WO2009074368A2 - Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches bauelement und mikromechanisches bauelement - Google Patents

Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches bauelement und mikromechanisches bauelement Download PDF

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WO2009074368A2
WO2009074368A2 PCT/EP2008/063670 EP2008063670W WO2009074368A2 WO 2009074368 A2 WO2009074368 A2 WO 2009074368A2 EP 2008063670 W EP2008063670 W EP 2008063670W WO 2009074368 A2 WO2009074368 A2 WO 2009074368A2
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actuator
insulating layer
etching
semiconductor
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Tjalf Pirk
Stefan Pinter
Christoph Friese
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Robert Bosch Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81C2203/038—Bonding techniques not provided for in B81C2203/031 - B81C2203/037

Definitions

  • the present invention relates to a production method for a micromechanical component. Furthermore, the invention relates to a corresponding micromechanical component.
  • Electrostatic actuators or sensors are often used in micromechanics.
  • acceleration sensors and torsional actuators such as micromirrors, often have an electrostatic drive.
  • electrostatic drive Such systems with an electrostatic drive are described, for example, in DE 197 28 598 A1 and in US Pat. No. 6,891,650 B2.
  • the invention provides a production method for a micromechanical component having the features of claim 1 and claim 9 and a micromechanical component having the features of claim 10.
  • the present invention is based on the finding that the relatively high number of operating steps of a conventional manufacturing method for a micromechanical device can be reduced if the isolated semiconductor regions of the micromechanical device, for example electrodes, are formed from a semiconductor substrate such that the finished-shaped semiconductor regions already exist automatically in a protective insulation. In this way, working steps for attaching a protective insulation to the finished semi-conductor regions of the micromechanical component are dispensed with. Since these conventionally required operations must be carried out in a relatively sterile environment, they are associated with high production costs.
  • the present invention obviates these conventionally necessary operations by first disposing a semiconductor substrate from which the isolated semiconductor regions are to be formed on an insulating layer.
  • the semiconductor substrate is subdivided into a central part and a frame part encompassing the middle part by means of at least one separation trench.
  • the frame part together with the insulating layer, serves as a protective device of the central part or of the semiconductor regions still to be formed from the central part.
  • the insulating layer applied to the semiconductor substrate thus serves both as a support for the completely formed insulated semiconductor regions and as insulation and protection against soiling.
  • the present invention ensures a more cost-effective production of micromechanical components.
  • the micromechanical component may be an electrostatic sensor device or an electrostatic actuator device, for example a torsion actuator.
  • the manufacturing process uses common and established methods of microsystem technology in high volume production. Thus, the manufacturing method of the invention can be easily performed.
  • Steps and the production-safe process The formation of insulated semiconductor regions, which are surrounded by an insulating layer and a frame part, the micromechanical components have a good protection against contamination, damage during handling, during packaging or during operation.
  • the at least one electrically insulated central part is formed as at least one electrically insulated electrode.
  • the at least one electrode is automatically protected in this case by the insulating layer and the frame part from dirt and / or damage.
  • the at least one electrically insulated electrode is comb-shaped or triangular.
  • Electrode combs can produce a relatively high electrostatic force on a comparative wisely generate small area. They thus allow high deflection angles, which are not limited by mechanical contact of the electrode surfaces.
  • the production method comprises the following additional steps: etching a cavity into a bottom semiconductor substrate; Forming an intermediate insulating layer on an upper surface of the bottom semiconductor substrate; Attaching a second semiconductor substrate on the interlayer insulating layer; Etching an actuator and an actuator frame surrounding the actuator of a material of the second semiconductor substrate; and securing the frame member on an upper surface of the actuator frame.
  • an actuator can be produced, which is already protected during the easily executable manufacturing process of an encapsulation. This also ensures safe protection for the automatically encapsulated actuator.
  • the fabrication process may include the following additional steps: forming an intermediate insulating layer on an insulating layer opposite side of the frame member; Attaching a second semiconductor substrate on the interlayer insulating layer; and etching an actuator and an actuator frame surrounding the actuator of a material of the second semiconductor substrate. This also ensures a simple way of safe protection against contamination for the actuator.
  • the second semiconductor substrate is attached to the intermediate insulating layer by means of a glass-on process, a soldering process, an adhesion process, a eutectic bonding process and / or by means of a thermocompression bonding.
  • the methods presented here are easy to carry out and ensure a secure hold for the second semiconductor substrate.
  • a metal layer is sputtered onto a side of the actuator facing the intermediate insulating layer from a direction which encloses an angle not equal to 90 degrees with a surface of the intermediate insulating layer.
  • the trenches which are designed to structure the actuator, shadow each other, thus preventing the formation of a metal layer on the bottom of the trenches. In this way, short circuits during later operation of the micromechanical device can be avoided.
  • the manufacturing method comprises the additional steps of: forming the insulating layer as an interlayer insulating layer by attaching a second semiconductor substrate on a side of the insulating layer opposite to the first semiconductor substrate prior to etching the isolation trench; and etching an actuator and an actuator frame surrounding the actuator of a material of the second semiconductor substrate. This method can be carried out with little effort.
  • a further development of the production method for a micromechanical component comprises in addition to etching at least one electrode structure in a lower side of a first semiconductor substrate the steps: forming an intermediate insulating layer on a lower side of a first semiconductor substrate, structuring the septisolier Mrs with at least one electrode structure, and transmitting the structure of the insects in the septisolier harsh by means of a Etching step in a bottom of the first semiconductor substrate.
  • the electrode structure can be formed without much effort from the material of the first semiconductor substrate.
  • FIGS. 1A to IE show a semiconductor substrate for illustrating a first embodiment of the present invention
  • FIG. 1A to 1C show cross sections through the semiconductor substrate, FIG. 1D shows a lower side of the semiconductor substrate, and FIG. 1B shows an upper side of the semiconductor substrate;
  • FIGS. 2A to 2D show cross sections through a semiconductor substrate to further illustrate the first embodiment of the manufacturing method for a micromechanical device
  • FIG. 3 shows a cross section through an electrostatic actuator device for further illustration of the first embodiment of the production method for a micromechanical component
  • Fig. 5 shows in plan view a second example of contacting an electrostatic
  • FIGS. 7A to 7E show a semiconductor substrate for illustrating a third embodiment of the present invention
  • Fig. 8 shows a cross section through two held together semiconductor substrates for
  • FIG. 9 shows a plan view of an electrostatic actuator device for illustrating an operation of an electrostatic actuator device.
  • FIGS. 1A to 1C show cross sections through the semiconductor substrate
  • FIG. 1D shows a lower side of the semiconductor substrate
  • FIG. 4A shows an upper side of the semiconductor substrate.
  • FIG. 1A shows a cross section through a semiconductor substrate 10 with an insulating layer 14 formed on an upper side 12 of the semiconductor substrate 10.
  • the semiconductor substrate 10 may consist of silicon or a silicon-containing material.
  • the insulating layer 14 contains an electrically insulating material, preferably a glass, such as borosilicate glass.
  • the application of the insulating layer 14 on the upper side 12 of the semiconductor substrate 10 is preferably carried out so that a stable and hermetic bond of the semiconductor substrate 10 and the insulating layer 14 is formed.
  • CMP chemical and / or mechanical polishing
  • FIG. 1B shows a cross section through the semiconductor substrate 10 after a chemical and / or mechanical polishing method for smoothing and optionally thinning a lower side 16 of the semiconductor substrate 10.
  • the layer thickness of the semiconductor substrate 10 can be reduced to a height h. which corresponds to the desired height of the electrically isolated semiconductor regions formed in the further course of the method.
  • this method may also include further CMP steps for smoothing the edge regions 18.
  • a mask (not shown) is applied to the bottom 16 of the semiconductor substrate 10 and patterned.
  • recesses are formed in the mask whose positions and dimensions correspond to the later etched into the semiconductor substrate 10 cavities.
  • the mask is a carbon hard mask.
  • the areas of the semiconductor substrate 10 not covered by the mask are etched away with a suitable etching material.
  • the etching process is an RIE (Reactive Ion Etch) process.
  • RIE Reactive Ion Etch
  • other etching methods can also be used to form the electrically insulated semiconductor regions from the semiconductor substrate 10.
  • the etching process is carried out until the cavities 20 etched into the semiconductor substrate 10 have a height equal to the height h 1.
  • an etching material which hardly attacks the material of the insulating layer 14 is preferably used for the etching process.
  • FIG. 1C shows a cross section through the semiconductor substrate 10 (without the mask) after forming a plurality of thin semiconductor plates 22 surrounded by a first frame part 24.
  • the semiconductor plates 22 and the first frame part 24 are formed of the material of the semiconductor substrate 10.
  • the parallel formed semiconductor plates 22 are separated by the intervening cavities 20.
  • the semiconductor plates 22 are still connected to the first frame part 24 at their ends (not shown).
  • the stability of the thin semiconductor plates 22 is ensured mainly by the insulating layer 14 because the semiconductor plates 22 are formed in direct contact with the insulating layer 14. This contact between the semiconductor plates 22 and the insulating layer 14 extends over the entire length of the semiconductor plates 22. This ensures a secure hold for the semiconductor plates 22.
  • FIG. ID shows a bottom surface of the semiconductor substrate 10 (without the mask) after etching
  • Trenngrabens 26 in the first frame part 24 divides the semiconductor substrate 10 into a middle part 28 and into a second frame part 30.
  • the dividing trench 26 has a height which corresponds to the height hl. After the etching of the separating trench 26, the middle part 28 and the second frame part 30 are therefore electrically insulated from one another.
  • the second frame part 30 surrounds the middle part 28 on four sides.
  • the second frame part 30 thus forms together with the insulating layer 14 a protective device for the central part 28, and for the formed therefrom, electrically insulated from each other four semiconductor regions 32 to 38.
  • the electrically isolated semiconductor regions 32 to 38 formed from the central part 28 may have a comb or triangular shape.
  • the electrically insulated semiconductor regions 32 to 38 are formed as electrode combs.
  • the semiconductor regions 32 to 38 are connected to one another only via the insulating layer 14.
  • the semiconductor regions 32 to 38 can thus be contacted separately from one another. Since the semiconductor regions 32 to 38 are formed in direct contact with the insulating layer 14, they have a firm hold on the insulating layer 14 without the need for an additional fixing element for fixing the semiconductor regions 32 to 38 to the insulating layer 14. In this way, the
  • the etching steps illustrated with reference to FIGS. 1C and 1D can also be carried out simultaneously.
  • the cavities 20 and the separation trench 26 can be etched into the semiconductor substrate 10 by a single etching process. This additionally reduces the number of process steps.
  • the mask can be removed from the underside 16 of the semiconductor substrate 10.
  • IE shows an upper side 12 of the semiconductor substrate 10 with the insulating layer 14 after etching Kunststofföffhungen 40 through the insulating layer 14. Under the insulating layer 14 formed from the semiconductor substrate 10 electrically isolated semiconductor regions 32 to 38 can be seen.
  • the etching of the Kunststoff musclessöffhungen 40 can take place after an application and a corresponding structuring of a mask on the insulating layer 14, as already explained above.
  • the Kunststofftechniksöffhungen 40 provide a way for separately driving the semiconductor regions 32 to 38. The exact function of the semiconductor regions 32 to 38 will be discussed in more detail below.
  • FIGS. 2A to 2D show cross sections through a semiconductor substrate to further illustrate the first embodiment of the manufacturing method for a micromechanical device.
  • FIG. 2A shows a cross section through a bottom semiconductor substrate 50 after application of an interlayer insulating layer 54 on an upper side 56 of a bottom semiconductor substrate 50 and a formation of a cavern 52 in the bottom semiconductor substrate 50.
  • the cavern 52 is inserted into the bottom semiconductor substrate 50
  • Bottom semiconductor substrate 50 for example, a silicon substrate, etched.
  • the etching of the cavern 52 can be done according to the etching method described above.
  • the cavern 52 has a wide te bl on, which may correspond to the extent of the encapsulated actuator formed in the following.
  • the intermediate insulating layer 54 for example made of glass such as borosilicate glass, can be applied to the non-etched surfaces of the upper side 56.
  • FIG. 2B shows a cross section through the bottom semiconductor substrate 50 and a second semiconductor substrate 58 mounted on the interlayer insulating layer 54.
  • the second semiconductor substrate 58 preferably of silicon, may be soldered, soldered, glued, eutectic bonded, or thermocompression bonded to the Intermediate insulating layer 54 are attached.
  • the connection between the interlayer insulating layer 54 and the second semiconductor substrate 58 is stable and hermetic.
  • a chemical and / or mechanical polishing method may be performed to flatten a surface 60 of the second semiconductor substrate 58 and / or reduce the layer thickness of the second semiconductor substrate 58 to a height h2 that corresponds to the desired height of the actuator to be formed.
  • Figure 2C shows a cross-section through the two semiconductor substrates 50 and 58 after deposition of metal layers 62 and insulating buffer layers 64 on the surface 60 of the second semiconductor substrate 58.
  • the function of the metal layers 62 and the insulating buffer layers 64 will be discussed in more detail below.
  • a reflective layer may also be applied as a mirror layer to the surface 60 of the second semiconductor substrate 58 if the produced encapsulated actuator is used as part of a micromirror device and the surface quality of the second semiconductor substrate 58 is not sufficient for later use.
  • 2D shows a cross section through the two semiconductor substrates 50 and 58 after an etching process for forming the actuator 66 from the material of the second semiconductor substrate 58.
  • a method for forming structures from a semiconductor substrate 58 has already been described above, and therefore will not be repeated here explained.
  • the actuator 66 formed from the second semiconductor substrate 58 is surrounded on four sides by an actuator frame 68 likewise formed from the second semiconductor substrate 58.
  • the actuator frame 68 thus forms together with the intermediate insulating layer 54 and the bottom semiconductor substrate 50
  • the actuator 66 can therefore also be referred to as an encapsulated actuator 66.
  • the actuator 66 is formed integrally with the actuator frame 68. The operation of the actuator will be discussed in more detail below.
  • FIG 3 shows a cross section through an electrostatic actuator device for further illustration of the first embodiment of the production method for a micromechanical component.
  • the illustrated electrostatic actuator device 100 comprises the electrically insulated semiconductor regions 32 and 34 with the protective device formed from the insulating layer 14 and the second frame part 30 (see FIG. ID) and the encapsulated actuator 66 (see FIG. 2D).
  • the encapsulation of the actuator 66 is realized by the actuator frame 68, the intermediate insulating layer 54 and the bottom semiconductor substrate 50 with the cavity 52.
  • the second frame part 30 is fixedly connected to the actuator frame 68.
  • This solid connection can be realized, for example, via seal glass bonding 102, for which purpose the seal glass is applied in a suitably structured manner between the second frame part 30 and the actuator frame 68.
  • the electrically insulated regions 32 and 34 and the actuator 66 are surrounded in all spatial directions by the insulating layer 14, the second frame part 30, the seal glass bonding 102, the actuator frame 68, the intermediate insulating layer 54 and the cavity 52 of the bottom semiconductor substrate 50.
  • the components 32, 34 and 66 are thus well protected against contamination.
  • FIG. 4 shows a top view of a first example of a contacting of an electrostatic actuator device.
  • the contacting comprises the already mentioned metal layers 62, which are formed as lines for connecting the electrically insulated semiconductor regions 32, 34, 36 and 38 and the actuator 66 with a control device, not shown.
  • the metal layers 62 are almost completely surrounded by the insulating buffer layers (not shown). Only the contact points 104 formed at the ends of the lines are not embedded in the insulating buffer layers.
  • Each of the four electrically isolated semiconductor regions 32, 34, 36 and 38 is assigned a contact point 104. This makes it possible to control each of the four electrically isolated semiconductor regions 32, 34, 36 and 38 separately.
  • the actuator 66 also has a contact point 104.
  • 5 shows a plan view of a second example of a contacting of an electrostatic actuator device.
  • the actuator device 110 comprises the electrically insulated semiconductor regions 32 to 38 with the protective device having the contacting openings 40 etched through the insulating layer 14 (see FIG. IE) and the encapsulated actuator 66. However, the encapsulated actuator 66 of the actuator device 110 does not have any metal layers on the actuator frame 68 on.
  • the contacting of the electrically insulated semiconductor regions 32 to 38 takes place via the contacting openings 40, wherein each of the four electrically insulated semiconductor regions 32 to 38 each have a contacting opening 40 associated therewith.
  • Such a contacting requires a low production outlay and thus reduces the production costs for the actuator device 110.
  • FIGS. 6A to 6D show a cross section through a semiconductor substrate to illustrate a second embodiment of the manufacturing method for a micromechanical device.
  • FIG. 6A shows a first semiconductor substrate 200 after application of an oxide mask 204 on a lower side 202 of the first semiconductor substrate 200, structuring of the oxide mask 204 and subsequent etching of trenches 206 into the first semiconductor substrate 200.
  • the structuring of the oxide mask 204 and the Etching of the trenches 206 can be carried out by conventional methods.
  • the trenches 206 etched into the first semiconductor substrate 200 have a depth that is significantly less than the layer thickness of the semiconductor substrate 200.
  • the semiconductor plates 208 formed from the material of the semiconductor substrate 200 are thus also integrally connected to the semiconductor substrate 200 even after the etching process.
  • FIG. 6B shows a cross section through the first semiconductor substrate 200 and a second semiconductor substrate 210 attached to the oxide mask 204.
  • the second semiconductor substrate 210 may be attached to the oxide mask 204 using the methods already mentioned above.
  • the oxide mask 204 may be removed from the underside 202 and replaced with an intermediate insulating layer.
  • a chemical and / or mechanical polishing method may be performed to reduce the layer thickness of the second semiconductor substrate 210 to a desired height h3 for the actuator formed by the described method.
  • FIG. 6C shows a cross-section through the two semiconductor substrates 200 and 210 after etching an actuator 212 out of the material of the second semiconductor substrate 210.
  • the actuator 212 is connected via a Isolation trench 214 separated by an actuator frame 216 also formed from the second semiconductor substrate 210.
  • the etching method for forming the actuator 212 and the actuator frame 216 is similar to the method already described above and therefore will not be described in detail here.
  • the metal coating 2118 serves for contacting the actuator formed from the second semiconductor substrate 210 212.
  • the material of the metal coating 218 may include a direction other than 90 degrees from a direction 221 that forms an angle other than 90 degrees with a surface of the oxide mask 204, the interlayer insulating layer, and / or one of the two semiconductor substrates 200 and 210. sputtered onto the bottom 220.
  • the direction from which the material is sputtered thus deviates at a non-zero angle ⁇ from the perpendicular 219 extending through the two semiconductor substrates 200 and 210 at a right angle.
  • the trenches shadow each other and thus prevent the formation of a metal layer at the bottom of the trenches.
  • a patterned metal coating may be applied to the bottom surface 220. Subsequently, the trenches are etched into the uncovered partial surfaces of the underside 220.
  • the bottom 220 may be completely covered with a metal layer. Then, a resist mask is applied to the metal layer and patterned according to the desired positions and dimensions of the trenches. Subsequently, first the metal layer and then the second semiconductor substrate 210 are etched using the same patterned resist mask.
  • the electrostatic actuator device produced in this way and shown in an intermediate state in FIG. 6D comprises only two electrodes which can be controlled separately.
  • the electrostatic actuator device is therefore suitable exclusively for uniaxial, resonant operation.
  • the electrostatic actuator device has a comparatively simple structure and can be produced relatively inexpensively. Furthermore, it is possible to combine two such electrostatic actuator device for a biaxial operation.
  • FIGS. 7A to 7E show a cross section through a semiconductor substrate to illustrate a third embodiment of the manufacturing method for a micromechanical component.
  • 7A shows a semiconductor substrate 300 after an insulating layer 302 has been applied to an upper side 304 of the semiconductor substrate 300 and after a subsequent structuring of the semiconductor substrate 300.
  • the insulating layer 302 may preferably be a glass layer.
  • an oxide mask 306 is applied to an underside 308 of the semiconductor substrate 300. Subsequently, the oxide mask 306 is patterned so that it has recesses whose size and position correspond to the subsequently to be etched cavities 310, which separate the later serving as electrodes semiconductor regions 312 and 314 from each other.
  • a recess is formed in the mask 314, which corresponds to a separating trench 316 to be etched into the semiconductor substrate 300, for dividing the semiconductor substrate 300 into the semiconductor regions 312 and 314 and into a frame part 318.
  • an etching process preferably an RIE process, is carried out to form the semiconductor regions 312 and 314 and the frame part 318 from the material of the semiconductor substrate 300.
  • FIG. 7B shows a cross section through the first semiconductor substrate 300 and a second semiconductor substrate 320 attached to the oxide layer 306.
  • attaching the second semiconductor substrate 320 to the oxide layer 306 may be by eutectic bonding or thermocompression bonding.
  • the second semiconductor substrate 320 may be extended by functional interlayers.
  • the shape and the property of the actuator formed later from the second semiconductor substrate 320 may be changed.
  • An example of this would be an epitaxial polysilicon layer (Epipoly).
  • FIG. 7C shows a cross section through the two semiconductor substrates 300 and 320 after forming an actuator 322 from the material of the second semiconductor substrate 320.
  • FIG. 7D shows a bottom side 324 of the actuator 322 and the actuator frame 326 completely surrounding the actuator 322 on four sides. Since the method of forming the actuator 322 and the actuator frame 326 is already described above, it will not be explained again here.
  • contacting openings 328 can also be etched through the second semiconductor substrate 320.
  • the electrically insulated semiconductor regions 312 and 314 formed from the first semiconductor substrate 300 can be driven separately from one another.
  • 7E shows a cross section through the two semiconductor substrates 300 and 320 after a metal coating 330 has been applied to an underside 324 of the actuator 322 and the actuator frame 326.
  • the metal coating 330 serves for contacting the actuator 322.
  • the material of the metal coating 330 for example aluminum copper, can be sputtered from a direction 332 deviating from a perpendicular 334 intersecting the semiconductor substrates 300 and 320 on the underside 324 of the actuator 322 and the actuator frame 326.
  • the trenches shadow each other, thus preventing the formation of a metal layer on the bottom of the trenches. In this way, short circuits during later operation of the electrostatic actuator device can be avoided.
  • the alternative methods already described above for advantageously forming the metal coating 330 may also be practiced.
  • FIG. 8 shows a cross section through two semiconductor substrates held together to illustrate a fourth embodiment of the production method for a micromechanical component.
  • the two semiconductor substrates 402 and 404 are firmly connected to one another by means of an insulating layer 400.
  • the attachment of the two semiconductor substrates 402 and 404 to each other can be realized by means of an on-glass process, a soldering process, an adhesion process, a eutectic bonding process and / or by means of a thermocompression bonding.
  • the upper semiconductor substrate 402 is etched so that the semiconductor regions 406 and 408 serving as electrodes and a frame part 410 surrounding the semiconductor regions 406 and 408 on four sides are formed of the material of the upper semiconductor substrate 402.
  • the semiconductor regions 406 and 408 and the frame part 410 reference is made to the etching method already described above.
  • FIG. 9 shows a plan view of an electrostatic actuator device for illustrating an operation of an electrostatic actuator device.
  • the electrostatic actuator device 500 comprises four electrically insulated semiconductor regions 502 to 508 formed as electrodes, an actuator 510 arranged in one plane below the four semiconductor regions 502 to 508 and a protective frame 512.
  • the protective frame 512 surrounds the semiconductor regions 502 to 508 and the actuator 510 to four Pages.
  • On the of the protective frame 512 not covered upper side of the semiconductor regions 502 to 508 and the actuator 510 is arranged (not shown) insulating layer.
  • the underside of the semiconductor regions 502 to 508 and the actuator 510 is also covered by a protective capsule (not shown), for example a bottom semiconductor substrate with a cavern.
  • the semiconductor regions 502 to 508 and the actuator 510 are thus protected against contamination.
  • the four semiconductor regions 502 to 508 are used for targeted adjustment of the actuator 510 in two spatial directions. If the electrode regions 502 to 508 are not activated, then the actuator 510 is in its starting position shown in FIG. 9.
  • the mode of operation of the electrostatic actuator device 500 embodied as a micromirror device is described here:
  • the actuator 510 When the semiconductor regions 502 and 504 are interconnected, the actuator 510 is rotated about its longitudinal axis 514 in one direction. Accordingly, the actuator 510 rotates in the opposite direction about its longitudinal axis when the semiconductor regions 506 and 508 are switched together.
  • the actuator 510 is slightly deflected horizontally. Accordingly, the actuator 510 also behaves when the semiconductor regions 504 and 508 are joined together.
  • connection points 516 serve for targeted contacting of the actuator 510 and the four electrically insulated semiconductor regions 502 to 508.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement (100) mit den Schritten: Bilden einer Isolierschicht (14) direkt auf einem ersten Halbleitersubstrat (10) und Ätzen mindestens eines Trenngrabens (26) durch das erste Halbleitersubstrat (10) zum Teilen des ersten Halbleitersubstrats (10) in mindestens ein elektrisch isoliertes Mittelteil (32 bis 38) und ein das Mittelteil (32 bis 38) umgebendes Rahmenteil (30). Des Weiteren betriff die Erfindung ein entsprechendes mikromechanisches Bauelement (100).

Description

Beschreibung
Titel
Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement und mikromechanisches Bauelement
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein entsprechendes mikromechanisches Bauelement.
Stand der Technik
Elektrostatische Antriebe oder Sensoren werden in der Mikromechanik oft verwendet. Beispielsweise weisen Beschleunigungssensoren und Torsionsaktoren, wie Mikrospiegel, häufig einen elektrostatischen Antrieb auf. Derartige Systeme mit einem elektrostatischen Antrieb sind beispielsweise in der DE 197 28 598 Al und in der US 6 891 650 B2 beschrieben.
Aufgrund der häufigen Verwendung von elektrostatischen Antrieben oder Sensoren ist es wünschenswert, über eine Möglichkeit zur kostengünstigen Herstellung eines derartigen mikromechanischen Bauelements zu verfügen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und des Anspruchs 9 und ein mikromechanisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die relativ hohe Anzahl von Arbeitsschritten eines herkömmlichen Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauelement reduzierbar ist, wenn die isolierten Halbleiterbereiche des mikromechanisches Bauelement, beispielsweise Elektroden, so aus einem Halbleitersubstrat herausgebildet werden, dass sich die fertig geformten Halbleiterbereiche bereits automatisch in einer Schutzisolierung befinden. Auf diese Weise entfallen Arbeits- schritte zum Anbringen einer Schutzisolierung an den fertig ausgebildeten Halbleiterbereichen des mikromechanischen Bauelements. Da diese herkömmlicherweise nötigen Arbeitsschritte in einer relativ sterilen Umgebung ausgeführt werden müssen, sind sie mit hohen Herstellungskosten verbunden. Die vorliegende Erfindung macht diese herkömmlicherweise notwendigen Arbeitsschritte überflüssig, indem zuerst ein Halbleitersubstrat, aus welchem die isolierten Halbleiterbereiche gebildet werden sollen, an einer Isolierschicht angeordnet wird. Anschließend wird mittels mindestens eines Trenngra- bens das Halbleitersubstrat in ein Mittelteil und ein das Mittelteil umgreifendes Rahmenteil unterteilt. Das Rahmenteil dient zusammen mit der Isolierschicht als Schutzvorrichtung des Mittelteils oder der noch aus dem Mittelteil auszubildenden Halbleiterbereiche.
Die auf dem Halbleitersubstrat aufgebrachte Isolierschicht dient damit sowohl als Halterung für die fertig gebildeten isolierten Halbleiterbereiche als auch als Isolierung und Verschmutzungsschutz.
Durch diese Multifunktion der Isolierschicht können herkömmlicherweise notwendige Komponenten zum Fixieren der Halbleiterbereiche eingespart werden.
Durch das Einsparen von herkömmlicherweise notwendigen Arbeitsschritten und nach dem Stand der Technik erforderlichen Komponenten eines mikromechanischen Bauelements gewährleistet die vorliegende Erfindung ein kostengünstigeres Herstellen von mikromechanischen Bauelementen.
Bei dem mikromechanischen Bauelement kann es sich um eine elektrostatische Sensorvorrichtung oder eine elektrostatische Aktorvorrichtung, beispielsweise einen Torsionsaktor, handeln. Das Herstel- lungsverfahren verwendet dabei gebräuchliche und etablierte Methoden der Mikrosystemtechnik in der Hochvolumenfertigung. Damit lässt sich das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren leicht durchführen.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren bestehen in der hohen Ausbeute an fehlerlos hergestellten elektrostatischen Aktoren aufgrund der einfach auszuführenden Prozess-
Schritte und dem fertigungssicheren Prozess. Durch die Ausbildung von isolierten Halbleiterbereichen, welche von einer Isolierschicht und einem Rahmenteil umgeben sind, weisen die mikromechanischen Bauelemente einen guten Schutz vor Verunreinigungen, vor Schädigungen bei einem Handling, während der Verpackung oder während des Betriebs auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das mindestens eine elektrisch isolierte Mittelteil als mindestens eine elektrisch isolierte Elektrode ausgebildet. Die mindestens eine Elektrode ist in diesem Fall automatisch durch die Isolierschicht und das Rahmenteil vor Verschmutzungen und/oder Beschädigungen geschützt.
Beispielsweise wird die mindestens eine elektrisch isolierte Elektrode kämm- oder dreiecksförmig ausgebildet. Elektrodenkämme können eine relativ hohe elektrostatische Kraft auf einer Vergleichs- weise kleinen Fläche generieren. Sie erlauben damit hohe Auslenkwinkel, die nicht durch mechanischen Kontakt der Elektrodenflächen begrenzt sind.
In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Herstellungsverfahren folgende zusätzliche Schritten: Ätzen einer Kaverne in ein Bodenhalbleitersubstrat; Bilden einer Zwischenisolierschicht auf einer Oberseite des Bodenhalbleitersubstrats; Befestigen eines zweiten Halbleitersubstrats auf der Zwischenisolierschicht; Ätzen eines Aktors und eines den Aktor umgebenden Aktorrahmens aus einem Material des zweiten Halbleitersubstrats; und Befestigen des Rahmenteils auf einer Oberseite des Aktorrahmens. Auf diese Weise kann ein Aktor hergestellt werden, welcher schon während des leicht ausführbaren Herstellungsverfahrens von einer Kapselung geschützt wird. Dies gewährleistet auch für den automatisch gekapselten Aktor einen sicheren Schutz.
Als Alternative dazu kann das Herstellungsverfahren folgende zusätzliche Schritten umfassen: Bilden einer Zwischenisolierschicht auf einer der Isolierschicht entgegen gerichteten Seite des Rahmenteils; Befestigen eines zweiten Halbleitersubstrats auf der Zwischenisolierschicht; und Ätzen eines Aktors und eines den Aktor umgebenden Aktorrahmens aus einem Material des zweiten Halbleitersubstrats. Auch dies gewährleistet auf einfache Weise eines sicheren Schutz vor Verschmutzungen für den Aktor.
Vorzugsweise wird das zweite Halbleitersubstrat mittels eines Aufglasverfahrens, eines Lötverfahrens, eines Klebeverfahrens, eines eutektisches Bondverfahrens und/oder mittels eines Thermokompressi- onsbondens auf der Zwischenisolierschicht befestigt. Die hier vorgestellten Verfahren sind einfach ausführbar und gewährleisten einen sicheren Halt für das zweite Halbleitersubstrat.
Vorteilhafterweise wird aus einer Richtung, welche mit einer Oberfläche der Zwischenisolierschicht einen Winkel ungleich 90 Grad einschließt, eine Metallschicht auf eine der Zwischenisolierschicht entgegen gerichteten Seite des Aktors aufgesputtert. Die Gräben, welche zur Strukturierung des Aktors ausgebildet sind, schatten sich dabei gegenseitig ab, und verhindern somit die Bildung einer Metallschicht auf dem Boden der Gräben. Auf diese Weise können Kurzschlüsse beim späteren Betrieb des mikromechanischen Bauelements vermieden werden.
In eine weiteren Alternative umfasst das Herstellungsverfahren die zusätzlichen Schritte: Ausbilden der Isolierschicht als Zwischenisolierschicht durch Befestigen eines zweiten Halbleitersubstrats auf einer dem ersten Halbleitersubstrat entgegen gerichteten Seite der Isolierschicht vor dem Ätzen des Trenngrabens; und Ätzen eines Aktors und eines den Aktor umgebenden Aktorrahmens aus einem Material des zweiten Halbleitersubstrats. Auch dieses Verfahren lässt sich mit geringem Arbeitsaufwand ausführen. Eine Weiterbildung des Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement umfasst zusätzlich zum Ätzen mindestens einer Elektrodenstruktur in eine Unterseite eines ersten Halbleitersubstrats die Schritte: Bilden eine Zwischenisolierschicht auf einer Unterseite eines ersten Halbleitersubstrats, Strukturieren der Zwischenisolierschicht mit mindestens eine Elektrodenstruktur, und Übertragen der Struktur der Zwischenisolierschicht mittels eines Ätzschritts in eine Unterseite des ersten Halbleitersubstrats. Auf diese Weise lässt sich die Elektrodenstruktur ohne einen großen Aufwand aus dem Material des ersten Halbleitersubstrats bilden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. IA bis IE zeigen ein Halbleitersubstrat zur Darstellung einer ersten Ausführungsform des
Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauelement, dabei zeigen Fig. IA bis IC Querschnitte durch das Halbleitersubstrat, Fig. ID eine Unterseite des Halbleitersubstrats und Fig. IE eine Oberseite des Halbleitersubstrats;
Fig. 2A bis 2D zeigen Querschnitte durch ein Halbleitersubstrat zur weiteren Darstellung der ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauelement;
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine elektrostatische Aktorvorrichtung zur weiteren Darstellung der ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauelement;
Fig. 4 zeigt in Draufsicht ein erstes Beispiel einer Kontaktierung einer elektrostatischen
Aktorvorrichtung;
Fig. 5 zeigt in Draufsicht ein zweites Beispiel einer Kontaktierung einer elektrostatischen
Aktorvorrichtung;
Fig. 6A bis 6D zeigen einen Querschnitt durch ein Halbleitersubstrat zur Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauelement; Fig. 7A bis 7E zeigen ein Halbleitersubstrat zur Darstellung einer dritten Ausführungsform des
Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauelement, dabei zeigen Fig.
7A bis 7C und 7E einen Querschnitt durch das Halbleitersubstrat und Fig. 7D eine
Unterseite des Halbleitersubstrats;
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch zwei zusammengehaltene Halbleitersubstrate zur
Darstellung einer vierten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine ein mikromechanisches Bauelement; und
Fig. 9 zeigt eine Draufsicht auf eine elektrostatische Aktorvorrichtung zur Veranschaulichung einer Funktionsweise einer elektrostatischen Aktorvorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird im Weiteren anhand einer elektrostatischen Aktorvorrichtung beschrieben. Sie ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern auch auf andere mikromechanische Bauelemente, wie beispielsweise Sensoren anwendbar.
Fig. IA bis IE zeigen ein Halbleitersubstrat zur Darstellung einer ersten Ausführungsform des Her- Stellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauelement, dabei zeigen Fig. IA bis IC Querschnitte durch das Halbleitersubstrat, Fig. ID eine Unterseite des Halbleitersubstrats und Fig. IE eine Oberseite des Halbleitersubstrats.
Fig. IA zeigt einen Querschnitt durch ein Halbleitersubstrat 10 mit einer auf einer Oberseite 12 des Halbleitersubstrats 10 gebildeten Isolierschicht 14. Das Halbleitersubstrat 10 kann aus Silizium oder einem siliziumhaltigen Material bestehen. Die Isolierschicht 14 enthält ein elektrisch isolierendes Material, vorzugsweise ein Glas, wie beispielsweise Borosilikatglas. Das Aufbringen der isolierenden Schicht 14 auf der Oberseite 12 des Halbleitersubstrats 10 wird vorzugsweise so ausgeführt, dass ein stabiler und hermetischer Verbund aus dem Halbleitersubstrat 10 und der Isolierschicht 14 entsteht.
Eventuell kann nach dem Aufbringen der Isolierschicht 14 auf dem Halbleitersubstrat 10 ein chemisches und/oder mechanisches Polierverfahren (CMP -Verfahren) ausgeführt werden, um die Oberfläche der Isolierschicht 14 zu glätten.
Fig. IB zeigt einen Querschnitt durch das Halbleitersubstrat 10 nach einem chemischen und/oder mechanischen Polierverfahren zum Glätten und gegebenenfalls Rückdünnen einer Unterseite 16 des Halbleitersubstrats 10. Dabei kann die Schichtdicke des Halbleitersubstrats 10 auf eine Höhe hl redu- ziert werden, welche der gewünschten Höhe der im weiteren Verlauf des Verfahrens gebildeten elektrisch isolierten Halbleiterbereiche entspricht. Gegebenenfalls kann dieses Verfahren auch weitere CMP-Schritte zum Glätten der Randbereiche 18 umfassen.
Nach dem Glätten der Unterseite 16 wird eine (nicht skizzierte) Maske auf die Unterseite 16 des Halbleitersubstrats 10 aufgebracht und strukturiert. Dabei werden in der Maske Aussparungen geformt, deren Lagen und Ausdehnungen den später in das Halbleitersubstrat 10 eingeätzten Hohlräumen entsprechen. Vorzugsweise ist die Maske eine Kohlenstoffhartmaske.
Anschließend werden die von der Maske nicht abgedeckten Bereiche des Halbleitersubstrats 10 mit einem geeigneten Ätzmaterial weggeätzt. Beispielsweise handelt es sich bei dem Ätzverfahren um ein RIE-Verfahren (Reactive Ion Etch). Allerdings können auch andere Ätzverfahren eingesetzt werden, um die elektrisch isolierten Halbleiterbereiche aus dem Halbleitersubstrat 10 zu bilden. Das Ätzverfahren wird solange ausgeführt, bis die in das Halbleitersubstrat 10 geätzten Hohlräume 20 eine Höhe gleich der Höhe hl aufweisen. Dabei wird für das Ätzverfahren vorzugsweise ein Ätzmaterial verwendet, welches das Material der Isolierschicht 14 kaum angreift.
Fig. 1 C zeigt einen Querschnitt durch das Halbleitersubstrat 10 (ohne die Maske) nach einem Ausbilden einer Vielzahl von dünnen Halbleiterplatten 22, welche von einem ersten Rahmenteil 24 umgeben sind. Die Halbleiterplatten 22 und das erste Rahmenteil 24 sind aus dem Material des Halbleitersubstrats 10 geformt. Die parallel zueinander ausgebildeten Halbleiterplatten 22 sind durch die dazwischen liegenden Hohlräume 20 voneinander getrennt. In dem in Fig. 1 C gezeigten Zwischenzustand sind die Halbleiterplatten 22 an ihren (nicht gezeigten) Enden noch mit dem ersten Rahmenteil 24 verbunden. Die Stabilität der dünnen Halbleiterplatten 22 ist jedoch hauptsächlich durch die Isolier- Schicht 14 gewährleistet, da die Halbleiterplatten 22 im direkten Kontakt mit der Isolierschicht 14 ausgebildet sind. Dieser Kontakt zwischen den Halbleiterplatten 22 und der Isolierschicht 14 erstreckt sich über die gesamte Länge der Halbleiterplatten 22. Dies gewährleistet einen sicheren Halt für die Halbleiterplatten 22.
Fig. ID zeigt eine Unterseite des Halbleitersubstrats 10 (ohne die Maske) nach einem Ätzen eines
Trenngrabens 26 in das erste Rahmenteil 24. Der Trenngraben 26 unterteilt das Halbleitersubstrat 10 in ein Mittelteil 28 und in ein zweites Rahmenteil 30. Dabei weist der Trenngraben 26 eine Höhe auf, welche der Höhe hl entspricht. Nach dem Ätzen des Trenngrabens 26 sind das Mittelteil 28 und das zweite Rahmenteil 30 deshalb voneinander elektrisch isoliert.
Das zweite Rahmenteil 30 umgibt das Mittelteil 28 auf vier Seiten. Das zweiten Rahmenteil 30 bildet somit zusammen mit der Isolierschicht 14 eine Schutzvorrichtung für das Mittelteil 28, bzw. für die daraus gebildeten, voneinander elektrisch isolierten vier Halbleiterbereiche 32 bis 38. Vorzugsweise können die aus dem Mittelteil 28 gebildeten elektrisch isolierten Halbleiterbereiche 32 bis 38 eine Kamm- oder Dreiecksform aufweisen. In dem Beispiel aus Fig. ID sind die elektrisch isolierten Halbleiterbereiche 32 bis 38 als Elektrodenkämme ausgebildet.
Die Halbleiterbereiche 32 bis 38 sind nur über die Isolierschicht 14 miteinander verbunden. Die Halbleiterbereiche 32 bis 38 können somit getrennt voneinander kontaktiert werden. Da die Halbleiterbereiche 32 bis 38 im direkten Kontakt mit der Isolierschicht 14 ausgebildet sind, haben sie einen festen Halt an der Isolierschicht 14, ohne dass noch ein zusätzliches Befestigungselement zum Befestigen der Halbleiterbereiche 32 bis 38 an der Isolierschicht 14 notwendig ist. Auf diese Weise lässt sich der
Bauraum, welchen ein entsprechendes zusätzliches Befestigungselement benötigen würde, einsparen.
Die anhand der Fig. IC und ID dargestellten Ätzschritte können selbstverständlich auch gleichzeitig ausgeführt werden. Die Hohlräume 20 und der Trenngraben 26 können in diesem Fall durch ein einzi- ges Ätzverfahren in das Halbleitersubstrat 10 geätzt werden. Dies reduziert die Anzahl der Verfahrensschritte zusätzlich.
Anschließend kann die Maske von der Unterseite 16 des Halbleitersubstrats 10 entfernt werden.
Fig. IE zeigt eine Oberseite 12 des Halbleitersubstrats 10 mit der Isolierschicht 14 nach einem Ätzen von Kontaktierungsöffhungen 40 durch die Isolierschicht 14. Unter der Isolierschicht 14 sind die aus dem Halbleitersubstrat 10 ausgebildeten elektrisch isolierten Halbleiterbereiche 32 bis 38 zu erkennen.
Das Ätzen der Kontaktierungsöffhungen 40 kann dabei nach einem Aufbringen und einem entspre- chenden Strukturieren einer Maske auf der Isolierschicht 14 erfolgen, wie es oben bereits erklärt ist. Die Kontaktierungsöffhungen 40 bieten eine Möglichkeit zum getrennten Ansteuern der Halbleiterbereiche 32 bis 38. Auf die genaue Funktion der Halbleiterbereiche 32 bis 38 wird unten noch genauer eingegangen.
Fig. 2A bis 2D zeigen Querschnitte durch ein Halbleitersubstrat zur weiteren Darstellung der ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauelement.
Fig. 2A zeigt einen Querschnitt durch ein Bodenhalbleitersubstrat 50 nach einem Aufbringen einer Zwischenisolierschicht 54 auf einer Oberseite 56 eines Bodenhalbleitersubstrats 50 und einem Ausbil- den einer Kaverne 52 in dem Bodenhalbleitersubstrat 50. Beispielsweise wird die Kaverne 52 in das
Bodenhalbleitesubstrat 50, beispielsweise ein Siliziumsubstrat, geätzt. Das Ätzen der Kaverne 52 kann entsprechend dem oben beschriebenen Ätzverfahren geschehen. Die Kaverne 52 weist dabei eine Brei- te bl auf, welche der Ausdehnung des im Weiteren gebildeten gekapselten Aktors entsprechen kann. Anschließend kann die Zwischenisolierschicht 54, beispielsweise aus Glas wie Borosilikatglas, auf die nicht geätzten Flächen der Oberseite 56 aufgebracht werden. Als Alternative zu diesem Verfahren ist es auch möglich, unter Verwendung eines Ätzmaterials, welches die Zwischenisolierschicht 54 an- greift, die Kaverne 52 zu ätzen und anschließend die Zwischenisolierschicht 54, beispielsweise aus Glas wie Borosilikatglas, auf die nicht geätzten Flächen der Oberseite 56 aufzubringen.
Fig. 2B zeigt einen Querschnitt durch das Bodenhalbleitersubstrat 50 und ein auf der Zwischenisolierschicht 54 befestigtes zweites Halbleitersubstrat 58. Das zweite Halbleitersubstrat 58, vorzugsweise aus Silizium, kann über ein Aufglasverfahren, ein Lötverfahren, ein Klebeverfahren, ein eutektisches Bondverfahren oder über ein Thermokompressionsbonden an der Zwischenisolierschicht 54 befestigt werden. Vorzugsweise ist die Verbindung zwischen der Zwischenisolierschicht 54 und dem zweiten Halbleitersubstrat 58 stabil und hermetisch.
Anschließend kann ein chemisches und/oder mechanisches Polierverfahren ausgeführt werden, um eine Oberfläche 60 des zweiten Halbleitersubstrats 58 zu glätten und/oder die Schichtdicke des zweiten Halbleitersubstrats 58 auf eine Höhe h2 zu reduzieren, welche der gewünschten Höhe des zu bildenden Aktors entspricht.
Fig. 2C zeigt einen Querschnitt durch die beiden Halbleitersubstrate 50 und 58 nach einem Aufbringen von Metallschichten 62 und isolierenden Pufferschichten 64 auf der Oberfläche 60 des zweiten Halbleitersubstrats 58. Auf die Funktion der Metallschichten 62 und der isolierenden Pufferschichten 64 wird unten noch genauer eingegangen. Gegebenenfalls kann auch eine reflektierende Schicht als Spiegelschicht auf die Oberfläche 60 des zweiten Halbleitersubstrats 58 aufgebracht werden, falls der her- gestellte gekapselte Aktor als Bestandteil einer Mikrospiegelvorrichtung verwendet wird und die Oberflächengüte des zweiten Halbleitersubstrats 58 für die spätere Verwendung nicht genügt.
Fig. 2D zeigt einen Querschnitt durch die beiden Halbleitersubstrate 50 und 58 nach einem Ätzverfahren zum Bilden des Aktors 66 aus dem Material des zweiten Halbleitersubstrats 58. Ein Verfahren zum Bilden von Strukturen aus einem Halbleitersubstrat 58 ist oben schon beschrieben und wird hier deshalb nicht noch einmal erläutert.
Der aus dem zweiten Halbleitersubstrat 58 gebildete Aktor 66 ist auf vier Seiten von einem ebenfalls aus dem zweiten Halbleitersubstrat 58 gebildeten Aktorrahmen 68 umgeben. Der Aktorrahmen 68 bildet somit zusammen mit der Zwischenisolierschicht 54 und dem Bodenhalbleitersubstrat 50 eine
Schutzeinrichtung bzw. Kapsel für den Aktor 66. Der Aktor 66 kann deshalb auch als gekapselter Aktor 66 bezeichnet werden. Der Aktor 66 ist einstückig mit dem Aktorrahmen 68 ausgebildet. Auf die Funktionsweise des Aktors wird unten noch genauer eingegangen.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine elektrostatische Aktorvorrichtung zur weiteren Darstellung der ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauelement.
Die gezeigte elektrostatische Aktorvorrichtung 100 umfasst die elektrisch isolierten Halbleiterbereiche 32 und 34 mit der aus der Isolierschicht 14 und dem zweiten Rahmenteil 30 gebildeten Schutzvorrich- tung (siehe Figur ID) und den gekapselten Aktor 66 (siehe Figur 2D). Die Kapselung des Aktors 66 ist realisiert durch den Aktorrahmen 68, die Zwischenisolierschicht 54 und das Bodenhalbleitersubstrat 50 mit der Kaverne 52.
Zum Zusammensetzen der elektrisch isolierten Halbleiterbereiche 32 und 34 mit der Schutzvorrich- tung und des gekapselten Aktors 66 ist das zweite Rahmenteil 30 ist mit dem Aktorrahmen 68 fest verbunden. Diese feste Verbindung kann beispielsweise über Sealglass-Bonden 102 realisiert werden, wozu das Sealglass geeignet strukturiert zwischen dem zweiten Rahmenteil 30 und dem Aktorrahmen 68 aufgebracht wird.
Die elektrisch isolierten Bereiche 32 und 34 und der Aktor 66 sind in allen Raumrichtungen von der Isolierschicht 14, dem zweiten Rahmenteil 30, den Sealglass-Bonden 102, dem Aktorrahmen 68, der Zwischenisolierschicht 54 und der Kaverne 52 des Bodenhalbleitersubstrats 50 umgeben. Die Komponenten 32, 34 und 66 sind damit gut vor Verschmutzungen geschützt.
Fig. 4 zeigt in Draufsicht ein erstes Beispiel einer Kontaktierung einer elektrostatischen Aktorvorrichtung. Die Kontaktierung umfasst dabei die schon genannten Metallschichten 62, welche als Leitungen zum Verbinden der elektrisch isolierten Halbleiterbereiche 32, 34, 36 und 38 und des Aktors 66 mit einer nicht dargestellten Steuervorrichtung ausgebildet sind.
Die Metallschichten 62 sind fast vollständig von den (nicht gezeigten) isolierenden Pufferschichten umgeben. Nur die an den Enden der Leitungen gebildeten Kontaktpunkte 104 sind nicht in die isolierenden Pufferschichten eingebettet. Jedem der vier elektrisch isolierten Halbleiterbereiche 32, 34, 36 und 38 ist ein Kontaktpunkt 104 zugeordnet. Damit besteht die Möglichkeit, jeden der vier elektrisch isolierten Halbleiterbereiche 32, 34, 36 und 38 getrennt anzusteuern. Auch der Aktor 66 weist einen Kontaktpunkt 104 auf. Fig. 5 zeigt in Draufsicht ein zweites Beispiel einer Kontaktierung einer elektrostatischen Aktorvorrichtung. Die Aktorvorrichtung 110 umfasst die elektrisch isolierten Halbleiterbereiche 32 bis 38 mit der Schutzvorrichtung mit den durch die Isolierschicht 14 geätzten Kontaktierungsöffnungen 40 (siehe Figur IE) und den gekapselten Aktor 66. Allerdings weist der gekapselte Aktor 66 der Aktorvorrich- tung 110 keine Metallschichten auf dem Aktorrahmen 68 auf.
Die Kontaktierung der elektrisch isolierten Halbleiterbereiche 32 bis 38 erfolgt über die Kontaktierungsöffnungen 40, wobei jedem der vier elektrisch isolierten Halbleiterbereiche 32 bis 38 je eine Kontaktierungsöffhung 40 zugeordnet ist. Eine derartige Kontaktierung erfordert einen geringen Ferti- gungsaufwand und reduziert somit die Herstellungskosten für die Aktorvorrichtung 110.
Fig. 6A bis 6D zeigen einen Querschnitt durch ein Halbleitersubstrat zur Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauelement.
Fig. 6A zeigt ein erstes Halbleitersubstrat 200 nach einem Aufbringen einer Oxidmaske 204 auf einer Unterseite 202 des ersten Halbleitersubstrats 200, einem Strukturieren der Oxidmaske 204 und einem anschließendem Ätzen von Gräben 206 in das erste Halbleitersubstrat 200. Das Strukturieren der O- xidmaske 204 und das Ätzen der Gräben 206 kann dabei mittel herkömmlicher Verfahren ausgeführt werden.
Die in das erste Halbleitersubstrat 200 eingeätzten Gräben 206 weisen eine Tiefe auf, welche deutlich unter der Schichtdicke des Halbleitersubstrats 200 liegt. Die aus dem Material des Halbleitersubstrats 200 gebildeten Halbleiterplatten 208 sind damit auch nach dem Ätzverfahren noch mit dem Halbleitersubstrat 200 einstückig verbunden.
Fig. 6B zeigt einen Querschnitt durch das erste Halbleitersubstrat 200 und ein an der Oxidmaske 204 befestigtes zweites Halbleitersubstrat 210. Das zweite Halbleitersubstrat 210 kann unter Verwendung der oben schon genannten Verfahren an der Oxidmaske 204 befestigt werden. Als Alternative dazu kann die Oxidmaske 204 auch von der Unterseite 202 entfernt werden und durch eine Zwischeniso- lierschicht ersetzt werden.
Anschließend kann ein chemisches und/oder mechanisches Polierverfahren ausgeführt werden, um die Schichtdicke des zweiten Halbleitersubstrats 210 auf eine gewünschte Höhe h3 für den mittels des beschriebenen Verfahrens gebildeten Aktor zu reduzieren.
Fig. 6C zeigt einen Querschnitt durch die beiden Halbleitersubstrate 200 und 210 nach einem Ätzen eines Aktors 212 aus dem Material des zweiten Halbleitersubstrats 210. Der Aktor 212 ist über einen Isoliergraben 214 von einem ebenfalls aus dem zweiten Halbleitersubstrat 210 gebildeten Aktorrahmen 216 getrennt. Das Ätzverfahren zum Bilden des Aktors 212 und des Aktorrahmens 216 ist ähnlich dem oben schon beschriebenen Verfahren und wird deshalb hier nicht genauer beschrieben.
Fig. 6D zeigt einen Querschnitt durch die beiden Halbleitersubstrate 200 und 210 nach einem Aufbringen einer Metallbeschichtung 218 auf eine Unterseite 220 des zweiten Halbleitersubstrats 210. Die Metallbeschichtung 218, beispielsweise aus Aluminiumkupfer (AlCu), dient zur Kontaktierung des aus dem zweiten Halbleitersubstrat 210 gebildeten Aktors 212. Um Kurzschlüsse durch die Metallbeschichtung zu vermeiden, kann das Material der Metallbeschichtung 218 aus einer Richtung 221, wel- che mit einer Oberfläche der Oxidmaske 204, der Zwischenisolierschicht und/oder eines der beiden Halbleitersubstrate 200 und 210 einen Winkel ungleich 90 Grad einschließt, auf die Unterseite 220 gesputtert werden. Die Richtung, aus welcher das Material gesputtert wird, weicht damit mit einem Winkel α ungleich Null von der in einem rechten Winkel durch die beiden Halbleitersubstrate 200 und 210 verlaufenden Senkrechten 219 ab. In diesem Fall schatten sich die Gräben gegenseitig ab und verhindern somit die Bildung einer Metallschicht an den Boden der Gräben.
Als Alternative zu diesem Verfahren kann vor einem Ätzen der Gräben in das zweite Halbleitersubstrat 210 eine strukturierte Metallbeschichtung auf die Unterseite 220 aufgebracht werden. Anschließend werden die Gräben in die unbedeckten Teilflächen der Unterseite 220 geätzt.
Als weitere Alternative kann vor einem Ätzen der Gräben die Unterseite 220 vollständig mit einer Metallschicht bedeckt werden. Dann wird eine Lackmaske auf die Metallschicht aufgebracht und entsprechend der gewünschten Lagen und Ausdehnungen der Gräben strukturiert. Anschließend wird zuerst die Metallschicht und dann das zweite Halbleitersubstrat 210 unter Verwendung der gleichen strukturierten Lackmaske geätzt.
Die auf diese Weise hergestellte, in Fig. 6D in einem Zwischenzustand gezeigte elektrostatische Aktorvorrichtung umfasst nur zwei Elektroden, welche getrennt angesteuert werden können. Die elektrostatische Aktorvorrichtung eignet sich deshalb ausschließlich für den einachsigen, resonanten Betrieb. Allerdings weist die elektrostatische Aktorvorrichtung einen vergleichsweise einfachen Aufbau auf und lässt sich relativ kostengünstig herstellen. Des Weiteren bietet sich die Möglichkeit, für einen zweiachsigen Betrieb zwei derartige elektrostatische Aktorvorrichtung zu kombinieren.
Fig. 7A bis 7E zeigen einen Querschnitt durch ein Halbleitersubstrat zur Darstellung einer dritten Aus- führungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauelement. Fig. 7A zeigt ein Halbleitersubstrat 300 nach einem Aufbringen einer Isolierschicht 302 auf eine O- berseite 304 des Halbleitersubstrats 300 und nach einem anschließenden Strukturieren des Halbleitersubstrats 300. Die Isolierschicht 302 kann vorzugsweise eine Glasschicht sein. Zum Strukturieren des Halbleitersubstrats 300 wird beispielsweise eine Oxidmaske 306 auf eine Unterseite 308 des Halblei- tersubstrats 300 aufgetragen. Anschließend wird die Oxidmaske 306 so strukturiert, dass sie Aussparungen aufweist, deren Größe und Lage den anschließend zu ätzenden Hohlräumen 310, welche die später als Elektroden dienenden Halbleiterbereiche 312 und 314 voneinander trennen, entsprechen. Zusätzlich wird in der Maske 314 eine Aussparung ausgebildet, welche einen in das Halbleitersubstrat 300 einzuätzenden Trenngraben 316 entspricht, zur Unterteilung des Halbleitersubstrats 300 in die Halbleiterbereiche 312 und 314 und in ein Rahmenteil 318. Anschließend wird ein Ätzverfahren, vorzugsweise ein RIE-Verfahren, ausgeführt, um die Halbleiterbereiche 312 und 314 und das Rahmenteil 318 aus dem Material des Halbleitersubstrats 300 zu bilden.
Fig. 7B zeigt einen Querschnitt durch das erste Halbleitersubstrat 300 und ein an der Oxidschicht 306 befestigtes zweites Halbleitersubstrat 320. Beispielsweise kann das Befestigen des zweiten Halbleitersubstrats 320 an der Oxidschicht 306 durch ein eutektisches Bonden oder ein Thermokompressions- bonden erfolgen. Als Alternative dazu besteht auch die Möglichkeit, die Oxidschicht 306 von der Unterseite 308 zu entfernen und eine andere Zwischenisolierschicht anstelle der Oxidschicht 306 auf die Unterseite 308 aufzubringen.
Das zweite Halbleitersubstrat 320 kann gegebenenfalls um funktionale Zwischenschichten erweitert werden. Beispielsweise können dabei die Form und die Eigenschaft des später aus dem zweiten Halbleitersubstrat 320 gebildeten Aktors verändert werden. Ein Beispiel dafür wäre eine epitaktische PoIy- siliziumschicht (Epipoly).
Fig. 7C zeigt einen Querschnitt durch die beiden Halbleitersubstrate 300 und 320 nach einem Ausbilden eines Aktors 322 aus dem Material des zweiten Halbleitersubstrats 320. Fig. 7D zeigt eine Unterseite 324 des Aktors 322 und des den Aktor 322 auf vier Seiten vollständig umgebenden Aktorrahmens 326. Da das Verfahren zum Bilden des Aktors 322 und des Aktorrahmens 326 oben bereits be- schrieben ist, wird es hier nicht noch einmal erläutert.
Zusätzlich zu der Strukturierung des Aktors 322 können auch Kontaktierungsöffnungen 328 durch das zweite Halbleitersubstrat 320 geätzt werden. Über die Kontaktierungsöffnungen 328 können beispielsweise die aus dem ersten Halbleitersubstrat 300 gebildeten elektrisch isolierten Halbleiterberei- che 312 und 314 getrennt voneinander angesteuert werden. Fig. 7E zeigt einen Querschnitt durch die beiden Halbleitersubstrate 300 und 320 nach einem Aufbringen einer Metallbeschichtung 330 auf eine Unterseite 324 des Aktors 322 und des Aktorrahmens 326. Die Metallbeschichtung 330 dient zur Kontaktierung des Aktors 322.
Auch bei diesem Verfahren kann das Material der Metallbeschichtung 330, beispielsweise Alumini- umkupfer, aus einer Richtung 332 abweichend von einer die Halbleitersubstrate 300 und 320 im rechten Winkel schneidenden Senkrechten 334 auf die Unterseite 324 des Aktors 322 und des Aktorrahmens 326 gesputtert werden. Die Gräben schatten sich dabei gegenseitig ab, und verhindern somit die Bildung einer Metallschicht auf dem Boden der Gräben. Auf diese Weise können Kurzschlüsse beim späteren Betrieb der elektrostatische Aktorvorrichtung vermieden werden. Selbstverständlich können auch die oben bereits beschriebenen alternativen Verfahren zum vorteilhaften Bilden der Metallbeschichtung 330 ausgeführt werden.
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch zwei zusammen gehaltene Halbleitersubstrate zur Darstellung einer vierten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauelement. Die beiden Halbleitersubstrate 402 und 404 sind mittels einer Isolierschicht 400 fest miteinander verbunden. Das Befestigen der beiden Halbleitersubstrate 402 und 404 aneinander kann mittels eines Aufglasverfahrens, eines Lötverfahrens, eines Klebeverfahrens, eines eutektisches Bondverfahrens und/oder mittels eines Thermokompressionsbondens realisiert werden.
Nach einem Zusammenkoppeln der beiden Halbleitersubstrate 402 und 404 wird das obere Halbleitersubstrat 402 so geätzt, dass die später als Elektroden dienenden Halbleiterbereiche 406 und 408 und ein die Halbleiterbereiche 406 und 408 auf vier Seiten umgebendes Rahmenteil 410 aus dem Material des oberen Halbleitersubstrats 402 gebildet wird. Zum Ätzen der Halbleiterbereiche 406 und 408 und des Rahmenteils 410 wird auf das oben schon beschriebene Ätzverfahren verwiesen.
Anschließend kann eine (nicht skizzierte) Halbleiterschicht auf der dem zweiten Halbleitersubstrat 404 entgegen gesetzten Seite 412 des oberen Halbleitersubstrats 402 aufgebracht werden. Das Verfahren wird dann gemäß den schon anhand der Fig. 7C bis 7E erläuterten Schritten fortgesetzt.
Fig. 9 zeigt eine Draufsicht auf eine elektrostatische Aktorvorrichtung zur Veranschaulichung einer Funktionsweise einer elektrostatischen Aktorvorrichtung.
Die elektrostatische Aktorvorrichtung 500 umfasst vier als Elektroden ausgebildete elektrisch isolierte Halbleiterbereiche 502 bis 508, einen in einer Ebene unter den vier Halbleiterbereichen 502 bis 508 angeordneten Aktor 510 und einen Schutzrahmen 512. Der Schutzrahmen 512 umgibt die Halbleiterbereiche 502 bis 508 und den Aktor 510 auf vier Seiten. Auf der von dem Schutzrahmen 512 nicht abgedeckten Oberseite der Halbleiterbereiche 502 bis 508 und des Aktors 510 ist eine (nicht skizzierte) Isolierschicht angeordnet. Auch die Unterseite der Halbleiterbereiche 502 bis 508 und des Aktors 510 ist durch eine (nicht skizzierte) Schutzkapsel, beispielsweise ein Bodenhalbleitersubstrat mit einer Kaverne, abgedeckt. Die der Halbleiterbereiche 502 bis 508 und der Aktor 510 sind somit vor Ver- schmutzungen geschützt.
Die vier Halbleiterbereiche 502 bis 508 dienen zum gezielten Verstellen des Aktors 510 in zwei Raumrichtungen. Werden die Elektrodenbereiche 502 bis 508 nicht angesteuert, so befindet sich der Aktor 510 in seiner in Fig. 9 gezeigten Ausgangsstellung.
Beispielhaft wird hier die Funktionsweise der als Mikrospiegelvorrichtung ausgebildeten elektrostatischen Aktorvorrichtung 500 beschrieben:
Bei einem Zusammenschalten der Halbleiterbereiche 502 und 504 wird der Aktor 510 um seine Längsachse 514 in eine Richtung gedreht. Entsprechend dreht sich der Aktor 510 um seine Längsachse in die Gegenrichtung, wenn die Halbleiterbereiche 506 und 508 zusammen geschaltet werden.
Werden hingegen die Halbleiterbereiche 502 und 506 zusammengeschlossen, so wird der Aktor 510 horizontal leicht ausgelenkt. Entsprechend verhält sich der Aktor 510 auch bei einem Zusammen- schließen der Halbleiterbereiche 504 und 508.
Auf diese Weise kann ein auf dem Aktor 510 ausgebildeter (nicht skizzierter) Spiegel in alle drei Raumrichtungen verstellt werden. Die Anschlusspunkte 516 dienen dabei für eine gezielte Kontaktie- rung des Aktors 510 und der vier elektrisch isolierten Halbleiterbereiche 502 bis 508.

Claims

Ansprüche:
1. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement (100, 110, 500) mit den Schritten:
Bilden einer Isolierschicht (14, 302, 400) direkt auf einem ersten Halbleitersubstrat (10, 200, 300, 402); und
Ätzen mindestens eines Trenngrabens (26, 316) durch das erste Halbleitersubstrat (10, 200, 300, 402) zum Teilen des ersten Halbleitersubstrats (10, 200, 300, 402) in mindestens ein elektrisch isoliertes Mittelteil (28, 32 bis 38, 312, 314, 406,408, 502 bis 508) und ein das Mittelteil (28, 32 bis 38, 312, 314, 406,408, 502 bis 508) umgebendes Rahmenteil (24, 30, 318, 410).
2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine elektrisch isolierte Mittelteil (28, 32 bis 38, 312, 314, 406,408, 502 bis 508) als mindestens eine elektrisch isolierte Elektrode (32 bis 38, 312, 314, 406,408, 502 bis 508) ausgebildet wird.
3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, wobei die mindestens eine elektrisch isolierte Elektrode (32 bis 38, 312, 314, 406,408, 502 bis 508) kämm- oder dreiecksfόrmig ausgebildet wird.
4. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit den zusätzlichen Schritten:
Ätzen einer Kaverne (52) in ein Bodenhalbleitersubstrat (50);
Bilden einer Zwischenisolierschicht (54, 204, 306) auf einer Oberseite (56) des Bodenhalbleitersub- strats (50);
Befestigen eines zweiten Halbleitersubstrats (58, 210, 320, 404) auf der Zwischenisolierschicht (54, 204, 306);
Ätzen eines Aktors (66, 212, 322, 510) und eines den Aktor (66, 212, 322, 510) umgebenden Aktorrahmens (68, 216, 326) aus einem Material des zweiten Halbleitersubstrats (58, 210, 320, 404); und Befestigen des Rahmenteils (24, 30, 318, 410) auf einer Oberseite des Aktorrahmens (68, 216, 326).
5. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit den zusätzlichen Schritten:
Bilden einer Zwischenisolierschicht (54, 204, 306) auf einer der Isolierschicht (14, 302, 400) entgegen gerichteten Seite des Rahmenteils (24, 30, 318, 410);
Befestigen eines zweiten Halbleitersubstrats (58, 210, 320, 404) auf der Zwischenisolierschicht (54, 204, 306); und
Ätzen eines Aktors (66, 212, 322, 510) und eines den Aktor (66, 212, 322, 510) umgebenden Aktorrahmens (68, 216, 326) aus einem Material des zweiten Halbleitersubstrats (58, 210, 320, 404).
6. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, wobei das zweite Halbleitersubstrat (58, 210, 320, 404) mittels eines Aufglasverfahrens, eines Lötverfahrens, eines Klebeverfahrens, eines eutektisches Bondverfahrens und/oder mittels eines Thermokompressionsbondens auf der Zwischenisolierschicht (54, 204, 306) befestigt wird.
7. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei aus einer Richtung, welche mit einer Oberfläche der Zwischenisolierschicht (54, 204, 306) einen Winkel ungleich 90 Grad einschließt, eine
Metallschicht auf eine der Zwischenisolierschicht (54, 204, 306) entgegen gerichteten Seite des Aktors (66, 212, 322, 510) aufgesputtert wird.
8. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit den zusätzlichen Schritten:
Ausbilden der Isolierschicht (400) als Zwischenisolierschicht (400) durch Befestigen eines zweiten Halbleitersubstrats (58, 210, 320, 404) auf einer dem ersten Halbleitersubstrat (10, 200, 300, 402) entgegen gerichteten Seite der Isolierschicht (400) vor dem Ätzen des Trenngrabens (26, 316); und
Ätzen eines Aktors (66, 212, 322, 510) und eines den Aktor (66, 212, 322, 510) umgebenden Aktorrahmens (68, 216, 326) aus einem Material des zweiten Halbleitersubstrats (58, 210, 320, 404).
9. Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauelement (100, 110,500) mit den Schritten:
Ätzen mindestens einer Elektrodenstruktur (32 bis 38, 312, 314, 406,408, 502 bis 508) in eine Unterseite (202) eines ersten Halbleitersubstrats (10, 200, 300, 402); Bilden einer Zwischenisolierschicht (54, 204, 306) auf der Unterseite (202) des ersten Halbleitersubstrats (10, 200, 300, 402);
Befestigen eines zweiten Halbleitersubstrats (58, 210, 320, 404) an der Zwischenisolierschicht (54, 204, 306);
Ätzen mindestens eines Isoliergrabens (214) durch das zweite Halbleitersubstrat (58, 210, 320, 404) zum Bilden eines elektrisch isolierten Aktors (66, 212, 322, 510) und eines den Aktor (66, 212, 322, 510) umgebenden Aktorrahmens (68, 216, 326) aus einem Material des zweiten Halbleitersubstrats
(58, 210, 320, 404).
10. Mikromechanisches Bauelement (100, 110,500) mit
einer Isolierschicht (14, 302, 400);
einem in einem direkten Kontakt mit der Isolierschicht (14, 302, 400) angeordneten Rahmenteil (24, 30, 318, 410), welches aus einem Halbleitermaterial ausgebildet ist; und
mindestens einem von dem Rahmenteil (24, 30, 318, 410) umgebenen elektrisch isolierten Mittelteil (28, 32 bis 38, 312, 314, 406,408, 502 bis 508), welches in einem direkten Kontakt mit der Isolierschicht (14, 302, 400) angeordnet ist, mindestens mittels eines Trenngrabens (26, 316) von dem Rahmenteil (24, 30, 318, 410) getrennt ist und aus dem Halbleitermaterial ausgebildet ist.
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