Beschreibung
Titel
MIKROMECHANISCHES BAUELEMENT MIT ANTIHAFTSCHICHT
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement und von einem Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit den Merkmalen der Oberbegriffe der nebengeordneten Ansprüche.
Bewegliche Elemente in mikromechanischen Strukturen bzw. in mikroelektro- mechanischen Strukturen bzw. Bauelementen (sogenannte M E MS- Bauelemente) können an den festen Strukturen ankleben bzw. anhaften. Als auslösende Mechanismen für das Zusammenkleben bzw. Anhaften kommen u. a. mechanische Überlast, oder elektrostatische Aufladung in Frage. Ein kritisches weil zumeist irreversibles Anhaften wird vor allem über chemische Bindungen vermittelt, beispielsweise van der Waals Wechselwirkungen, ionische Wechselwirkungen, kovalente Bindungen oder metallische Bindungen. Sich berührende Oberflächen mit hoher Oberflächenenergie - wie zum Beispiel Silizium- Oberflächen mit oder ohne einer Deckschicht aus OH-Gruppen oder aber mit oder ohne einem Wasserfilm oder aber auch eine wasserstoffterminierte Siliziumoberfläche - können starke Bindungskräfte zeigen, die dann auf beispielsweise ionischen Wechselwirkungen oder kovalenten Bindungen beruhen und die beiden Oberflächen zusammenhalten. Das beschriebene Ankleben kann durch Antihaftschichten verhindert oder zumin- dest gemildert werden.
So ist es beispielsweise aus der europäischen Patentveröffentlichung EP 1 416 064 A2 bekannt, mikromechanische Strukturen mittels sogenannter SAM-Beschichtungen (self- assembled monolayers) aus beispielsweise Alkyltrichlorsilanen zu beschichten und damit die Wahrscheinlichkeit des Anhaftens zu verringern. Solche SAM-Beschichtungen besitzen allerdings nur eine begrenzte thermische Stabilität, die das thermische Budget nachfolgender Prozesse, d.h. den Rahmen möglicher verwendbarer Temperaturen für nachfol-
gende Prozesse, stark begrenzt, insbesondere auf unterhalb von etwa 500 0C. Dies stellt insbesondere eine starke Einschränkung für die in Frage kommenden O-Level- Verpackungsprozesse, zum Beispiel Verkappungsprozesse, dar. Hochtemperaturprozesse, wie zum Beispiel eine epitaktische Abscheidung von Membranabdeckungen - soge- nannte Dünnschichtverkappungen - sind über derart mittels SAM-Schichten beschichte mikromechanische Strukturen aufgrund der erwähnten Temperaturbegrenzung nicht mehr möglich, weil dadurch die SAM-Beschichtung zerstört werden würde. Ein weiterer Nachteil von SAM-Beschichtungen ist ihre geringe Abrasionsbeständigkeit dieser aus nur wenigen Atom- bzw. Moleküllagen (im wesentlichen lediglich einer molekularen Ebene) bestehen- den Schichten. Im Fall des Anschlagens oder Aneinanderreibens solchermaßen beschichteter mikromechanischer Strukturen wird der lokale Abtrag oder die Beschädigung von SAM-Beschichtungen beobachtet. Dies kann zu einer Erhöhung der Wahrscheinlichkeit eines Anhaftens im Betrieb und damit zu einem erhöhten Ausfallrisiko des Systems führen. Ein weiterer Nachteil der bekannten SAM-Beschichtungen besteht darin, dass es nicht möglich ist, Bondprozesse - wie beispielsweise anodisches Bonden - auf den beschichteten Oberflächen (und ohne aufwändige Vorarbeiten wie beispielsweise Laserabla- tion) durchzuführen.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß den nebengeordneten Patentansprüchen hat demgegenüber den Vorteil, dass für auf das Aufbringen oder Erzeugen der Antihaftschicht folgende Prozesse ein erheblich erhöhtes Tempe- raturbudget zur Verfügung steht, was den Vorteil nach sich zieht, dass nachfolgende Prozesse - insbesondere zur Herstellung einer Verpackung des Bauelements - leichter und kostengünstiger und mit einer höheren Qualität durchgeführt werden können. Die Tatsache, dass die Antihaftschicht gegenüber einer Temperatur von über etwa 800 0C, bevorzugt gegenüber einer Temperatur von über etwa 1000 0C, besonders bevorzugt gegen- über einer Temperatur von über etwa 1200 0C beständig bzw. stabil ist, ermöglicht insbesondere die Durchführung von Epitaxieschritten im Anschluss an die Abscheidung bzw. Erzeugung der Antihaftschicht. Hierdurch werden kostensparende sogenannte Zero- Level-Packaging Prozesse (d.h. Verpackungsprozesse durch auf dem Substratwafer selbst durchzuführende Verfahrensschritte) möglich, wie beispielsweise ein Dünnschicht- kappen- Prozess mit Silizium als Kappenmaterial, der während der Silizium-Epitaxie Temperaturen von etwa 1000 0C bis etwa 1100 0C erfordert. Die Verwendung von Siliziumcar- bid als ein Bestandteil bzw. als ein Hauptbestandteil der Antihaftschicht macht es vorteil-
hafterweise möglich, dass die Antihaftschicht vergleichsweise einfach sowie mit eingeführter Technologie und damit vergleichsweise kostengünstig herstellbar ist.
Erfindungsgemäß ist ferner bevorzugt, wenn die Schichtdicke der Antihaftschicht zwi- sehen etwa 1 Nanometer und etwa 1 Mikrometer vorgesehen ist, bevorzugt zwischen etwa 2 Nanometer und etwa 200 Nanometer, besonders bevorzugt zwischen etwa 5 Nanometer und etwa 50 Nanometer. Hierdurch ist es möglich, dass die Antihaftschicht besonders dünn ausgebildet werden kann, so dass die geometrischen und die Funktion des mikromechanischen Bauelements beeinflussenden Abmessungen des Funktionselements durch die Antihaftschicht nur unwesentlich verändert werden. Ferner ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, die Dicke der Antihaftschicht den jeweiligen Verhältnisse, insbesondere hinsichtlich der erforderlichen Abriebfestigkeiten und dergleichen, anzupassen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements ist es bevor- zugt, wenn das mikromechanische Bauelement eine Abdeckung des Funktionselements aufweist, wobei die Abdeckung verschlossene Perforationsöffnungen aufweist, wobei die Antihaftschicht auch in den den Perforationsöffnungen zugewandten Bereichen der Funktionsoberfläche vorgesehen ist. Hierdurch ist eine besonders große Wirksamkeit der Antihaftschicht gewährleistet.
Mit der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements korrespondiert ein Herstellungsverfahren des mikromechanischen Bauelements, bei dem in einem ersten Schritt eine Strukturierung des Funktionselements, der Abdeckung und der Perforationsöffnungen durchgeführt wird, bei dem in einem zweiten Schritt die Antihaftschicht auf we- nigstens einem Teil der Funktionsoberfläche erzeugt wird und bei dem in einem dritten Schritt die Perforationsöffnungen geschlossen werden. Erfindungsgemäß wird durch die Wahl der Antihaftschicht bzw. durch die Zusammensetzung der Antihaftschicht in vorteilhafter Weise verhindert, dass es durch den dritten Schritt zu einer Herabsetzung der Wirksamkeit der Antihaftwirkung der Antihaftschicht kommt. Bei einer Antihaftschicht aus Siliziumcarbid wird die Antihaftwirkung insbesondere durch im Überschuss in die Antihaftschicht eingebrachte Kohlenstoffatome auch in solchen Bereichen aufrechterhalten, auf die nachfolgend geringe Mengen an Siliziumatomen abgeschieden werden. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, dass eine Vielzahl von Verpackungsprozessen mit der erfindungsgemäßen Antihaftschicht kombinierbar sind, die ohne eine erfindungsgemäße Antihaftschicht nicht zugänglich wären, etwa weil durch das Schließen der Perforationsöffnungen zumindest in den den Perforationsöffnungen zugewandten Bereichen der Funk-
tionsoberfläche die Antihafteigenschaften einer nicht erfindungsgemäßen Antihaftschicht zerstört würden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements ist es be- vorzugt, wenn die Abdeckung des Funktionselements als eine mit dem Substrat durch eine Verbindungstechnik verbundene Bauelementkappe vorgesehen ist. Hierdurch kann in kostensparender Weise ein stabiler Einschluss der Funktionselemente des Bauelements erzielt werden. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass die Bauelementkappe mit einer Pyrex- Zwischenschicht als Verbindungstechnik mit dem Substrat verbunden vorge- sehen ist.
Mit der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements korrespondiert ein Herstellungsverfahren des mikromechanischen Bauelements, bei dem in einem ersten Schritt eine Strukturierung des Funktionselements, der Abdeckung und der Perforations- Öffnungen durchgeführt wird, bei dem in einem zweiten Schritt die Antihaftschicht auf wenigstens einem Teil der Funktionsoberfläche erzeugt wird und bei dem in einem dritten Schritt die Bauelementkappe mit dem Substrat verbunden wird, insbesondere zum Beispiel mittels einer Pyrex- Zwischenschicht anodisch gebondet wird. Hierdurch ist es möglich, ohne kostenaufwändige Zwischenschritte - etwa einer Laserablation der Antihaft- schicht in solchen Bereichen, mittels derer eine Verbindung der Abdeckung mit dem Substrat des Bauelements durchzuführen ist - direkt auf der Antihaftschicht eine Verbindung zwischen dem Substrat und der Abdeckung herzustellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement gemäß einer ersten Ausführungsform,
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Vorläuferstruktur eines erfin- dungsgemäßen mikromechanischen Bauelements gemäß Figur 1 und
Figur 3 eine schematische Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes mikrome- chanisches Bauelement gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In Figur 1 ist eine schematische Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung bzw. in Figur 3 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Bei beiden Ausführungsformen umfasst das Bauelement 10 ein Substrat 11, eine Abdeckung 30 und ein mikromechanisches Funktionselement 12, das gegenüber dem Substrat 11 sowie der Abdeckung 30 beweglich vorgesehen ist. Bei dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelement 10 handelt es sich insbesondere um einen Inertialsensor, etwa einen (linearen) Beschleunigungssensor, einen Drehratensensor oder aber um ein anderes mikromechanisches Bauelement mit einer zumindest teilweise beweglichen Struktur, etwa ein mikromechanisches Mikrofon. Bei dem Funktionselement 12 handelt es sich erfindungsgemäß insbesondere um ein Massenelement für einen Inertialsensor oder aber um eine Mikrofonmembran oder dergleichen. Die Abdeckung 30 ist erfindungsge- maß mit dem Substrat 11 verbunden - dies muss jedoch nicht als eine direkte Verbindung mit dem Substratmaterial vorgesehen sein, sondern kann über eine Zwischenschicht 14 oder über mehrere Zwischenschichten 14 erfolgen, die bei der Herstellung des Bauelements 10 erzeugt wird/werden, etwa durch Abscheidung von Materialien zur Bildung des Funktionselements oder zur Bildung einer Opferschicht. Auf wenigstens einem Teil der Oberfläche 13 des Funktionselements 12 ist erfindungsgemäß eine Antihaftschicht 20 vorgesehen. Diese Antihaftschicht 20 wird erfindungsgemäß mittels eines Beschichtungs- verfahrens erzeugt bzw. abgeschieden. Hierbei entsteht eine bevorzugt nur wenige Na- nometer dicke Schicht als Antihaftschicht. Erfindungsgemäß ist es hierbei besonders bevorzugt, dass als Material bzw. als Hauptmaterial der Antihaftschicht Siliziumcarbid mit der chemischen Summenformel SixCi-x vorgesehen ist.
Eine solche Siliziumcarbid umfassende Antihaftschicht 20 wird erfindungsgemäß insbesondere mittels eines PECVD-Prozesses (Plasma enhanced chemical vapor deposition) erzeugt bzw. abgeschieden, insbesondere unter Verwendung von Silan und Methan als Vorläuferedukte (sogenannte Precursor) und vorzugsweise mit Argon als Trägergas. Hierbei wird die Antihaftschicht erfindungsgemäß entweder amorph oder mikrokristallin aufgewachsen bzw. abgeschieden. Die so erhaltenen Schichten besitzen bereits viele der
vorteilhaften Eigenschaften, die von monokristallinem Siliziumcarbid bekannt sind, wie die hohe chemische, thermische und mechanische Stabilität. Ferner besitzt eine solche Schicht eine äußerst geringe Adhäsionsenergie für Siliziumcarbid gegenüber Siliziumcarbid oder Siliziumcarbid gegenüber mit Siliziumcarbid beschichteten Oberflächen. Hier- durch ist es erfindungsgemäß besonders vorteilhaft möglich, eine solche Siliziumcarbid- schicht als Antihaftschicht 20 einzusetzen. Hierbei wurde nachgewiesen, dass die Anti- haft-Wirkung der mittels PECVD erzeugten Siliziumcarbid-Schichten sogar dann unbeeinträchtigt erhalten bleibt, wenn eine thermische Behandlung des Materials bei Temperaturen von beispielsweise 850 0C und höher, beispielsweise bei 1000 0C und sogar bei 1200 0C, durchgeführt wird. Da bei einer Temperatur ab etwa 800 0C der im PECVD-Prozess unvermeidbar in die Siliziumcarbid-Schicht eingebaute Wasserstoff vollständig ausdiffundiert ist, ändert sich an der Antihaftwirkung bzw. Antihafteigenschaft der beschriebenen Siliziumcarbidschichten auch bei noch höheren Temperaturen nichts mehr, was einen Einsatz bis zu extrem hohen Temperaturen möglich macht. Alternativ ist es auch möglich, die Antihaftschicht 20 dadurch zu realisieren, dass die Beschichtung bereits bei den vorstehend erwähnten hohen Temperaturen erzeugt wird, zum Beispiel in Hochtemperatur- Plasma-CVD-Prozessen mit sehr heißer Substratelektrode von beispielsweise 600 0C oder 8500C (etwa als Graphitelektrode) oder in einem sogenannten LPCVD (low pressure chemical vapor deposition) Prozess bzw. einem epitaktischen Abscheideprozess (etwa in Rohr oder RTP- Reaktoren), so dass auf eine (auf die Abscheidung folgende) Temperbehandlung verzichtet werden kann und die Antihaftschicht 20 gleich mit der wasserstofffreien Struktur aufgebracht werden kann. In beiden Fällen der Aufbringung der Antihaftschicht 20 wird eine derart geringe Oberflächen(adhäsions)energie erhalten, dass keine oder im wesentlichen keine Klebeneigung zwischen gleichartig beschichteten Oberflächen mehr beobachtet werden kann. Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Antihaftschicht 20 gegenüber im Stand der Technik bekannten SAM-Schichten ist daher eine e- norme Ausdehnung des thermischen Arbeitsbereichs oder zulässigen Temperaturbudgets für nachfolgende Prozessschritte bis zu Temperaturen weit oberhalb von etwa 800 0C bzw. sogar oberhalb von etwa 1000 0C bzw. oberhalb von etwa 1200 0C, welche für epi- taktische Abscheidungen typische Temperaturen darstellen. Hierdurch werden unter anderem kostensparende Zero- Level- Packaging- Prozesse wie beispielsweise ein Dünn- schichtkappenprozess (zum Verschluss der mikromechanischen Struktur) mit Silizium als Kappenmaterial möglich. Ferner ist eine erfindungsgemäße Antihaftschicht 20 besonders hart und deutlich abrasionsbeständiger und widerstandsfähiger als SAM-Schichten, was das verschleißbedingte Risiko eines Haftens im Betrieb deutlich reduziert. Auch durch massive mechanische Beanspruchung der Antihaftschichten 20 durch Zusammenschlagen von funktionalen beweglichen und/oder festen Strukturen bleibt die Funktion der Anti-
haftschicht 20 voll erhalten. Hierdurch ist es erfindungsgemäß insbesondere möglich, dass die Bauelementgröße verringert werden kann und so die Herstellungskosten durch eine verminderte benötigte Chipfläche verringert werden können. Ferner ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, dass eine solche Antihaftschicht 20 chemisch außerordentlich widerstandsfähig ist und daher zur Passivierung der beschichteten Oberfläche in aggressiver Umgebung (zum Beispiel beim Vorhandensein aggressiver Prozessgase) beitragen kann. Darüber hinaus ist Siliziumcarbid als CMOS-(complementary metal oxide semicon- ductor) kompatibles Material etabliert und lässt sich damit leicht in eine bestehende Fertigungsumgebung integrieren.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Antihaftschicht 20, insbesondere für die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements 10, geht aus der Figur 2 hervor. In der Figur 2 ist eine Vorläuferstruktur eines Bauelements 10 mit dem Substrat 11, dem mikromechanischen Funktionselement 12, den Zwischensichten 14 und der Abdeckung 30 dargestellt. Die Abdeckung 30 ist als sogenannte Dünnschichtkappenschicht vorgesehen und umfasst eine Mehrzahl von Perforationsöffnungen 33, die insbesondere dazu dienen, eine nicht dargestellte Opferschicht zwischen beispielsweise dem Substrat 11 und dem Funktionselement 12 zu entfernen. Hierzu muss durch die Abdeckung 30 ein Zugang zum (später abgeschlossenen oder zumindest weitgehend abgeschlossenen) Inneren des Bauelements 10 durch die Perforationsöffnungen 33 vorliegen. Diese Perforationsöffnungen 33 müssen jedoch bei solchen Dünnschichtverkappungsprozessen immer auch wieder verschlossen werden. Dies geschieht herkömmlicherweise beispielsweise ebenfalls durch einen Dünnschichtprozess, beispielsweise einer Silizium-Abscheidung in einem Reaktor (etwa ein sogenannter Epi- Reaktor zur Bildung einer Epitaxieschicht) durch sogenanntes abgeschiedenes epitaktisches Polysilizium (EpiPolySilizium) oder epitaktisch abgeschiedenes einkristallines Silizium. Als Konsequenz dieser Abscheidung zum Versiegeln von Perforationsöffnungen 33 werden zwangsläufig auch Bereiche 22 der mit der Antihaftschicht 20 versehenen Funktionsoberfläche 13 (aufgrund der mit einem Pfeil 34 bezeichneten Abscheiderichtung durch die Perforationsöffnungen 33 hindurch) mitbe- schichtet. Dies trifft insbesondere für solche Bereiche 22 zu, die den Perforationsöffnungen 33 zugewandt vorgesehen sind. Durch eine solche ungewollte Beschichtung der Antihaftschicht 20 kann es zu einer lokalen Reduktion der Antihaftwirkung kommen, indem lokal die Oberflächenadhäsionsenergie wieder erhöht wird. Erfindungsgemäß ist es vorteilhafterweise vorgesehen, die Antihaftschicht 20 in Form einer Siliziumcarbid-Schicht mit einem Überschuss an Kohlenstoff herzustellen. Hierdurch kommt es bei den hohen Abscheidetemperaturen während des Versiegeins der Perforationsöffnungen 33 zur Ausbildung bzw. einer Aufrechterhaltung einer carbidartigen, beispielsweise wieder Siliziumcar-
bidartigen, Oberfläche, selbst dann, wenn während des Versiegelungsschritts Fremdato- me - wie beispielsweise Siliziumatome - auf der vor dem Versiegelungsschritt vorhandenen Siliziumcarbidschicht als Antihaftschicht 20 deponiert werden. Solange daher nicht zu viele Fremdatome die ursprüngliche Siliziumcarbidoberfläche bedecken und die Tempera- turen nur ausreichend hoch sind (um eine ausreichend hohe Mobilität des freien Kohlenstoffs und eine ausreichend hohe Interdiffusion der beteiligten Silizium- und Kohlenstoffatomen zu bewirken), wird der Überschuss an Kohlenstoffatomen in der nichtstöchio- metrischen Siliziumcarbid-Schicht ausreichen, um trotzdem wieder eine carbidartige O- berfläche der Antihaftschicht 20 (auch in den Bereichen 22) mit ausreichend geringer O- berflächenenergie auszubilden bzw. aufrechtzuerhalten. Man erzielt somit durch den Kohlenstoff- Überschuss in der Antihaftschicht eine "Getterwirkung", durch die unerwünscht abgeschiedene Silizium-Atome "gegettert", aber in ihrer schädlichen Wirkung neutralisiert werden können.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Antihaftschicht 20, insbesondere für die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements 10, geht aus der Figur 3 hervor. In der Figur 3 ist das Bauelement 10 mit dem Substrat 11, dem mikromechanischen Funktionselement 12, der Zwischenschicht 14 und der Abdeckung 30 gemäß der zweiten Ausführungsform dargestellt. Die Abdeckung 30 ist als sogenannte Bauelementkappe 39 ausgebildet, die mit dem Substrat 11 bzw. indirekt mit dem Substrat 11 (etwa über die Zwischenschicht 14) verbunden ist. Hierbei ist von Vorteil, dass auf Siliziumcarbid direkt und unmittelbar eine hochfeste anodische Bondung möglich ist. Beispielsweise kann eine Pyrex- Zwischenschicht 38 oder eine Pyrexkappe direkt auf die Antihaftoberfläche aufge- bondet werden, was beispielsweise bei sogenannten MPT-Lösungen (Micropackaging- Technology) erforderlich ist, so dass diese kostengünstig realisiert werden können. Insbesondere wird es mittels einer erfindungsgemäßen Antihaftschicht 20 möglich, auf eine Laserbehandlung vor dem Verbindungsschritt zwischen dem Substrat 11 und der Bauelementkappe 39 zu verzichten. Hierzu muss die Siliziumcarbid-Schicht von Wasserstoff in der Schicht befreit werden, also entweder bei hoher Temperatur - beispielsweise grö- ßer als etwa 600 0C, bevorzugt größer als etwa 800 0C - getempert und der überschüssige Wasserstoff aus der Schicht dabei ausgetrieben werden. Alternativ kann auch eine wasserstofffreie Siliziumcarbid-Schicht bei hoher Temperatur von größer als etwa 600 0C, vorzugsweise größer als etwa 800 0C abgeschieden werden, beispielsweise in einem LPCVD-Verfahren. Die anodische Bondung ist möglich, weil Pyrex auf Siliziumcarbid eine Adhäsion zeigt und während des anodischen Bondvorgangs im Bondinterface (d.h. im Bereich der sich berührenden Flächen) freigesetzter Sauerstoff die Siliziumcarbid- Kontaktflächen oxidiert und dabei chemische Bindungen aufgebaut werden.