ O und y-Koordinaten mit y ≥ -x tan γ auf und der zweite Linienabschnitt 82 weist x-Koordinaten mit x ≥ xg und y-Koordinaten mit y ≥ (x-xg) tan γ auf. Der erste und der zweite Linienabschnitt 81, 82 liegen abschnittsweise auf einer ersten und einer zweiten Geraden, die den vorgebbaren Winkel φ weniger als 180 Grad zueinander aufweisen. Die erste Gerade geht durch die Punkt mit den Koordinaten x = 0 und y = 0 und die zweite Gerade geht durch den Punkt mit den Koordinaten x = Xg und y = 0. Der Scheitelpunkt des Winkels liegt auf der verbleibenden Ätzmaskenschicht und weist eine y-Koordinate mit y < 0 und eine x-Koordinate mit 0 < x < Xg auf.
Da die Umrandung 8 außerhalb der Umrandung des Steges 15 und des mikromechanischen Strukturelement 13 nur Punkte mit y- und x-Koordinaten entsprechend obigen Formeln aufweist, liegt entweder der Punkt y = 0 und x = 0 oder der Punkt y = 0 und x = Xg auf der Linie 6. Der Steg 15 hat somit an einer Seite keine Unterätzung.
Figur 5B zeigt wie in Figur 15A den Steg 15 und das mikrome- chanische Strukturelernent 13 sowie die Umrandung 8 in einem x-y Koordinatensystem. Der Steg geht an der x-Achse zwischen den Punkten y = 0 und x = 0 sowie y = 0 und x = Xg in den Rand 9 des Kristallsubstrates 3 über. Die Umrandung 8 verläuft entlang des Steges 15 und des mikromechanischen Struk- turelementes 13.
Damit die Umrandung 8 eine geschlossene Fläche bildet, um- fasst die Umrandung 8 weitere Linien. Mit Vorteil umfasst die Berandung 8 kurze gerade Linien 87, 88, die auf dem Rand 9 oder nahe dem Rand 9 liegen. Im Anschluss an die beiden kurzen Linien 87, 88 umfasst die Umrandung 8 den ersten und den zweiten Linienabschnitt 81 ' , 82 '. Der erste und der zweite Linienabschnitt 81', 82' liegen abschnittsweise auf zwei Geraden, die den vorgebbaren Winkel φ weniger als 180 Grad zu- einander aufweisen. Der Scheitelpunkt des Winkels liegt wie in Figur 5A auf der verbleibenden Ätzmaskenschicht. Ein Vorteil dieses Anordnung ist, dass dadurch die Fläche, an welcher der Ätzangriff stattfindet, vergrößert ist, ohne dass dabei die unerwünschte Unterätzung und Verlängerung des Ste- ges deutlich zunimmt.
Die Umrandung 8 kann gemäß dieser Weiterbildung auf folgendem Gebiet liegen, wobei die Flächen des Steges 15 und des mikromechanischen Strukturelementes 13 auszunehmen sind:
Figure imgf000032_0001
y≥(x-xB-dλ)Λznγ för xB+dx ≤x; y≥ -(x+d2)-tanχ für x≤-d2 mitdλ >0 und d2>0
Da die Umrandung 8 außerhalb der Umrandung des Steges 15 und des mikromechanischen Strukturelementes 13 nur Punkte mit y- und x-Koordinaten entsprechend obigen Formeln aufweist, liegt entweder der Punkt y = 0 und x = -d2 oder der Punkt y = 0 und x = X.-Q + dι auf der Linie 6. Der Steg 15 hat somit an einer Seite nur eine sehr geringe Unterätzung und an der anderen Seite eine etwas größere Unterätzung.
Bezugszeichenliste
1 Ätzmaskenschicht
2 erste Hauptfläche 3 Kristallsubstrat
4 Ausnehmung
6 Linie
62 weitere Linie
7 Kristallebene 72 weitere Kristallebene
8 Umrandung
81, 81' erster Linienabschnitt
82, 82' zweiter Linienabschnitt
83, 84 weiterer erster Linienabschnitt 85, 86 weiterer zweiter Linienabschnitt
87, 88 kurze Linie
9 Rand
92 weiterer Rand
13 mikromechanisches Strukturelement 15 Steg
151 weiterer Steg
152 weiterer Steg
16 Ätzangriffsfläche
19 Anschlussgebiet 191 gemeinsames Anschlussgebiet
192 weiteres Anschlussgebiet
X^ Abstand
X2 , Xg Breite d]_, d2 Abstand γ weiterer vorgebbarer Winkel δ Winkelfehler φ, φ1 vorgebbarer Winkel

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Strukturelementes (13) auf oder in einem Kristallsubstrat (3) , wobei das mikromechanische Strukturelement (13) schwingbar in einer Ausnehmung (4) einer ersten Hauptfläche (2) einer der beiden Hauptflächen des Kristallsubstrates (3) angeordnet ist, mittels eines Steges (15) mit einem Rand (9) der Ausnehmung (4) des Kristallsubstrates (3) verbunden ist und eine Hauptrich- tung aufweist, die näherungsweise senkrecht zu dem Rand (9) angeordnet ist, mit folgenden Schritten:
Bereitstellen des Kristallsubstrates (3), Abscheiden einer Ätzmaskenschicht (1) , lokales Entfernen der Ätzmaskenschicht (1) , so dass die verbleibende Ätzmaskenschicht (1) das zu bildende mikromechanische Strukturelement (13) und dessen Steg (15) vor einem Ätzangriff schützt und eine Umrandung (8) mit einem ersten Linienabschnitt (81) und einem zweiten Linienabschnitt (82) aufweist, welche sich auf beiden Seiten ei- nes Anschlussgebietes (19) des Steges (15) an das Kristallsubstrat (3) erstrecken und einen vorgebbaren Winkel φ von weniger als 180 Grad zueinander aufweisen, und Ätzen des Kristallsubstrates (3) zur Bildung der Ausnehmung (4) und des mikromechanischen Strukturelementes (13), so dass eine Linie (6), an der eine durch das Ätzen freigelegte Kristallebene (7) der Ausnehmung (4) die erste Hauptfläche (2) des Kristallsubstrates (3) berührt, durch das Anschlussgebiet (19) verläuft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ätzmaskenschicht (1) derart entfernt wird, dass die verbleibende Ätzmaskenschicht (1) zusätzlich zumindest einen weiteren Steg (151) , der in der gleichen Richtung wie der Steg (15) sich erstreckt und mittels dem das zu bildende mikromechanische Strukturelement (13) mit dem Rand (9) der Ausnehmung (4) des Kristallsubstrates (3) zusätzlich verbunden ist, vor dem Ätzangriff schützt und die Umrandung (8) aufweist, welche sich unter dem Winkel φ von weniger als 180 Grad auf beiden Seiten des gemeinsamen Anschlussgebietes (19) des Steges (15) und des zumindest einen weiteren Steges (151) an das Kristallsubstrat (3) erstreckt, so dass die Linie, an der die freigelegte Kristallebene (7) der Ausnehmung (4) die erste Hauptfläche (2) des Kristallsubstrates (3) berührt, durch das gemeinsame Anschlussgebiet (19) verläuft.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem die Ätzmaskenschicht (1) derart entfernt wird, dass die verbleibende Ätzmaskenschicht (1) zusätzlich zumindest einen weiteren Steg (152) , mittels dem das zu bildende mikromechanische Strukturelement (13) mit zumindest einem weiteren Rand (92) der Ausnehmung (4) des Kristallsubstrates (3) verbunden ist, und die Umrandung (8) aufweist, welche sich unter einem weiteren Winkel φ1 von weniger als 180 Grad auf beiden Seiten zumindest eines weiteren Anschlussgebietes (192) des zumindest einen weiteren Steges (152) an das Kristallsubstrat (3) erstreckt, so dass zumindest eine Linie (62) , an der zumindest eine weitere freigelegte Kristallebene (72) der Aus- nehmung (4) die Hauptfläche (2) des Kristallsubstrates (3) berührt, durch das zumindest eine weitere Anschlussgebiet (192) verläuft.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Bestimmen der Umrandung (8) in dem Anschlussgebiet (19) so, dass sie abschnittsweise gerade ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Festlegen des vorgebbaren Winkels φ aus einem Intervall von mehr als 160 und weniger als 180 Winkel - grad.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Festlegen des vorgebbaren Winkels φ aus einem Intervall von mehr als 170 und weniger als 180 Winkel - grad.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Verwendung von Material des Kristallsubstrates (3) für das Herstellen des mikromechanischen Strukturelementes (13) .
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Abscheiden von Schichten auf dem Kristallsubstrat (3) für das Herstellen des mikromechanischen Strukturelementes (13) .
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Bereitstellen des Kristallsubstrats (3) umfassend Silizium, Galliumarsenid, Galliumphosphid oder In- diumphosphid .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch Bereitstellen eines oder mehrerer Stoffe aus der Menge von Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid, Lithiumhydroxid, Ammoniumhydroxid, Ethylen-Diamin-Pyrocatechol mit Beimengung von Wasser, Brenzkatechin und Pyrazin, Hydrazin mit Wasser oder Tetramethylammoniumhydroxid als Ätzlösung für das Ätzen des Kristallsubstrats (3) .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch Bereitstellen des Kristallsubstrats (3) umfassend Silizium mit einer (100) - oder (110) -Scheibenorientierung.
12. Halbleiteranordnung aufweisend eine Ätzmaskenschicht (1) , zum Herstellen eines mikromechanischen Strukturelementes (13) auf oder in einem Kristallsubstrat (3) , wobei das mikromechanische Strukturelement (13) schwingbar in einer Ausnehmung (4) einer ersten Hauptfläche (2) einer der beiden Hauptflä- chen des Kristallsubstrates (3) angeordnet ist, mittels eines Steges (15) mit einem Rand (9) der Ausnehmung (4) des Kristallsubstrates (3) verbunden ist sowie eine Hauptrichtung aufweist, die näherungsweise senkrecht zu dem Rand (9) angeordnet ist, und die Ätzmaskenschicht (1) zum Schutz des mik- romechanisehen Strukturelementes (13) und dessen Steg (15) ausgestattet ist und eine Umrandung (8) mit einem ersten Linienabschnitt (81) und einem zweiten Linienabschnitt (82) aufweist, welche sich auf beiden Seiten eines Anschlussgebietes (19) des Steges (15) an das Kristallsubstrat (3) erstre- cken und einen vorgebbaren Winkel φ von weniger als 180 Grad zueinander aufweisen, so dass eine Linie (6) , an der eine freigelegte Kristallebene (7) der Ausnehmung (4) die erste Hauptfläche (2) des Kristallsubstrates (3) berührt, durch das Anschlussgebiet (19) verläuft.
13. Halbleiteranordnung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzmaskenschicht (1) zum Schutz zumindest eines weiteren
Steges (151) in der gleichen Richtung wie der Steg (15) , über den das mikromechanische Strukturelement (13) mit dem Rand
(9) der Ausnehmung (4) des Kristallsubstrates (3) zusätzlich verbunden ist, vor dem Ätzangriff ausgestattet ist und die Umrandung (8) aufweist, welche sich unter dem vorgebbaren Winkel φ von weniger als 180 Grad auf beiden Seiten des gemeinsamen Anschlussgebietes (19) des Steges (15) und des zumindest einen weiteren Steges (151) in derselben Richtung wie der Steg (15) an das Kristallsubstrat (3) erstreckt, so dass die Linie (6) , an der die freigelegte Kristallebene (7) der Ausnehmung (4) die Hauptfläche (2) des Kristallsubstrates (3) berührt, durch das gemeinsame Anschlussgebiet (19) verläuft.
14. Halbleiteranordnung nach Anspruch 12 oder 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzmaskenschicht (1) zum Schutz zumindest eines weiteren Steges (152) , mittels dem das zu bildende mikromechanische Strukturelement (13) mit zumindest einem weiteren Rand (92) der Ausnehmung (4) des Kristallsubstrates (3) zusätzlich ver- bunden ist, vor dem Ätzangriff ausgestattet ist und die Umrandung (8) aufweist, welche sich zusätzlich unter einem vorgebbaren Winkel φ1 von weniger als 180 Grad auf beiden Seiten zumindest eines weiteren Anschlussgebietes (192) des zumindest einen weiteren Steges (152) an das Kristallsubstrat (3) erstreckt, so dass zumindest eine weitere Linie (62), an der zumindest eine weitere freigelegte Kristallebene (72) der Ausnehmung (4) die Hauptfläche (2) des Kristallsubstrates (3) berührt, durch das zumindest eine weitere Anschlussgebiet (192) verläuft.
15. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrandung (8) in dem Anschlussgebiet (19) abschnittsweise gerade ist.
16. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Winkel φ zwischen 160 bis 180 Winkelgrad beträgt .
17. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Winkel φ zwischen 170 bis 180 Winkelgrad beträgt .
18. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Strukturelement (13) ein Material des Kristallsubstrates (3) umfasst.
19. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Strukturelement (13) Schichten auf dem Kristallsubstrat (3) umfasst.
20. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzmaske (1) für Silizium, Galliumarsenid, Galliumphos- phid oder Indiumphosphid als Material des Kristallsubstrats (3) ausgelegt ist.
21. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzmaske (1) für das Ätzen eines Kristallsubstrats (3) aus Silizium mit einem oder mehrere der Stoffe aus der Menge von Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid, Lithiumhydroxid, Ammoni- umhydroxid, Ethylen-Diamin-Pyrocatechol mit Beimengung von
Wasser, Brenzkatechin und Pyrazin, Hydrazin mit Wasser oder Tetramethylammoniumhydroxid als Ätzlösung ausgelegt ist.
22. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Kristallsubstrat (3) Silizium mit einer (100)- oder (110) -Scheibenorientierung umfasst .
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