WO2011064716A2 - Verfahren zur herstellung wenigstens einer kavität in einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen struktur und sensor oder aktor mit einer solchen kavität - Google Patents

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WO2011064716A2
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layer
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solid
actuator
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Andreas Hense
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Fachhochschule Bielefeld
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    • B81C2201/0109—Sacrificial layers not provided for in B81C2201/0107 - B81C2201/0108

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing at least one cavity in a microelectronic and / or micromechanical structure using at least one sacrificial layer.
  • the invention further relates to a sensor or actuator having at least one cavity formed using a sacrificial layer.
  • Acceleration sensors based on the spring / mass principle are based on the fact that a freely movable mass suspended on spring strips is deflected by the occurrence of an acceleration proportional to the acceleration. The deflection can be detected capacitively by placing an immovable substrate electrode with respect to the ground.
  • the disadvantage here is that it comes in the subsequent drying of the liquid solvent for sticking the movable mass to the substrate, which effect is described as a "sticking" - effect.
  • WO 96/30457 discloses a process for the temporary sealing or solidification of materials using protective substances which are readily volatile or sublime at room temperature or at a slightly elevated temperature. Sublimation involves a direct transfer of the substance from the solid to the gaseous state.
  • the protective materials listed in the document can be applied to a workpiece in the molten state or as an aqueous dispersion, or they seal or solidify the workpiece for a considerable time and then evaporate without the need for solvents.
  • Protective substances which are suitable for this purpose are according to the document Camphene, camphor, naphthalene, methylnaphthalene, cyclododecane, neopentyl alcohol, tricycline, menthol, thymol or diphenyl ether.
  • the protective layers mentioned can be used, for example, for sealing sensitive surfaces or porous substrates, as a volatile binder, in the field of metal processing as corrosion protection, in the field of theater or film scenes, as well as in advertising or in dyeing processes.
  • silicon dioxide as the sacrificial layer material in the production of which temperatures of more than 350 ° C. are used in the technology of Legtenberg and Tilman means that only temperature-resistant materials can be used in the described technology.
  • the object is achieved, on the one hand, by a method for producing at least one cavity in a microelectronic and / or micromechanical structure using at least one sacrificial layer, wherein the sacrificial layer is formed from at least one solid which sublimates below its melting temperature at a sublimation rate of at least 1 nm / h, and wherein the subliming solid has a melting temperature in a range of 18 ° C to 200 ° C.
  • the inventive method is characterized in that the sacrificial layer, which is formed from the subliming solid, similar to known in the prior art sacrificial layers, can be used to provide a placeholder during the construction of a microelectronic and / or micromechanical structure on which further layers or layer sequences can be applied.
  • the sacrificial layer By sublimating the sacrificial layer below its melting temperature at a sublimation rate of at least 1 nm / h, it can be removed from the trainee cavity without the need for a liquid solvent.
  • the sacrificial layer is sublimated at temperatures below the melting temperature of the material of the sacrificial layer.
  • the material of the sacrificial layer becomes volatile in technologically acceptable time limits and a self-supporting sensor or actuator structure is obtained.
  • the subliming solid has a melting temperature in a range of 18 ° C to 200 ° C. Such solids thus have a technically utilizable sublimation behavior at relatively low temperatures.
  • the subliming solid can therefore be used as a sacrificial layer in technologies such as polymer microsystem technology in which the materials used have limited temperature stability. It is particularly advantageous if the subliming solid is a subliming solid subliming in a temperature range of 18 ° C to 25 ° C at a sublimation rate of at least 1 nm / hr.
  • the solid sublimates at room temperature and the sacrificial layer decomposes without requiring heating of the structure.
  • Particularly suitable materials for forming the sacrificial layer have been materials such as camphene, camphor, cyclododecane, naphthalene, methylnaphthalene, neopentyl alcohol, tricyclene, menthol, thymol or diphenyl ether and / or a mixture of at least two of these materials. These materials are characterized by the fact that they can be applied, for example, in dissolved or molten form by conventional means to a substrate and exhibit a technically usable sublimation behavior at room temperature.
  • At least one conductive layer is applied to a substrate; at least one insulator layer is applied to the conductive layer and applied structured or structured to form a free space on the conductive layer; introduced into the free space of the at least one sublimating solid in a molten, dissolved, dispersed, waxy or gelatinous state or introduced into the free space and melted therein, dissolved or dispersed; the subliming solid solidified to form the sacrificial layer; at least on the sacrificial layer applied a cover layer and sublimated the sacrificial layer.
  • acceleration or pressure sensors can be produced with this technology, wherein the conductive layer initially applied to the substrate can be used as a counterelectrode to a movable electrode of the sensor to be formed formed from the cover layer.
  • the conductive layer initially applied to the substrate can be used as a counterelectrode to a movable electrode of the sensor to be formed formed from the cover layer.
  • the subliming solid is planarized and / or compacted before its solidification in the free space with a punch or a roller.
  • a stable sacrificial layer with a planar surface can be realized, which represents a good basis for subsequent process steps and / or structuring of the sacrificial layer.
  • the stamp or the roll is preferably cooled below room temperature (18 ° C to 25 ° C) and / or has a thermal conductivity of at least 1 W / mK.
  • Particularly diverse structures can be produced in this process by introducing a negative structure corresponding to a structure to be formed into the solidifying subliming solid by the stamp or the roll. It is thus possible, for example, to introduce relief structures or surface modifications into the sacrificial layer during the solidification process by means of the stamp or the roller, after which the layer subsequently applied to the sacrificial layer acquires a shape corresponding to the relief structure or the surface modification.
  • the cover layer with increased adhesive strength can be applied to the sacrificial layer and the stability of the structure to be formed can be improved.
  • the stamp or the roll can be wetted with an adhesion promoter before the respective contact with the subliming solid.
  • the planarization and / or densification of the sacrificial layer simultaneously increases the adhesive strength of layers deposited on the sacrificial layer.
  • microelectronic and / or micromechanical structures can be produced if the cover layer is formed from a conductive or piezoelectric polymer.
  • a conductive or piezoelectric polymer Such materials have hitherto rarely been used in microelectronics and / or micromechanics because they have only a limited temperature stability.
  • conductive or piezoelectric polymers in which structurally relatively low temperatures are used, it is now also possible to suitably use conductive or piezoelectric polymers in microelectronic and / or micromechanical structures as polymeric functional layers.
  • the cover layer is formed by sintering metals or metal alloys in a temperature range of 90 ° C to 150 ° C.
  • the sintering process thus makes it possible to form an electrically conductive covering layer at relatively low temperatures.
  • the conductive layer can also be produced by sputtering or laminating films.
  • the cover layer is patterned or patterned onto at least one breakthrough in the cover layer on the not yet sublimated sacrificial layer, the sacrificial layer not yet sublimated being deposited. Due to the breakthrough in the cover layer, the sublimated material of the sacrificial layer can easily escape. Furthermore, the breakthrough can be used as part of the cover structure formed on the sacrificial layer.
  • the substrate and the at least one insulator layer applied to the substrate have at least one opening extending to the sacrificial layer and the cover layer on the sacrificial layer is formed closed. In this way, structures with one or more inner cavities can be formed, wherein the structures are covered by the closed cover layer above.
  • cover layer at least one further sacrificial layer of a sublimating in a temperature range of 18 ° C to 25 ° C solid and at least one other cover layer.
  • cover layer at least one further sacrificial layer of a sublimating in a temperature range of 18 ° C to 25 ° C solid and at least one other cover layer.
  • a sensor or actuator having at least one cavity formed using a sacrificial layer, wherein the sacrificial layer is formed of at least one below its melting temperature at a sublimation rate of at least 1 nm / h sublimating solid, and wherein the subliming solid has a melting temperature in a range of 18 ° C to 200 ° C.
  • the sacrificial layer can be formed from materials which, due to their low temperature resistance, could hitherto not be used in microelectronic and / or micromechanical structures. This applies in particular to polymeric functional layers which are typically temperature-resistant up to a maximum of 200 ° C.
  • the sensor or actuator according to the invention with the same quality and structural accuracy as previously known sensors or actuators can be formed, the technology for its production in comparison to previously known technologies is significantly simplified, since there is no special for the removal of the sacrificial layer from the cavity to be formed technological steps are needed, but the sacrificial layer itself dissolves.
  • the senor or actuator according to the invention has at least one freestanding and / or movable cover layer made of a conductive or piezoelectric polymer.
  • acceleration, yaw, and / or pressure sensors, buttons or switches, three-dimensionally integrated structures, polymer-based pump or valve arrangements can be produced, for example.
  • the senor or actuator according to the invention is formed on a substrate in or on which an active electronics is integrated.
  • a controller and / or evaluation electronics can be integrated directly into or on the chip, on which the sensor or actuator is located.
  • FIG. 1 schematically shows steps of a variant of a technology sequence according to the invention, for example for producing an acceleration sensor
  • Figure 2 shows schematically steps of another possible embodiment of the method according to the invention using a stamp structure
  • FIG. 3 schematically shows another possible technology sequence according to the invention, for example for producing a pressure sensor
  • Figure 4 shows schematically an example of a probe made according to the invention
  • FIG. 5 shows schematically technology steps according to a further embodiment of the method according to the invention for producing a microelectronic and / or micromechanical structure with several levels and closed ceiling;
  • FIG. 6 schematically shows steps of a further possible sequence of the technology of the method according to the invention, for example for producing a pump or valve arrangement.
  • Fig. 1 shows schematically technology steps 1 a to 1 g of a possible embodiment of the method according to the invention, which can be used for example for the production of acceleration sensors.
  • a conductive layer 2 is applied to a substrate 1 whose material is variable.
  • the substrate 1 is a polymer substrate which is formed, for example, from PA, PVC, PP, PET or PEN.
  • the conductive layer 2 used in the example of FIG. 1a is a conductive polymer layer, such as PEDOT: PSS or polyaniline (PANI).
  • the conductive layer 2 may also be a copper layer or another, preferably structurable, metal or metal alloy layer.
  • the conductive layer 2 can be patterned by etching, for example, or applied in a structured manner, for example by printing processes.
  • an insulator layer 3 is first applied to the conductive layer 2.
  • the thickness of the insulator layer 3 determines the future distance between the movable sensor or actuator structure and the conductive layer 2 used as the substrate electrode.
  • the insulator layer 3 is patterned, for example by etching, wherein at least one structure is formed by the patterning Free space 4 is formed, which defines the lateral and vertical dimensions of a cavity to be formed of a microelectronic and / or micromechanical structure.
  • a subliming solid 5 is introduced into the free space 4 in the molten, dissolved, dispersed, waxy or gel state or introduced into the free space 4 and melted, dissolved or dispersed therein.
  • the introduction of the subliming solid 5 into the free space 4 can take place, for example, by means of ink-jet printing technology.
  • the subliming solid 5 may also be applied by spin coating, dipping, knife coating or spraying.
  • the sublimating solid 5 is formed in the embodiment of cyclododecane shown in Fig. 1 b.
  • the subliming solid 5 may also be another preferably sublimating at room temperature hydrocarbon such as camphene, camphor, naphthalene, methylnaphthalene, neopentyl alcohol, tricycles, menthol, thymol or diphenyl ether and / or a mixture of at least two be the aforementioned materials.
  • the subliming solid 5 is characterized in that it sublimates below its melting temperature with a sublimation rate of at least 1 nm / h, preferably of 1 ⁇ / h.
  • the subliming solid 5 to be used according to the invention has a melting temperature in the range from 18 ° C. to 200 ° C.
  • the subliming solid 5 used in the embodiment shown is in a temperature range from 18 ° C to 25 ° C, that is to say at room temperature, with a sublimation rate of at least 1 nm / h, preferably of 1 ⁇ mol / h, subliming solid.
  • the subliming solid 5 is pressed into the free space 4, as it is indicated by the arrows A, before it solidifies with the aid of a roller or a punch 6, and is thereby planarized.
  • a stamp at room temperature (18 ° C to 25 ° C) cooled and at the same time highly thermally conductive stamp 6 occurs during contact to the solidification of the subliming solid 5 and at the same time to its compression.
  • the material of the subliming solid 5 becomes the sacrificial layer 5 '.
  • a cover layer 7 is applied to the sacrificial layer 5 ', the cover layer 7 preferably being formed from a conductive or piezoelectric polymer or another organic layer.
  • the cover layer 7 may also be formed from a semiconductive or insulating polymer or an organic small molecule.
  • the cover layer 7 is initially an aqueous PEDOT: PSS dispersion.
  • another material such as another polymer layer such as PANI, can be used as cover layer 7.
  • the cover layer 7 is either structured on the sacrificial layer 5 'and the side of the sacrificial layer 5' located insulator material applied 3 or applied over the entire surface of the sacrificial layer 5 'and the insulator layer 3 and structured below.
  • the application of the cover layer 7 can be done for example by printing.
  • the structuring can be carried out in the method according to the invention, for example by means of printing or photolithography processes.
  • At least one aperture 8 is formed in the cover layer 7 during structuring, through which the sacrificial layer 5 'is at least partially in contact with the ambient air.
  • the cover layer 7 subsequently forms, for example, a spring / mass structure of an acceleration sensor structure to be formed.
  • the sacrificial layer 5 ' is degraded by sublimation.
  • the sublimation here basically takes place at room temperature, but can be intensified by raising the temperature.
  • the removal of the gaseous sublimate 9 takes place in the example of FIG. 1 via the at least one opening 8 in the cover layer 7 and / or the outer regions of the structure.
  • a cantilevered, vertically movable B electrode 7 ' is formed, which together with the substrate electrode formed of the conductive layer 2 gives a variable capacitance.
  • FIG. 2 shows schematically method steps of a further embodiment of the method according to the invention, for example for producing an acceleration sensor.
  • a conductive layer 2 and an insulator layer 3 are applied to a substrate 1, the insulator layer 3 is structured to form a free space 4 or the insulator layer 3 structured deposited on the conductive layer.
  • a subliming solid 5 in the molten, dissolved, dispersed, waxy or gel state is introduced into the clearance 4 or introduced into the clearance 4 and melted, dissolved or dispersed therein.
  • the material the properties and the technologies that can be used for applying the subliming solid 5, reference is made to the above statements regarding FIG. 1.
  • FIG. 2b shows a next method step in which a stamp 6 'is pressed onto the subliming solid 5 in accordance with the arrows marked A.
  • the punch 6 ' has on its side facing the subliming solid 5 a surface relief 10 with which a negative structure 11 corresponding to a structure to be formed is introduced into the solidifying subliming solid 5 by the punch 6'.
  • the structured areas of the punch 6 ' is a planarization of the surface of the subliming solid 5.
  • the material of the subliming solid 5 is compacted by the punch 6'.
  • a bonding agent 12 is also provided on the side of the stamp 6 'facing the subliming solid 5, with which the stamp 6' is wetted prior to its contact with the subliming solid 5.
  • FIG. 2 c shows the structure from FIG. 2 b after the solidification of the subliming solid 5, forming a sacrificial layer 5 'in the free space defined by the structured insulator layer 3.
  • a covering material 7 ' is subsequently introduced into the negative structure 1 1 formed in the sacrificial layer 5', which subsequently forms, for example, a movable electrode of an acceleration sensor to be produced.
  • a conductive or piezoelectric polymer such as, for example, a PEDOT: PSS dispersion, can be used as the covering material T.
  • the material of the sacrificial layer 5 ' is degraded by sublimation.
  • the sublimate escapes 9.
  • the result is a structure such as the acceleration sensor 13 'shown schematically in FIG. 2f with a freely movable electrode formed from the cover layer T and a fixed electrode formed from the conductive layer 2 opposite this electrode.
  • FIGS. 3 a to 3 c schematically show method steps of a further embodiment of the method according to the invention, which is used here to form a pressure sensor 14.
  • a conductive layer 2 is first applied to a substrate 1, which may be formed from any desired material.
  • a substrate 1 may be formed from any desired material.
  • the substrate 1 and the conductive layer 2 may subsequently be patterned or already pre-patterned to form a channel 17 leading through the substrate 1 and the conductive layer 2.
  • an insulator layer 3 is applied or applied to the conductive layer 2 in a structured manner, wherein a space is defined by the insulator layer 3, which is a placeholder for providing a sacrificial layer and forming an insulator layer Fig. 3c shown cavity 16 represents.
  • a subliming solid 5 is introduced into the free space, which is compacted and planarized by a roller or punch 6 to form a sacrificial layer 5 '.
  • a bonding agent 12 and then a cover layer 7 is applied such that the sacrificial layer 5' is completely covered.
  • the cover layer 7 sublimates the sacrificial layer 5 ', whereby in this embodiment of the invention the sublimate 9 escapes from the structure both through the channel 17 downwards and on the structural side edges.
  • the sublimation of the sacrificial layer 5 ' prevents the covering layer 7 from sticking to the conductive layer 2.
  • the result is a structure, such as the pressure sensor 14 shown schematically in Fig. 3c with a cavity 16, which is covered upwards in area by acting as a pressure-sensitive membrane cover layer 7.
  • a pressure difference between the front and back can be applied to the structure and these are detected by an example provided in or on the substrate electronics.
  • the principle according to the invention can also be used with yaw rate sensors.
  • yaw rate sensors for other sensor types free-standing structures for thermal, mechanical, electrical or acoustic isolation of substrate and support, as for temperature and flow sensors, advantageous.
  • FIG. 4 schematically shows, in addition to FIG. 3, a probe 14 'produced with the technology sequence from FIG. 3, whose cover layer 7 can be used as a feeler membrane, on which a force can be exerted according to the arrow D, which is capacitive over the conductive Layer 2 can be detected.
  • Fig. 5 shows schematically another possibility of using the method according to the invention to form a multiple structure.
  • a conductive layer 2 is first applied to a substrate 1.
  • the substrate 1 and the conductive layer 2 can subsequently be patterned or already prestructured to form a channel 1 7, similar to that described above for FIG. 3 a.
  • FIGS. 1 to 3 With regard to the materials and technology steps used for this purpose, reference is made to the above statements to FIGS. 1 to 3.
  • an insulator layer 3 is applied to the conductive layer 2 and patterned or patterned deposited on the conductive layer.
  • the insulator layer 3 initially defines a first subregion 4a of a free space, which serves to receive a subliming solid 5.
  • subliming solid 5 is planarized and compacted, whereupon a cover layer 7 deposited and structured or structured on the solid 5 is deposited.
  • the process of depositing an insulator layer 3, introducing a subliming solid 5 into one or more subareas 4b, 4c of a free space and applying the cover layer 7 can be repeated several times in this variant of the method according to the invention, whereby ultimately the entire clearance 4a, 4b, 4c is filled with the solidified sublimating solid 5 to form a sacrificial layer 5 'present in several planes.
  • the uppermost cover layer 7 covering the layer stack is, in the exemplary embodiment shown, designed such that it has no breakthrough and thus covers the sacrificial layer 5 'in a planar manner.
  • the sacrificial layer 5 ' subsequently sublimates, whereby the sublimate 9 can escape laterally out of the structure as well as through the channel 17.
  • a cavity 18 extending over several levels is formed in the regions defined by the sacrificial layer 5 '.
  • the technology according to the invention can also be used for the three-dimensional integration of sensor and / or actuator structures, as shown in FIG. 5c.
  • FIG. 6 shows schematically a further process sequence that can be realized with the method according to the invention, which can be used, for example, for the production of actuators, such as pump and / or valve arrangements.
  • a substrate 1 the material of which is variable, is formed to form channels 19, 20, which both open into the substrate surfaces 21, 22 and communicate with the structure sides 23, 24.
  • a channel 25 may also be formed through the entire substrate 1.
  • structural elements such as, for example, movable structural elements 26, 26 ', are subsequently formed on the substrate upper and lower sides 21, 22.
  • the distance of the structural elements 26, 26 'to the substrate top and bottom 21, 22 defined by sacrificial layers 5' a, 5'b of a subliming solid.
  • a further layer structure consisting of an insulator layer 3 ', which is patterned or patterned, is applied to further sacrificial layers 5' c, both on the upper side and on the underside of the structure illustrated in FIG. 5'd and respective cover layers 7 applied, wherein the cover layers 7, the sacrificial layers 5'c, 5'd cover area.
  • the sacrificial layer material subsequently sublimates and escapes as a sublimate 9 laterally as well as out of the channels 19, 20 to the outside.
  • a cavity 27 is formed between the substrate 1, the structural elements 26, 26 'and the respective cover layers 7.
  • Fig. 6e shows the structure of Fig. 6d after complete removal of the sacrificial layers 5'a, 5'b, 5'c and 5'd.
  • a pump and / or valve arrangement 29 is produced, which, as indicated by the arrows E, can be activated via the covering layers 7 functioning as membranes.
  • the pump and / or valve arrangement shown schematically in FIG. 6 e has the advantage over conventional structures that polymeric functional layers are used here for the formation of the structural elements 26, 26 'as well as for the cover layers 7, as described above for FIGS. 1 to 5 can be used, since even in this variant of the method according to the invention find significantly lower temperatures ( ⁇ 200 ° C) than in the classic microsystem technology application.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einer Kavität in einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur unter Verwendung wenigstens einer Opferschicht sowie einen hiermit hergestellten Sensor oder Aktor. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches Verfahren beziehungsweise einen solchen Sensor oder Aktor zur Verfügung zu stellen, wobei die Opferschicht einen ausreichenden Abstand zwischen den Strukturelementen während der Präparation der mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur zur Verfügung stellt, die Opferschicht leicht zu entfernen ist und darüber hinaus auf möglichst einfache Weise ein Anhaften der Strukturelemente nach Entfernen der Opferschicht vermieden werden kann, wobei die Verfahrensschritte bei möglichst niedrigen Temperaturen ausführbar sein sollen, um beispielsweise polymere Funktionsschichten zur Ausbildung eines Sensors oder Aktors einsetzen zu können. Die Aufgabe wird einerseits durch ein gattungsgemäßes Verfahren und andererseits durch einen Sensor oder Aktor der oben genannten Gattung gelöst, wobei die Opferschicht aus wenigstens einem unterhalb seiner Schmelztemperatur mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1nm/h sublimierenden Feststoff ausgebildet wird, und wobei der sublimierende Feststoff eine Schmelztemperatur in einem Bereich von 18°C bis 200°C aufweist.

Description

Verfahren zur Herstellung wenigstens einer Kavität in einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur und Sensor oder Aktor mit einer solchen
Kavität
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einer Kavität in einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur unter Verwendung wenigstens einer Opferschicht. Die Erfindung betrifft ferner einen Sensor oder Aktor mit wenigstens einer unter Verwendung einer Opferschicht ausgebildeten Kavität.
Verfahren der oben genannten Gattung werden beispielsweise im Stand der Technik zur Herstellung von Beschleunigungssensoren angewendet. Beschleunigungssensoren nach dem Feder/Masse-Prinzip beruhen darauf, dass eine an Federbändern aufgehangene frei bewegliche Masse durch das Auftreten einer Beschleunigung proportional zur Beschleunigung ausgelenkt wird. Die Auslenkung kann kapazitiv dedektiert werden, wenn man gegenüber der Masse eine unbewegliche Substratelektrode anordnet. Um die Masse frei beweglich zu gestalten, ist es Stand der Technik in der Oberflächenmikrosystemtechnik, eine Opferschicht zwischen Masse und Substratelektrode zu platzieren, die am Ende des Präparationsvorganges herausgeätzt oder gelöst wird, wobei eine Kavität zwischen Masse und Substratelektrode ausgebildet wird. Nachteilig ist hierbei, dass es beim anschließenden Trocknen des flüssigen Lösungsmittels zum Ankleben der beweglichen Masse am Substrat kommt, welcher Effekt als„sticking"- Effekt beschrieben wird.
Darüber hinaus ist aus der Druckschrift WO 96/30457 ein Verfahren zur zeitweiligen Versiegelung oder Verfestigung von Materialien unter Verwendung von Schutzstoffen bekannt, die bei Raumtemperatur oder wenig erhöhter Temperatur leicht flüchtig sind bzw. sublimieren. Bei der Sublimation erfolgt ein unmittelbarer Übergang des Stoffes vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand. Die in der Druckschrift aufgeführten Schutzstoffe können im geschmolzenen Zustand oder als wässrige Dispersion auf ein Werkstück aufgebracht werden, versiegeln oder verfestigen das Werkstück für eine geraume Zeit und verdampfen anschließend, ohne dass Lösungsmittel hierfür eingesetzt werden müssen. Schutzstoffe, die sich hierfür eignen, sind gemäß der Druckschrift Camphen, Campher, Naphtalin, Methylnaphtalin, Cyclododecan, Neopentylalkohol, Tricyclin, Menthol, Thymol oder Diphenylether. Nach dieser Druckschrift können die genannten Schutzschichten beispielsweise zur Versiegelung empfindlicher Oberflächen oder poröser Untergründe, als flüchtiges Bindemittel, im Bereich der Metallverarbeitung als Korrosionsschutz, im Bereich der Theater- oder Filmkulissen sowie in der Werbung oder bei Färbeverfahren angewendet werden.
Der Artikel„Electrostatically driven vacuum-encapsulated polysilicon resonators; Part I. Design and fabrication" von Rob Legtenberg und Harry A.C. Tilman in Sensors and Actuators A 45 (1994), S. 57-66 beschreibt eine Technologie zur Herstellung von Resonatorstrukturen, bei welcher zunächst die aus SiO2 ausgebildeten Opferschichten zwischen freien Strukturelementen mittels HF-Lösungen geätzt werden und nachfolgend in Dl-Wasser gespült werden, um die Ätzlösung zu entfernen. Dem Dl-Wasser wird Isopropylalkohol zugesetzt, um die hydrophobe Waferoberfläche nach ihrem Entnehmen aus der Lösung nass zu halten. Danach werden die Wafer in Cyclohexan platziert und daraufhin auf ein Peltier-Element aufgebracht, welches auf 5°C gekühlt ist. Nachfolgend wird mit Hilfe eines Stickstoffflusses eine Sublimation des Cyclohexans bewirkt und die Cyclohexandämpfe werden weggespült. Auf diese Weise soll ein Anhaften der freien Strukturelemente der herzustellenden Resonatorstruktur nach dem Ätzen und Reinigen verhindert werden.
Dadurch, dass auch in der Technologie von Legtenberg und Tilman Siliziumdioxid als Opferschichtmaterial verwendet wird, bei dessen Herstellung Temperaturen von über 350 °C angewendet werden, können bei der beschriebenen Technologie nur entsprechend temperaturbeständige Materialien zum Einsatz kommen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einer Kavität in einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur unter Verwendung wenigstens einer Opferschicht sowie einen Sensor oder Aktor mit wenigstens einer unter Verwendung einer Opferschicht ausgebildeten Kavität zur Verfügung zu stellen, wobei die Opferschicht einen ausreichenden Abstand zwischen den Strukturelementen während der Präparation der mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur zur Verfügung stellt, die Opferschicht leicht zu entfernen ist und darüber hinaus auf möglichst einfache Weise ein Anhaften der Strukturelemente nach Entfernen der Opferschicht vermieden werden kann, wobei die Verfahrensschritte bei möglichst niedrigen Temperaturen ausführbar sein sollen, um beispielsweise polymere Funktionsschichten zur Ausbildung eines Sensors oder Aktors einsetzen zu können.
Die Aufgabe wird einerseits durch ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einer Kavität in einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur unter Verwendung wenigstens einer Opferschicht gelöst, wobei die Opferschicht aus wenigstens einem unterhalb seiner Schmelztemperatur mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h sublimierenden Feststoff ausgebildet ist, und wobei der sublimierende Feststoff eine Schmelztemperatur in einem Bereich von 18 °C bis 200 °C aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Opferschicht, die aus dem sublimierenden Feststoff ausgebildet ist, ähnlich wie im Stand der Technik bekannte Opferschichten, dazu genutzt werden kann, während des Aufbaues einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur einen Platzhalter zur Verfügung zu stellen, auf welchem weitere Schichten oder Schichtfolgen aufgebracht werden können. Indem die Opferschicht unterhalb ihrer Schmelztemperatur mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h sublimiert, kann diese, ohne dass ein flüssiges Lösungsmittel nötig ist, aus der auszubildenden Kavität entfernt werden. So wird beispielsweise nach der Strukturierung eines Sensors oder Aktors die Opferschicht bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des Materials der Opferschicht sublimiert. Dabei wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren das Material der Opferschicht in technologisch akzeptablen Zeitgrenzen flüchtig und man erhält eine freitragende Sensor- oder Aktorstruktur.
Hierbei ist es besonders von Vorteil, dass der sublimierende Feststoff eine Schmelztemperatur in einem Bereich von 18°C bis 200 °C aufweist. Derartige Feststoffe weisen somit bei relativ niedrigen Temperaturen ein technisch verwertbares Sublimationsverhalten auf. Der sublimierende Feststoff kann daher als Opferschicht in Technologien wie der Polymer-Mikrosystemtechnik eingesetzt werden, in welchen die verwendeten Materialien eine begrenzte Temperaturbeständigkeit aufweisen. Es ist ganz besonders von Vorteil, wenn der sublimierende Feststoff ein in einem Temperaturbereich von 18°C bis 25 °C mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h sublimierender Feststoff ist. Somit sublimiert der Feststoff bei Raumtemperatur und die Opferschicht zersetzt sich, ohne dass ein Aufheizen der Struktur erforderlich ist.
Als besonders geeignete Materialien zur Ausbildung der Opferschicht haben sich Materialien wie Camphen, Campher, Cyclododecan, Naphtalin, Methylnaphtalin, Neopentylalkohol, Tricyclen, Menthol, Thymol oder Diphenylether und/oder eine Mischung aus wenigstens zwei dieser Materialien erwiesen. Diese Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie beispielsweise in gelöster oder geschmolzener Form mit herkömmlichen Mitteln auf einen Untergrund aufgebracht werden können und bei Raumtemperatur ein technisch nutzbares Sublimationsverhalten aufzeigen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf ein Substrat wenigstens eine leitfähige Schicht aufgebracht; auf die leitfähige Schicht wenigstens eine Isolatorschicht aufgebracht und unter Ausbildung eines Freiraumes auf der leitfähigen Schicht strukturiert oder strukturiert aufgebracht; in den Freiraum der wenigstens eine sublimierende Feststoff in geschmolzenem, gelöstem, dispergiertem, wachsförmigem oder gelförmigem Zustand eingebracht oder in den Freiraum eingebracht und darin geschmolzen, gelöst oder dispergiert; der sublimierende Feststoff unter Ausbildung der Opferschicht zum Erstarren gebracht; wenigstens auf die Opferschicht eine Deckschicht aufgebracht und die Opferschicht sublimiert. Mit dieser Technologie können beispielsweise Beschleunigungs- oder Drucksensoren hergestellt werden, wobei die zunächst auf das Substrat aufgebrachte leitfähige Schicht als Gegenelektrode zu einer aus der Deckschicht ausgebildeten beweglichen Elektrode des auszubildenden Sensors genutzt werden kann. Dabei ist man gemäß der vorgeschlagenen Technologieabfolge relativ frei, in welcher Form und mit welchem Verfahren der sublimierende Feststoff in den Freiraum eingebracht wird.
Es ist bei dieser Verfahrensvariante besonders günstig, wenn der sublimierende Feststoff vor dessen Erstarren in dem Freiraum mit einem Stempel oder einer Rolle planarisiert und/oder verdichtet wird. Hiermit kann eine stabile Opferschicht mit planer Oberfläche realisiert werden, welche eine gute Grundlage für nachfolgende Prozessschritte und/oder eine Strukturierung der Opferschicht darstellt. Es ist hierbei vorteilhaft, wenn der Stempel oder die Rolle vorzugsweise unter Raumtemperatur (18 °C bis 25°C) gekühlt ist und/oder eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 1 W/mK aufweist. Durch die Verwendung eines solchen Stempels oder einer solchen Rolle kann durch die rasche Abkühlung eine schnelle Verfestigung der Opferschicht realisiert werden, was zum Ausbilden einer amorphen Opferschicht führt. Hierdurch kann eine Kristallisierung der Opferschicht, welche beispielsweise mit einer Whiskerbildung verbunden ist, verhindert werden.
Besonders vielfältige Strukturen lassen sich bei diesem Verfahren dadurch erzeugen, wenn durch den Stempel oder die Rolle eine einer auszubildenden Struktur entsprechende Negativstruktur in den erstarrenden sublimierenden Feststoff eingebracht wird. So ist es beispielsweise möglich, durch den Stempel oder die Rolle Reliefstrukturen oder Oberflächenmodifikationen in die Opferschicht während des Erstarrungsvorganges einzubringen, wonach die auf die Opferschicht nachfolgend aufgebrachte Schicht eine der Reliefstruktur oder der Oberflächenmodifikation entsprechende Form erhält.
Bei verschiedenen Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung empfiehlt es sich, vor dem Aufbringen der Deckschicht wenigstens einen Haftvermittler auf die Opferschicht aufzubringen oder eine Oberflächenbehandlung der Opferschicht zum Erhöhen der Haftfestigkeit auszuführen. Hierdurch kann die Deckschicht mit erhöhter Haftfestigkeit auf die Opferschicht aufgebracht und die Stabilität der auszubildenden Struktur verbessert werden.
Um dies zu realisieren, kann beispielsweise der Stempel oder die Rolle mit einem Haftvermittler vor dem jeweiligen Kontakt mit dem sublimierenden Feststoff benetzt werden. So kann in einem Arbeitsschritt beim Planarisieren und/oder Verdichten der Opferschicht gleichzeitig die Haftfestigkeit von auf der Opferschicht abgeschiedenen Schichten erhöht werden.
Erfindungsgemäß können besonders vorteilhafte mikroelektronische und/oder mikromechanische Strukturen erzeugt werden, wenn die Deckschicht aus einem leitfähigen oder piezoelektrischen Polymer ausgebildet wird. Derartige Materialien finden bisher in der Mikroelektronik und/oder Mikromechanik nur sehr selten Anwendung, da sie nur eine begrenzte Temperaturstabilität aufweisen. Infolge des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem bei der Strukturierung relativ niedrige Temperaturen zum Einsatz kommen, ist es nun auch möglich, leitfähige oder piezoelektrische Polymere geeignet in mikro-elektronischen und/oder mikromechanischen Strukturen als polymere Funktionsschichten zur Anwendung zu bringen.
In einer weiteren vorteilhaften Variante der vorliegenden Erfindung wird die Deckschicht durch Sintern von Metallen oder Metalllegierungen in einem Temperaturbereich von 90 °C bis 150 °C ausgebildet. Der Sinterprozess ermöglicht somit ein Ausbilden einer elektrisch leitfähigen Deckschicht bei relativ niedrigen Temperaturen. Desweiteren kann die leitfähige Schicht auch durch Sputtern oder Laminieren von Folien erzeugt werden.
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird die Deckschicht unter Ausbildung wenigstens eines Durchbruches in der Deckschicht auf der noch nicht sublimierten Opferschicht strukturiert oder strukturiert auf, der noch nicht sublimierten Opferschicht abgeschieden. Durch den Durchbruch in der Deckschicht kann das sublimierte Material der Opferschicht leicht entweichen. Ferner kann der Durchbruch als Bestandteil der auf der Opferschicht ausgebildeten Deckstruktur genutzt werden.
In einer anderen Variante der Erfindung weisen das Substrat und die wenigstens eine auf dem Substrat aufgebrachte Isolatorschicht wenigstens einen, bis an die Opferschicht reichenden Durchbruch auf und die Deckschicht auf der Opferschicht wird geschlossen ausgebildet. Auf diese Weise können Strukturen mit einer oder mehreren inneren Kavitäten ausgebildet werden, wobei die Strukturen durch die geschlossene Deckschicht oben abgedeckt sind.
Es ist ferner erfindungsgemäß möglich, auf die Deckschicht wenigstens eine weitere Opferschicht aus einem in einem Temperaturbereich von 18 °C bis 25 °C sublimierenden Feststoff und wenigstens eine weitere Deckschicht aufzubringen. Somit können Strukturen mit mehreren Ebenen ausgebildet werden, wobei in jeder der Ebenen eine Kavität ausgebildet werden kann und/oder die einzelnen Kavitäten miteinander verbunden werden können. So ist es mit dieser Technologievariante beispielsweise möglich, Pumpen- oder Ventilanordnungen auszubilden. Die Aufgabe wird zudem durch einen Sensor oder Aktor mit wenigstens einer unter Verwendung einer Opferschicht ausgebildeten Kavität gelöst, wobei die Opferschicht aus wenigstens einem unterhalb seiner Schmelztemperatur mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h sublimierenden Feststoff ausgebildet ist, und wobei der sublimierende Feststoff eine Schmelztemperatur in einem Bereich von 18 °C bis 200°C aufweist.
Der erfindungsgemäße Sensor oder Aktor kann durch die geringen, für seine Herstellung benötigten Temperaturen aus Materialien ausgebildet werden, die auf Grund ihrer geringen Temperaturbeständigkeit bisher nicht in mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Strukturen zum Einsatz kommen konnten. Dies betrifft insbesondere polymere Funktionsschichten, welche typischerweise bis maximal 200 °C temperaturbeständig sind. Dabei kann der erfindungsgemäße Sensor oder Aktor mit gleicher Qualität und Strukturgenauigkeit wie bisher bekannte Sensoren oder Aktoren ausgebildet werden, wobei die Technologie zu seiner Herstellung im Vergleich zu bisher bekannten Technologien bedeutend vereinfacht ist, da es für das Entfernen der Opferschicht aus der auszubildenden Kavität keiner besonderen technologischen Schritte bedarf, sondern sich die Opferschicht selbst auflöst.
Es ist besonders von Vorteil, wenn der erfindungsgemäße Sensor oder Aktor wenigstens eine freistehende und/oder bewegliche Deckschicht aus einem leitfähigen oder piezoelektrischen Polymer aufweist. Auf diese Weise können beispielsweise Beschleunigungs-, Drehrate-, und/oder Drucksensoren, Taster oder Schalter, dreidimensional integrierte Strukturen, Pumpen- oder Ventilanordnungen auf Polymerbasis hergestellt werden.
Hierbei ist es besonders günstig, wenn der erfindungsgemäße Sensor oder Aktor auf einem Substrat ausgebildet ist, in oder auf welchem eine aktive Elektronik integriert ist. Damit kann eine Steuerung und/oder Auswertelektronik direkt in oder auf dem Chip integriert werden, auf welchem sich der Sensor oder Aktor befindet.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand der Figuren der Zeichnungen näher erläutert, wobei Figur 1 schematisch Schritte einer Variante einer erfindungsgemäßen Technologieabfolge, beispielsweise zur Herstellung eines Beschleunigungssensors, zeigt;
Figur 2 schematisch Schritte einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung einer Stempelstruktur zeigt;
Figur 3 schematisch eine weitere mögliche erfindungsgemäße Technologieabfolge, beispielsweise zur Herstellung eines Drucksensors, zeigt;
Figur 4 schematisch ein Beispiel für einen erfindungsgemäß hergestellten Taster zeigt;
Figur 5 schematisch Technologieschritte gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur mit mehreren Ebenen und geschlossener Decke zeigt; und
Figur 6 schematisch Schritte einer weiteren möglichen Technologieabfolge des erfindungsgemäßen Verfahrens, beispielsweise zur Herstellung einer Pumpenoder Ventilanordnung, zeigt.
Fig. 1 zeigt schematisch Technologieschritte 1 a bis 1 g einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches beispielsweise zur Herstellung von Beschleunigungssensoren verwendet werden kann.
In dem in Fig. 1 a gezeigten Verfahrensschritt wird auf ein Substrat 1 , dessen Material variabel ist, eine leitfähige Schicht 2 aufgebracht. In dem in Figur 1 a gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Substrat 1 ein Polymersubstrat, welches beispielsweise aus PA, PVC, PP, PET oder PEN ausgebildet ist. Die in dem Beispiel von Fig. 1 a verwendete leitfähige Schicht 2 ist eine leitfähige Polymerschicht, wie beispielsweise PEDOT:PSS oder Polyanilin (PANI). In anderen, nicht gezeigten Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung kann die leitfähige Schicht 2 auch eine Kupferschicht oder eine andere, vorzugsweise strukturierbare, Metall- oder Metalllegierungsschicht sein. Die leitfähige Schicht 2 kann beispielsweise durch Ätzen strukturiert werden oder strukturiert aufgetragen werden, zum Beispiel durch Druckprozesse.
Gemäß dem in Fig. 1 b dargestellten Verfahrensschritt wird zunächst auf die leitfähige Schicht 2 eine Isolatorschicht 3 aufgebracht. Die Dicke der Isolatorschicht 3 bestimmt den zukünftigen Abstand zwischen beweglicher Sensor- oder Aktorstruktur und der als Substratelektrode verwendeten leitfähigen Schicht 2. Wie in Fig. 1 b zu sehen, wird die Isolatorschicht 3, beispielsweise durch Ätzen, strukturiert, wobei durch die Strukturierung wenigstens ein Freiraum 4 ausgebildet wird, welcher die lateralen und vertikalen Ausdehnungen einer auszubildenden Kavität einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur definiert.
Wie aus Fig. 1 c ersichtlich ist, wird in den Freiraum 4 ein sublimierender Feststoff 5 in geschmolzenem, gelöstem, dispergiertem, wachsförmigem oder gelförmigem Zustand eingebracht oder in den Freiraum 4 eingebracht und darin geschmolzen, gelöst oder dispergiert. Das Einbringen des sublimierenden Feststoffes 5 in den Freiraum 4 kann beispielsweise mittels Ink-Jet-Drucktechnik erfolgen. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der sublimierende Feststoff 5 auch mittels Spin-Coating, Tauchen, Rakeln oder Sprühen aufgebracht werden.
Der sublimierende Feststoff 5 ist in dem in Fig. 1 b dargestellten Ausführungsbeispiel aus Cyclododecan ausgebildet. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung kann der sublimierende Feststoff 5 auch ein anderer, vorzugsweise bei Raumtemperatur sublimierender Kohlenwasserstoff wie beispielsweise Camphen, Campher, Naphtalin, Methylnaphtalin, Neopentylalkohol, Tricyclen, Menthol, Thymol oder Diphenylether und/oder eine Mischung aus wenigstens zwei der vorgenannten Materialien sein.
Der sublimierende Feststoff 5 zeichnet sich dadurch aus, dass er unterhalb seiner Schmelztemperatur mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h, vorzugsweise von einem 1 μιτι/h, sublimiert. Dabei weist der erfindungsgemäß einzusetzende sublimierende Feststoff 5 eine Schmelztemperatur in einem Bereich von 18 °C bis 200 °C auf. Der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel verwendete sublimierende Feststoff 5 ist ein in einem Temperaturbereich von 18 °C bis 25 °C, das hei ßt bei Raumtemperatur, mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h, vorzugsweise von 1 μιη/h, sublimierender Feststoff.
Gemäß Fig. 1 d wird in einem nächsten Verfahrensschritt der sublimierende Feststoff 5 noch vor seinem Erstarren mit Hilfe einer Rolle oder eines Stempels 6 in den Freiraum 4, wie es durch die Pfeile A angedeutet ist, gedrückt und dabei planarisiert. Durch Nutzen eines unter Raumtemperatur (18 °C bis 25°C) gekühlten und gleichzeitig gut wärmeleitenden Stempels 6 kommt es beim Kontakt zum Erstarren des sublimierenden Feststoffes 5 und gleichzeitig zu dessen Verdichtung. Damit wird das Material des sublimierenden Feststoffes 5 zur Opferschicht 5'.
Wie in Fig. 1 e dargestellt, wird auf die Opferschicht 5' eine Deckschicht 7 aufgebracht, wobei die Deckschicht 7 vorzugsweise aus einen leitfähigen oder piezoelektrischen Polymer oder einer anderen organischen Schicht ausgebildet ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Deckschicht 7 auch aus einer halbleitenden oder isolierenden Polymer oder einem organischen small-Molekül ausgebildet sein. In dem in Fig. 1 e gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Deckschicht 7 zunächst eine wässrige PEDOT:PSS-Dispersion. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung kann auch ein anderes Material, wie beispielsweise eine andere Polymerschicht wie PANI, als Deckschicht 7 genutzt werden.
Die Deckschicht 7 wird entweder strukturiert auf die Opferschicht 5' und das seitlich der Opferschicht 5' befindliche Isolatormaterial 3 aufgebracht oder ganzflächig auf die Opferschicht 5' und die Isolatorschicht 3 aufgebracht und nachfolgend strukturiert. Das Aufbringen der Deckschicht 7 kann beispielsweise durch Aufdrucken erfolgen. Die Strukturierung kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise mittels Druckoder Photolithographieprozessen erfolgen.
Vorzugsweise wird, wie in Fig. 1 e schematisch dargestellt, in der Deckschicht 7 beim Strukturieren wenigstens ein Durchbruch 8 ausgebildet, durch welchen die Opferschicht 5' wenigstens teilweise in Kontakt mit der Umgebungsluft ist. Die Deckschicht 7 bildet nachfolgend beispielsweise eine Feder-/Masse-Struktur einer auszubildenden Beschleunigungssensorstruktur aus.
Wie aus Fig. 1 f hervorgeht, wird nach dem Trocknen der Deckschicht 7 die Opferschicht 5' durch Sublimation abgebaut. Die Sublimation erfolgt hier grundsätzlich bei Raumtemperatur, kann aber durch Erhöhen der Temperatur noch intensiviert werden. Der Abtransport des gasförmigen Sublimates 9 geschieht in dem Beispiel von Fig. 1 über den wenigstens einen Durchbruch 8 in der Deckschicht 7 und/oder die Außenbereiche der Struktur.
Im Ergebnis entsteht, wie in Fig. 1 g gezeigt, eine freitragende, in vertikaler Richtung B bewegliche Elektrode 7', die zusammen mit der Substratelektrode, die aus der leitfähigen Schicht 2 ausgebildet wird, eine veränderbare Kapazität ergibt.
Fig. 2 zeigt schematisch Verfahrensschritte einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, beispielsweise zur Herstellung eines Beschleunigungssensors.
Zunächst wird in dem Verfahren gemäß Fig. 2, ähnlich wie in den Fig. 1 a bis 1 c, auf ein Substrat 1 eine leitfähige Schicht 2 und darauf eine Isolatorschicht 3 aufgebracht, die Isolatorschicht 3 unter Ausbildung eines Freiraumes 4 strukturiert oder die Isolatorschicht 3 strukturiert auf der leitfähigen Schicht abgeschieden. Daraufhin wird, wie in Fig. 2a gezeigt, in den Freiraum 4 ein sublimierender Feststoff 5 in geschmolzenem, gelöstem, dispergiertem, wachsförmigem oder gelförmigem Zustand eingebracht oder in den Freiraum 4 eingebracht und darin geschmolzen, gelöst oder dispergiert. Hinsichtlich des Materials, der Eigenschaften und der verwendbaren Technologien zur Aufbringung des sublimierenden Feststoffes 5 wird auf obige Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen.
Figur 2b zeigt einen nächsten Verfahrensschritt, in welchem ein Stempel 6' entsprechend den mit A gekennzeichneten Pfeilen auf den sublimierenden Feststoff 5 gedrückt wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Stempel 6' an seiner dem sublimierenden Feststoff 5 zugewandten Seite ein Oberflächenrelief 10 auf, mit welchem durch den Stempel 6' eine einer auszubildenden Struktur entsprechende Negativstruktur 1 1 in den erstarrenden sublimierenden Feststoff 5 eingebracht wird. An den nicht strukturierten Bereichen des Stempels 6' erfolgt eine Planarisierung der Oberfläche des sublimierenden Feststoffes 5. Zudem wird durch den Stempel 6' das Material des sublimierenden Feststoffes 5 verdichtet.
In dem in Fig. 2b gezeigten Ausführungsbeispiel ist ferner auf der dem sublimierenden Feststoff 5 zugewandten Seite des Stempels 6' ein Haftvermittler 12 vorgesehen, mit dem der Stempel 6' vor seinem Kontakt mit dem sublimierenden Feststoff 5 benetzt wird.
Fig. 2c zeigt die Struktur aus Fig. 2b nach dem Erstarren des sublimierenden Feststoffs 5 unter Ausbildung einer Opferschicht 5' in dem Freiraum, der durch die strukturierte Isolatorschicht 3 definiert ist.
Wie in Fig. 2d gezeigt, wird nachfolgend in die in der Opferschicht 5' ausgebildete Negativstruktur 1 1 ein Deckmaterial 7' eingebracht, welches nachfolgend beispielsweise eine bewegliche Elektrode eines zu fertigenden Beschleunigungssensors ausbildet. Als Deckmaterial T kann beispielsweise ein leitfähiges oder piezoelektrisches Polymer, wie beispielsweise eine PEDOT:PSS-Dispersion, verwendet werden.
Wie in Fig. 2e gezeigt, wird nach dem Trocknen der Deckschicht T das Material der Opferschicht 5' durch Sublimation abgebaut. Dabei entweicht das Sublimat 9.
Im Ergebnis entsteht eine Struktur, wie der in Fig. 2f schematisch dargestellte Beschleunigungssensor 13' mit einer aus der Deckschicht T ausgebildeten frei beweglichen Elektrode und einer dieser Elektrode gegenüber befindlichen, aus der leitfähigen Schicht 2 ausgebildeten festen Elektrode.
Die Fig. 3a bis 3c zeigen schematisch Verfahrensschritte einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches hier zur Ausbildung eines Drucksensors 14 verwendet wird.
Wie aus Fig. 3a ersichtlich ist, wird zunächst auf ein Substrat 1 , welches aus einem beliebigen Material ausgebildet sein kann, eine leitfähige Schicht 2 aufgebracht. Bezüglich der Materialien und Eigenschaften der leitfähigen Schicht 2 wird auf obige Ausführungen zu Fig. 1 und 2 verwiesen. Das Substrat 1 und die leitfähige Schicht 2 können nachfolgend unter Ausbildung eines Kanals 17, der durch das Substrat 1 und die leitfähige Schicht 2 führt, strukturiert werden oder bereits entsprechend vorstrukturiert sein.
Nachfolgend wird, wie in Fig. 1 b dargestellt, auf die leitfähige Schicht 2 eine Isolatorschicht 3 strukturiert aufgebracht oder aufgebracht und nachfolgend strukturiert, wobei durch die Isolatorschicht 3 ein Freiraum definiert wird, der einen Platzhalter für das Vorsehen einer Opferschicht und das Ausbilden einer in Fig. 3c gezeigten Kavität 16 darstellt. In den Freiraum wird, wie zu Fig. 1 und 2 detailliert beschrieben, ein sublimierender Feststoff 5 eingebracht, der durch eine Rolle oder einen Stempel 6 zu einer Opferschicht 5' verdichtet und planarisiert wird. Auf die Opferschicht 5' und die Isolatorschicht 3 wird im weiteren Verlauf des Verfahrens ein Haftvermittler 12 und darauf eine Deckschicht 7 derart aufgebracht, dass die Opferschicht 5' vollständig abgedeckt wird.
Hinsichtlich der für den sublimierenden Feststoff 5 und die Deckschicht 7 verwendeten Materialien und Technologien wird auf obige Ausführungen zu Fig. 1 und 2 verwiesen.
Wie in Fig. 3b gezeigt, sublimiert nach dem Trocknen der Deckschicht 7 die Opferschicht 5', wobei bei dieser Ausführungsvariante der Erfindung das Sublimat 9 sowohl durch den Kanal 17 nach unten als auch an den Strukturseitenkanten aus der Struktur entweicht. Durch das Sublimieren der Opferschicht 5' wird ein Ankleben der Deckschicht 7 auf der leitfähigen Schicht 2 verhindert.
Im Ergebnis entsteht eine Struktur, wie der schematisch in Fig. 3c dargestellte Drucksensor 14 mit einer Kavität 16, welche nach oben hin flächig durch die als drucksensible Membran wirkende Deckschicht 7 abgedeckt ist. Dabei kann gemäß den mit C gekennzeichneten Pfeilen eine Druckdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite an die Struktur angelegt werden und diese durch eine beispielsweise in oder auf dem Substrat vorgesehene Elektronik detektiert werden.
Neben Beschleunigungssensoren und Drucksensoren kann das erfindungsgemäße Prinzip auch bei Drehratesensoren Anwendung finden. Desweiteren sind für andere Sensortypen freistehende Strukturen zur thermischen, mechanischen, elektrischen oder akustischen Isolation von Substrat und Träger, wie für Temperatur- und Durchflusssensoren, vorteilhaft.
Fig. 4 zeigt schematisch in Ergänzung zu Fig. 3 einen mit der Technologieabfolge aus Fig. 3 hergestellten Taster 14', dessen Deckschicht 7 als Tastmembran benutzt werden kann, auf welche gemäß dem Pfeil D eine Kraft ausgeübt werden kann, welche kapazitiv über die leitfähige Schicht 2 detektiert werden kann.
Fig. 5 zeigt schematisch eine weitere Möglichkeit der Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens, um einen Mehrfachaufbau auszubilden.
Dabei wird, wie in Fig. 5a gezeigt, zunächst auf ein Substrat 1 eine leitfähige Schicht 2 aufgebracht. Das Substrat 1 und die leitfähige Schicht 2 können nachfolgend strukturiert werden oder bereits unter Ausbildung eines Kanals 1 7, ähnlich wie oben zu Fig. 3a beschrieben, vorstrukturiert sein. Bezüglich der hierfür verwendeten Materialien und Technologieschritte wird auf obige Ausführungen zu den Fig. 1 bis 3 verwiesen.
Daraufhin wird eine Isolatorschicht 3 auf die leitfähige Schicht 2 aufgebracht und strukturiert oder strukturiert auf der leitfähigen Schicht abgeschieden. Dabei definiert die Isolatorschicht 3 zunächst einen ersten Teilbereich 4a eines Freiraumes, welcher der Aufnahme eines sublimierenden Feststoffes 5 dient.
Nachfolgend wird, ähnlich wie zu den Fig. 1 bis 3 beschrieben, der in den Freiraum 4a eingebrachte sublimierende Feststoff 5 planarisiert und verdichtet, woraufhin eine Deckschicht 7 abgeschieden und strukturiert oder strukturiert auf dem Feststoff 5 abgeschieden wird.
Der Vorgang des Abscheidens einer Isolatorschicht 3, das Einbringen eines sublimierenden Feststoffes 5 in einen oder mehrere Teilbereiche 4b, 4c eines Freiraums und das Aufbringen der Deckschicht 7 kann bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrfach wiederholt werden, wobei letztlich der gesamte Freiraum 4a, 4b, 4c mit dem erstarrten sublimierenden Feststoff 5 unter Ausbildung einer in mehreren Ebenen vorliegenden Opferschicht 5' gefüllt ist. Die oberste, den Schichtstapel abdeckende Deckschicht 7 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel so ausgeführt, dass sie keinen Durchbruch aufweist und somit die Opferschicht 5' flächig abdeckt.
Wie in Fig. 5b gezeigt, sublimiert nachfolgend die Opferschicht 5', wobei das Sublimat 9 seitlich sowie durch den Kanal 17 unten aus der Struktur entweichen kann. Dabei wird in den durch die Opferschicht 5' definierten Bereichen eine sich über mehrere Ebenen erstreckende Kavität 18 ausgebildet. Somit kann die erfindungsgemäße Technologie auch zur dreidimensionalen Integration von Sensor- und/oder Aktorstrukturen, wie in Fig. 5c gezeigt, verwendet werden.
Fig. 6 zeigt schematisch eine weitere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisierbare Verfahrensabfolge, welche beispielsweise zur Herstellung von Aktoren, wie Pumpen-und/oder Ventilanordnungen einsetzt werden kann.
Gemäß Fig. 6a wird hierfür beispielsweise ein Substrat 1 , dessen Material variabel ist, unter Ausbildung von Kanälen 19, 20, die sowohl in die Substratoberflächen 21 , 22 münden als auch mit den Strukturseiten 23, 24 in Verbindung stehen, ausgebildet. Wahlweise kann, wie in Fig. 6a gezeigt, auch ein Kanal 25 durch das gesamte Substrat 1 hindurchgehend ausgebildet sein.
Entsprechend Fig. 6b werden daraufhin auf der Substratober- und -Unterseite 21 , 22 Strukturelemente, wie beispielsweise bewegliche Strukturelemente 26, 26', ausgebildet. Dabei wird, wie in Fig. 6b gezeigt, der Abstand der Strukturelemente 26, 26' zu der Substratober- und -Unterseite 21 , 22 durch Opferschichten 5'a, 5'b aus einem sublimierenden Feststoff definiert. Bezüglich der hierfür verwendbaren Materialien und der Möglichkeiten der Aufbringungen zur Festigung der Opferschichten 5'a, 5'b wird auf obige Ausführungen bezüglich der Opferschichten 5' in den Fig. 1 bis 5 verwiesen.
Wie aus Fig. 6c hervorgeht, wird sowohl auf die Ober- als auch auf die Unterseite der in Fig. 6b dargestellten Struktur ein weiterer Schichtaufbau, bestehend aus einer Isolatorschicht 3', die strukturiert wird oder strukturiert abgeschieden wird, weiteren Opferschichten 5'c, 5'd und jeweiligen Deckschichten 7 aufgebracht, wobei die Deckschichten 7 die Opferschichten 5'c, 5'd flächig abdecken. Gemäß Fig. 6d sublimiert nachfolgend das Opferschichtmaterial und entweicht als Sublimat 9 seitlich sowie aus den Kanälen 19, 20 nach außen. Dabei entsteht zwischen dem Substrat 1 , den Strukturelementen 26, 26' und den jeweiligen Deckschichten 7 eine Kavität 27.
Fig. 6e zeigt die Struktur aus Fig. 6d nach vollständiger Entfernung der Opferschichten 5'a, 5'b, 5'c und 5'd. Im Ergebnis entsteht in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Pumpen- und/oder Ventilanordnung 29, die, wie durch die Pfeile E angedeutet, über die als Membranen fungierenden Deckschichten 7 aktiviert werden kann. Dabei besitzt die in Fig. 6e schematisch dargestellte Pumpen- und/oder Ventilanordnung gegenüber herkömmlichen Strukturen den Vorteil, dass hier für die Ausbildung der Strukturelemente 26, 26' als auch für die Deckschichten 7 polymere Funktionsschichten, wie oben zu den Fig. 1 bis 5 ausgeführt, eingesetzt werden können, da auch bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich niedrigere Temperaturen (< 200 °C) als bei der klassischen Mikrosystemtechnik Anwendung finden.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung wenigstens einer Kavität (15, 15', 16, 18, 27) in einer mikroelektronischen und/oder mikromechanischen Struktur unter Verwendung wenigstens einer Opferschicht (5'), dadurch gekennzeichnet, dass die Opferschicht (5') aus wenigstens einem unterhalb seiner Schmelztemperatur mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h sublimierenden Feststoff (5) ausgebildet ist, wobei der sublimierende Feststoff (5) eine Schmelztemperatur in einem Bereich von 18°C bis 200 °C aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der sublimierende Feststoff (5) ein in einem Temperaturbereich von 18 °C bis 25 °C mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h sublimierender Feststoff ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferschicht (5') aus Camphen, Campher, Cyclododecan, Naphtalin, Methylnaphtalin, Neopentylalkohol, Tricyclen, Menthol, Thymol oder Diphenylether und/oder einer Mischung aus wenigstens zwei dieser Materialien ausgebildet ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf ein Substrat (1 ) wenigstens eine leitfähige Schicht (2) aufgebracht wird; auf die leitfähige Schicht (2) wenigstens eine Isolatorschicht ( 3) aufgebracht und unter Ausbildung eines Freiraumes (4) auf der leitfähigen Schicht (2) strukturiert oder strukturiert aufgebracht wird; in den Freiraum (4) der wenigstens eine sublimierende Feststoff (5) in geschmolzenem, gelöstem, dispergiertem, wachsförmigem oder gelförmigem Zustand eingebracht oder in den Freiraum (4) eingebracht und darin geschmolzen, gelöst oder dispergiert wird; der sublimierende Feststoff (5) unter Ausbildung der Opferschicht (7) erstarrt; wenigstens auf die Opferschicht (5') eine Deckschicht (7) aufgebracht wird und die Opferschicht (5') sublimiert.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der sublimierende Feststoff (5) vor dessen Erstarren in dem Freiraum (4) mit einem Stempel (6, 6') oder einer Rolle planarisiert und/oder verdichtet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (6, 6') oder die Rolle gekühlt ist und/oder eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 1 W/mK aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Stempel (6, 6') oder die Rolle eine einer auszubildenden Struktur entsprechende Negativstruktur (1 1 ) in den erstarrenden sublimierenden Feststoff (5) eingebracht wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Deckschicht (7) wenigstens ein Haftvermittler (12) auf die Opferschicht (5') aufgebracht wird oder eine Oberflächenbehandlung der Opferschicht (5') zum Erhöhen der Haftfestigkeit ausgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (6, 6') oder die Rolle mit einem Haftvermittler (12) vor ihrem Kontakt mit dem sublimierenden Feststoff (5) benetzt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (7) aus einem leitfähigen oder piezoelektrischen Polymer ausgebildet wird.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (7) durch Sintern von Metallen oder Metalllegierungen in einem Temperaturbereich von 90 °C bis 150°C ausgebildet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (7) unter Ausbildung wenigstens eines Durchbruches (8) in der Deckschicht (7) auf der noch nicht sublimierten Opferschicht (5') strukturiert wird, oder strukturiert auf der noch nicht sublimierten Opferschicht (5') abgeschieden wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1 ) und die wenigstens eine auf dem Substrat (1 ) aufgebrachte leitfähige Schicht (2) wenigstens einen, bis an die Opferschicht (5') reichenden Durchbruch (8) aufweisen und die Deckschicht (7) auf der Opferschicht (5') geschlossen ausgebildet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Deckschicht (7) wenigstens eine weitere Opferschicht (5') aus einem in einem Temperaturbereich von 18 °C bis 25 °C sublimierenden Feststoff (5) und wenigstens eine weitere Deckschicht (7) aufgebracht wird.
15. Sensor oder Aktor (13, 13', 14, 14', 28, 29) mit wenigstens einer unter Verwendung einer Opferschicht (5') ausgebildeten Kavität (15, 15', 16, 18, 27), dadurch gekennzeichnet, dass die Opferschicht (5') aus wenigstens einem unterhalb seiner Schmelztemperatur mit einer Sublimationsrate von wenigstens 1 nm/h sublimierenden Feststoff (5) ausgebildet ist, wobei der sublimierende Feststoff (5) eine Schmelztemperatur in einem Bereich von 18 °C bis 200 °C aufweist.
16. Sensor oder Aktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor oder Aktor (13, 13', 14, 14', 28, 29) wenigstens eine freistehende und/oder bewegliche Deckschicht (7) aus einem leitfähigen oder piezoelektrischen Polymer aufweist.
17. Sensor nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor oder Aktor (13, 13', 14, 14', 28, 29) auf einem Substrat (1 ) ausgebildet ist, in oder auf welchem eine aktive Elektronik integriert ist.
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