WO2020240013A1 - Verfahren zum herstellen einer mikromechanischen vorrichtung und mikromechanisches ventil - Google Patents

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WO2020240013A1 PCT/EP2020/065067 EP2020065067W WO2020240013A1 WO 2020240013 A1 WO2020240013 A1 WO 2020240013A1 EP 2020065067 W EP2020065067 W EP 2020065067W WO 2020240013 A1 WO2020240013 A1 WO 2020240013A1
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trench structure
valve
micromechanical
cavity
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PCT/EP2020/065067
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Henry LEISTNER
Martin Richter
Martin Wackerle
Jürgen KRUCKOW
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Definitions

  • the exemplary embodiments of the invention relate to a method for producing a micromechanical device, and in particular a micromechanical valve, and a micromechanical device or a micromechanical valve that can be produced according to the method.
  • microstructuring that is, the production of micromechanical components with dimensions in the micrometer range.
  • pumps with the smallest dimensions are produced in such a microstructuring process, these pumps also being referred to as micropumps.
  • micropumps can pump fluids such as air or liquids.
  • a micropump patented by the applicant is described in EP 2 542 810 B1.
  • This micropump has a membrane, which is why this form of a micropump can also be referred to as a micromembrane pump.
  • These micropumps have a valve stack or valve wafer in which microstructured valves are provided. These valves are in fluid communication with corresponding fluid inlets and fluid outlets. Accordingly, the valves are correspondingly inlet valves and outlet valves.
  • the valves of the micropump have valve flaps and valve webs, the valve flaps resting on so-called valve webs in their non-deflected rest state.
  • the valve webs provide a mechanical end stop for the valve flaps.
  • the valve webs and the valve flaps are usually structured in two substrates or wafers arranged one above the other. In a first substrate, for example, the inlet channel and the valve web are structured, and in a second substrate above, for example, the valve flap is structured, or vice versa. In this way, a multiplicity of inlet valves and / or outlet valves can be structured in two substrates, depending on their dimensions.
  • wet chemical KOH etching processes are used to structure the microvalves. This is an easily controllable process with which adequate etching results can be achieved.
  • the etching process is anisotropic, so that the wet-chemical etching process takes place depending on the direction, with undesired under-etching leading to a higher reject rate in the manufacture of microvalves.
  • the fluidically necessary dimensions of the valves for the pump and the anisotropy between the vertical and lateral etching rate for the process require a large amount of space and thus prevent a further size reduction.
  • the KOH etching process is not offered by all factories, as it causes particles through sharp edges as well as cross contamination.
  • both substrates are currently initially processed independently of one another by etching the aforementioned valve webs and valve flaps into the respective substrates. Then the two substrates are then connected, for example bonded.
  • valve flaps are correspondingly sensitive and therefore unstable, so that the valve flaps can break off when handling and processing the substrates.
  • a first aspect of the invention relates to a method for producing at least one micromechanical device.
  • the micromechanical device can, for example, be a micromechanical valve, which in turn can have one or more valve flaps and one or more valve webs.
  • the method includes, among other things, providing a first substrate and a separate second substrate, wherein the first substrate has two surfaces spaced parallel to one another by a predetermined thickness, and wherein the second substrate has two surfaces spaced parallel to one another by a predetermined thickness.
  • the substrates can be individual chip substrates or wafers.
  • the parallel spaced apart surfaces can also be referred to as a first and a second main side of the respective, generally flat substrate, the first main side of a substrate facing away from the second main side.
  • a first trench structure is structured in one of the two surfaces or main sides of the first substrate, so that the first substrate has a correspondingly structured surface or a correspondingly structured main side.
  • a second trench structure is structured in one of the two surfaces or main sides of the second substrate, so that the second substrate has a correspondingly structured surface or a correspondingly structured main side.
  • the two substrates are then bonded, the respectively structured surfaces of the two substrates being aligned facing one another. This creates a substrate stack which has an upper and a lower surface, or a first substrate stack main side and an opposite second substrate stack main side.
  • the first and / or the second trench structure form at least one cavity in the substrate stack.
  • This at least one cavity can then be exposed by structuring a depression in the upper and / or lower surface of the substrate stack. That is, it can be structured (for example etched) starting from the upper and / or lower surface of the substrate stack in the direction of the cavity until the cavity is reached. As a result, the cavity can be exposed so that it is accessible from the outside (ie from the respective upper or lower surface of the substrate stack).
  • a trench structure can also be shaped in such a way that it defines the outer contours of a valve flap or a valve web. That is, by exposing the cavity, which is formed by the correspondingly shaped first and / or second trench structure, the valve flap corresponding to the respective trench structure or the valve web corresponding to the respective trench structure is formed.
  • the step of exposing the at least one cavity takes place chronologically or in a proper sequence after the two substrates have been arranged or bonded.
  • the substrate stack can also be thinned back from the upper and / or lower surface. Since not individual substrates but the entire substrate stack is thinned back (for example by grinding, polishing, etc.), the individual substrates of the substrate stack can be made significantly thinner than in conventional processes. This means that, in principle, individual substrates can also be selected to be thinner before they are processed, material being saved and processing steps being shortened or saved entirely.
  • the first trench structure can form the outlines for a first micromechanical structure that can be generated by means of the exemplary embodiment of the method, for example for a valve flap.
  • the second trench structure can form the outlines for a second micromechanical structure that can be produced by means of the method, for example for a valve web.
  • Exposing the cavity (s) is therefore equivalent to exposing the respective first and / or second trench structure. That is to say, by exposing the first and / or second trench structure, a first micromechanical structure (eg a valve flap) or a second micromechanical structure (eg a valve web) can accordingly be generated.
  • a first micromechanical structure eg a valve flap
  • a second micromechanical structure eg a valve web
  • the at least one cavity can be exposed using a CMOS-compatible etching process.
  • CMOS-compatible etching process Exemplary embodiments relate to a CMOS-compatible method and a CMOS-compatible valve.
  • KOH etching is a special process that is not compatible with CMOS production.
  • Typical semiconductor factories (fabs) either do not have this process or only have it in separate areas and also do not allow lines to be crossed due to cross contamination.
  • the reason for the cross-contamination are mobile charge carriers of potassium (K +), which lead to leakage currents in CMOS structures due to defects in the forbidden zones or oxide-semiconductor boundary layer.
  • the first substrate and / or the second substrate can comprise glass or be a semiconductor substrate.
  • These can be single-semiconductors, e.g. Germanium, etc., or compound semiconductors such as e.g. Be GaN, GaAS, etc. Silicon is suitable for the present method, since silicon is of high quality and at the same time has low material and process costs.
  • a layer, such as polysilicon or germanium, etc. to be deposited on the first and / or second substrate and for the first and / or second trench structures to be structured in this layer.
  • the structuring of the first and / or second trench structure and / or the recess in the first and / or second substrate can take place by means of a wet etching process and / or by means of a dry etching process.
  • the structuring of the recess in the first and / or second substrate can preferably take place by means of a dry etching process.
  • the dry etching can include, for example, RIE etching (RIE: reactive ion etching) and / or DRIE etching (DRIE: reactive ion depth etching).
  • dry etching offers the following advantage in the process:
  • the flanks of KOH structures have an angle of 54 degrees, while the flanks of RIE structures (dry etching) have 90 degrees, which means that less chip area is required for the valves and thus a dead volume of the pump is reduced.
  • RIE dry-chemical
  • valves implemented with the method described above can both reduce the dead volume of a pump and implement smaller structures, so that a 2 x 2 mm 2 micropump that was previously impossible to produce using wet etching processes is now possible can be realized.
  • the change in the bonding sequence described above in connection with the (D) RIE structuring also has the advantage that it is no longer necessary to grind and polish structured substrates, so that the breakout rate of flaps is reduced (improved yield).
  • Typical valve dimensions are 400 mm x 800 mm to 800 x 1000 mm.
  • the structuring by means of the wet etching process can take place in time before the structuring by means of the dry etching process.
  • wet pre-etching can first be carried out in order to quickly produce a depression, without etching as far as the cavity. The cavity is only then exposed using the dry etching process.
  • the wet etching process can be carried out using an aqueous solution, the aqueous solution having at least one of the following additives: potassium hydroxide (KOH), tetramethylammonium hydroxide (TMAH), lithium hydroxide (LiOH), sodium hydroxide (NaOH), pyrazine, pyrocatechol, ethylenediamine , Isopropanol and tert-butanol.
  • KOH potassium hydroxide
  • TMAH tetramethylammonium hydroxide
  • LiOH lithium hydroxide
  • NaOH sodium hydroxide
  • pyrazine pyrocatechol
  • ethylenediamine Isopropanol and tert-butanol.
  • a recess can be generated in the respective substrate before structuring the first trench structure in the first substrate and / or the second trench structure in the second substrate, the first trench structure and / or the second trench structure then being structured within the respective recess becomes.
  • the recess can be produced by means of chemical etching or other mechanical removal methods. Unless the The recess is produced by means of etching, this can also be referred to as recess etching.
  • the recess is produced in the respective main side of the respective substrate in which the trench structures are also produced later, the trench structures being produced within the recess.
  • the recess has a first depth within the respective substrate, and the respective trench structure is deeper than the recess and thus has a second depth within the respective substrate.
  • the recess produced during recess etching can also be referred to as a step.
  • this recess later represents an initial distance between the valve flap and the support web, and can thus lead to leakage rates, the depth of this recess is chosen to be as small as possible (e.g. between 50 ... 500 nanometers). This ensures that the valves have a negligible leak rate.
  • the first and / or second substrate can be an SOI substrate (silicon-on-insulator) with an insulating layer, the first and / or second substrate configured as an SOI substrate being thinned back down to its insulating layer.
  • SOI substrate silicon-on-insulator
  • the insulating layer serves as a mechanical polishing stop layer and / or as an etching stop for thinning the wafer back over the entire area to a target dimension.
  • the respective substrate can be thinned back very precisely and an extremely thin valve stack can be produced.
  • the at least one cavity can be exposed by structuring the depression in the surface of the SOI wafer after the SOI wafer has been thinned back and its insulating layer removed on the upper surface and / or lower surface of the substrate stack. That is, it is first thinned back down to the insulating layer acting as a mechanical polishing stop layer, then the insulating layer is removed to expose the underlying substrate section, and then again the recess for exposing the cavity is made in the exposed substrate section.
  • the first trench structure and the second trench structure can be laterally spaced apart from one another within the substrate stack his. That is, the first trench structure in the first substrate and the second trench structure in the second substrate are laterally spaced apart (ie along the main direction of extent of the substrates) when the first and the second substrate are bonded to one another in order to form the substrate stack.
  • the first trench structure can surround the second trench structure at least in sections. If the cavities formed by the trench structures are then exposed, the result of this is that the valve flap that can be generated by the first trench structure lies opposite the valve web that can be generated by the second trench structure and rests on it.
  • a material layer when the at least one cavity is exposed, a material layer can remain in the first substrate and / or a material layer in the second substrate, the depth of the first trench structure defining the material layer thickness of the material layer remaining in the first substrate and / or the depth of the second trench structure defines the material layer thickness of the material layer remaining in the second substrate.
  • a depression is created when the cavity is exposed.
  • the lateral dimensions (outer contours) of the recess essentially correspond to the lateral dimensions (outer contours) of the respective first and / or second trench structure. That is to say, the depression is approximately the same size (with regard to its lateral dimensions) or slightly larger than the respective first and / or second trench structure (with regard to its lateral dimensions).
  • etching For example, a larger area of etching can be provided to expose the flap. In contrast, the etching should be smaller in area for an exposure or a penetration to the support or valve web.
  • the recess is made up to the cavity to expose the cavity. That is, the creation of the recess ends when the cavity is reached.
  • the above-mentioned material layer remains, the thickness of which essentially corresponds to the depth of the respective trench structure. This remaining material layer thickness then defines the thickness of the valve flap produced in the process or the valve web produced in the process.
  • the remaining material layer in the first and / or second substrate can have a layer thickness between 5 mm and 35 mm.
  • valve flaps with a thickness between 5 mm and 35 mm can thus be produced.
  • the remaining material layer in the first and / or second substrate can form the micromechanical device to be produced using the method. As mentioned at the beginning, the remaining material layer can form the valve web or the valve flap.
  • the first trench structure and the second trench structure within the substrate stack can be aligned with one another in such a way that, after the step of exposing the at least one cavity formed by the first and / or second trench structure, a micromechanical device produced in the first substrate and a micromechanical device produced in the second substrate are arranged opposite one another.
  • a valve flap and a valve web can each face each other.
  • an etch stop layer can be arranged between the first and second substrate.
  • the exposure of the cavity can take place in a very defined manner through the etch stop layer, i.e. the etching process can be interrupted or ended precisely when the cavity is reached by the etch stop layer.
  • Another aspect relates to a micromechanical device, and in particular a micromechanical valve, produced according to a method according to the invention described herein.
  • the first trench structure in the microvalve can either be designed in the form of at least two concentric closed curves and / or polygons in the first substrate, and the second trench structure can be designed in the form of at least one curve and / or a polygon in the second substrate .
  • the second trench structure can be designed in the form of at least two concentric closed curves and / or polygons in the second substrate, and the first trench structure can be designed in the form of at least one curve and / or a polygon in the first substrate.
  • the two concentric closed curves and / or polygons can form a round or polygonal valve web.
  • the at least one non-closed or open curve and / or the polygonal course can form a round or polygonal valve flap.
  • the respectively structured surfaces of the first and second substrates can have at least one within the substrate stack Define common connecting surface and at least one cavity in the substrate stack, so that an inner contour of that trench structure that is designed in the form of the at least one curve and / or the polygonal line, an outer contour of that trench structure that is in the form of the at least two concentric closed curves and / or polygons is configured, partially surrounds without intersecting them. That is to say that the at least one curve and / or the polygonal line surrounds the at least two concentric closed curves and / or polygons at least in sections (in the lateral direction).
  • Another aspect relates to a micropump comprising at least one micromechanical valve described herein.
  • a membrane can be arranged in the micropump on the upper and / or lower surface of the substrate stack containing the micromechanical valve such that the membrane completely covers the trench structures and / or depressions in the substrate stack structured in the respective surface of the substrate.
  • a micromembrane pump can thus be produced which contains a valve stack produced according to the method according to the invention.
  • the trench structures and / or depressions of the substrate stack covered by the membrane can have walls that run essentially perpendicular to the surface of the substrate stack. The more perpendicular the walls are designed, the more a dead volume of the micropump can be reduced as a result.
  • FIG. 1 shows a lateral sectional view perpendicular to the plane of a substrate or
  • Substrate stack of a micromechanical pump according to an embodiment.
  • micromechanical valve or a micromechanical pump that can be implemented with it, is described herein as a non-limiting example of a micromechanical device.
  • a micromechanical device can have micromechanical structures, valve flaps and valve webs being non-limiting here Examples of micromechanical structures are described, ie a micromechanical valve can have micromechanical valve flaps and / or micromechanical valve webs.
  • other micromechanical structures and micromechanical devices can also be produced with the method.
  • Figure 1 shows various steps S1 to S5 of a production of a micromechanical device 100 using the example of individual micromechanical valves EV, AV or a micromechanical pump comprising at least two such micromechanical valves EV, AV according to an embodiment, in a sectional view perpendicular to a plane of a to be processed Substrate. Two substrates 101, 102 are provided S1.
  • a first trench structure 131 is then structured S2 in a first substrate 101, which comprises a first area 111 and a second area 112 spaced apart parallel thereto.
  • the substrate can be a silicon wafer with a predetermined thickness. Silicon wafers to be processed can have a thickness between 100 mm and 500 mm.
  • the structuring S2 of the first trench structure 131 takes place in the present exemplary embodiment according to FIG. 1 by means of a dry etching process.
  • the dry etching process used can be, for example, an RIE (reactive ion etching) or a DRIE (reactive ion depth etching) process.
  • Dry etching processes are particularly characterized by the good controllability of the etching behavior - homogeneity, etching rate, etching profile, selectivity.
  • the dry etching process By means of the dry etching process, almost vertical walls can be realized in the first trench structure 131, since the etching is anisotropic.
  • anisotropic etching processes the material is only attacked perpendicular to the surface, consequently a measure of the etching masking is transferred exactly into the layer below.
  • a second trench structure 132 is structured S2 in the first area 121 in a second substrate 102, which comprises a first area 121 and a second area 122 spaced parallel thereto.
  • the material of the substrate 102 also corresponds to a silicon wafer and the type of etching process also corresponds to a dry etching process.
  • the individual substrates 101, 102 can be produced from different semiconductor materials.
  • the individual substrates 101, 102 can have a coating required for the selected etching method on their respective first surfaces 111, 121 or their respective second surfaces 112, 122, for example an etch stop layer 115, 125 or a photoresist layer and the like.
  • the first trench structure 131 of the first substrate 101 has the same cross-sectional shape as the second trench structure 132 of the second substrate 102 - in a sectional plane perpendicular to the surface 111 and 121 of the substrates 101 and 102.
  • the respective trench structures 131 and 132 respectively can of course be structured S2 multiple times on one or the same substrate 101, 102, so that a large number of micromechanical valves EV, AV can then be produced from a single pair of wafers.
  • FIG. 1 also shows only a section from a wafer which can be used to produce one or more micromechanical valves EV, AV.
  • an inlet channel EK and a valve web VS are structured in the second substrate 102 by exposing the cavity 140 S5, and in the first substrate 101 an outlet valve AV and a valve cap VK, which when they are in a rest position on the valve web VS rests, a flow of a fluid between the outlet channel AK and the inlet channel EK prevents.
  • the substrate stack 150 is formed in that the first substrate 101 and the second substrate 102 are bonded to one another S3 - for example by means of a silicon direct bonding method.
  • the substrate 101 is arranged on the substrate 102 so that the original second surface 112 of the first substrate 101 forms an upper surface 151 of the substrate stack 150; or the original second surface 122 of the second substrate 102 forms a lower surface 152 of the substrate stack 150.
  • 102 structures formed form one or more cavities 140 in the substrate stack 150 created by the bonding.
  • the cavities 140 can then be exposed.
  • the exposure S5 of the cavities 140 takes place in a proper sequence only after the arrangement S3 or bonding of the two substrates 101, 102 to the substrate stack 150.
  • This has the advantage that the entire substrate stack 150 is mechanically more stable and resistant and therefore more resistant can be handled more safely and processed more easily. Due to the mutual reinforcement of the individual substrates 101, 102 in the entire substrate stack 150, the original substrates 101, 102 can also be selected to be narrower in their thickness than those substrates 101, 102 which would / would have to be processed individually without being bonded to one another. This saves material and working time and reduces the complexity of processing.
  • the upper surface 151 of the substrate stack 150 can be mechanically thinned back S4, for example by grinding or grinding and polishing to a predetermined thickness of the substrate stack 150, which leads to a great saving in time when processing the substrate stack 150.
  • the lower surface 152 of the substrate stack 150 can be thinned back - not shown here.
  • thinner wafers or substrates 101, 102 - that is, thinner than 450 mm - can be used, so that either the grinding can be reduced or can be omitted entirely.
  • an inlet channel EK can then be opened by exposing S5 the cavities 140 in the substrate stack 150 by structuring a recess 162 in the lower surface 152 of the substrate stack 150 or by structuring a recess 161 in the upper surface 151 of the substrate stack 150 an outlet channel AK of the inlet valve EK are formed.
  • the exposure S5 or the structuring of the recess 162 also takes place by means of a dry etching process - compare above.
  • the depression 162 is structured vertically up to the cavity 140, starting from the lower surface 152 of the substrate stack 150. This creates the inlet channel EK and the valve webs VS of the inlet valve EV.
  • FIGS. 1 to 3 For the structuring of the recess 161 or 162 for exposing S5 the cavity 140, the effect of the etching process is indicated below in FIGS. 1 to 3 by means of an arrow to illustrate a direction.
  • an etch stop layer 155 can be arranged between the first and second substrates 101, 102.
  • the etch stop layer 155 can be formed from a coating of the first surface 111 of the first substrate 101 with an etch stop layer 115 and / or from a coating of the second surface 112 of the second substrate 102 with an etch stop layer 125.
  • the exposure S5 of the cavity 140 can take place optimally through the etch stop layer, i.e. the etching process can be interrupted or terminated by the etch stop layer 155 exactly when the cavity 140 is reached.
  • FIG. 2 shows different steps S1 to S53 of a production of a micromechanical device 100 using the example of individual micromechanical valves EV, AV or a micromechanical pump comprising at least two such micromechanical valves EV, AV according to a further exemplary embodiment, in a sectional view perpendicular to a plane of a substrate 101, 102 to be processed.
  • the exemplary embodiment from FIG. 2 differs from the exemplary embodiment from FIG. 1, inter alia, in that one of the two substrates 101, 102 can be processed using different etching methods.
  • the manufacturing steps, features, functionalities and advantages that apply to the inlet valve EV apply equally to the manufacture of the outlet valve AV using the two substrates 101, 102.
  • the advantages of the previously described dry etching method also apply to the exemplary embodiment from FIG. 2 - in particular the etching in the upper surface 151 of the substrate stack 150.
  • the pre-etching of a recess 162 using the wet chemical process has the following advantages over the dry etching process:
  • wet etching is a parallel process in which a large number of wafers or substrates can be etched in parallel, and thus more economical;
  • the substrates 101 and 102 provided in S1 are made from the same material, for example a silicon wafer.
  • a first trench structure 131 structured in S2 in substrate 101 and a second trench structure 132 structured in substrate 102 are produced using a dry etching method.
  • the substrate 102 was processed longer in S2 in order to structure a deeper second trench structure 132.
  • the two substrates 101, 102 do not already have an etch stop layer on their surfaces 111, 112 or 121, 122, this can be applied in a method step not shown here, for example using dry oxidation.
  • the two substrates 101, 102 are arranged with respect to one another in such a way that their structured surfaces 111 and 121 respectively lie opposite one another and are then bonded in S3 to form a substrate stack 150.
  • the structured S3 surfaces 111 and 121 of the two substrates 101 and 102 result in cavities 140 in the substrate stack 150.
  • the oxide layer for example an etch stop layer 155, is formed as a common connecting surface by the two substrates 101 and 102.
  • the cavity 140 begins to be exposed in S5 before the substrate stack 150 is thinned back in S4.
  • a wet-chemical etching process in a first substep S51 with the
  • Exposure S5 of the cavity 140 started.
  • a recess 162 in the lower surface 152 of the substrate stack 150 can be pre-etched by means of a KOH or TMAH method to such an extent that only a predetermined distance, for example 10 micrometers to 20 mm, has to be removed until the cavity 140 is exposed in S4.
  • the throughput can be increased, since the wet etching (54.7 °) is a homogeneous parallel process and the dry etching enables steeper (approx. 90 °) flanks
  • the hole of the start of etching is selected to be smaller for the wet pre-etching, it serves as a masking during the subsequent dry etching, see dotted line in FIG. 2 at step.
  • This additional constriction does not play an essential role for the flow, since the pressure drop mainly occurs at the valve, since the cross-sections are still smaller here.
  • a valve flap VK is implemented by the etching step and a flap deflection depends on the third power of the flap thickness, such a parameter fluctuation over the entire wafer would possibly be too great if the wafer thickness cannot be reduced. For example, if the flap thickness were 15 mm and the thickness variation was 10 mm, then the flap thickness would vary between 10 mm and 20 mm.
  • TMAH has the disadvantage of lower selectivity compared to KOH
  • TMAH can also be used when using the wet etching process. Since the (deep) etching process in the exemplary embodiment according to FIG. 2 is only used to make a depression 162 and not to implement critical design parameters such as an inlet channel EK or a valve flap VK, the wet etching process can be performed using TMAH can also be performed.
  • TMAH has a much better homogeneity compared to dry etching. Apart from this, TMAH wet etching, in contrast to dry etching, is a batch process.
  • micromechanical devices 100 can also be produced by MEMS fabs that do not use KOH wet etching but TMAH wet etching.
  • TMAH TMAH wet etching
  • the upper surface 151 of the substrate stack 150 is thinned back in S4.
  • the back thinning S4 achieves that in a subsequent structuring step for creating a depression 161 in the upper surface 151 of the substrate stack 150 to expose the cavity 140 in S5, only a reduced amount of material has to be removed.
  • the recess 162 is structured up to the etch stop layer 155 in front of the cavity 140 using a dry etching method, the inlet channel EK of the inlet valve EV being formed as a result.
  • the dry etching method can ensure that critical elements of the micromechanical device 100 can be executed particularly precisely.
  • a further sub-step S53 of exposing S5 the cavity 140 starting from the thinned-back upper surface 152 of the substrate stack 150 - perpendicular to the upper surface 152 - the recess 161 is made up to the etch stop layer 155 of the cavity 140 by means of a dry etching process, with an outlet channel AK of the inlet valve EV is formed.
  • the thickness of the valve flap VK is also defined.
  • the flap thickness is a critical design parameter and should not fluctuate too much across the wafer.
  • the fluctuations in the etching depth over the wafer typically correspond to a few percent (e.g. 4%) of the etching depth. If the etching of the flap were only carried out by dry etching, with an etching depth of around 400 mm, the flap would have a thickness variation of around 16 mm.
  • the etching rate for dry etching is lower in the middle of the wafer than on the edge of the wafer. Furthermore, it must be ensured that when choosing the etching depth of the structuring of the trench structures 131 and 132, which are initially etched onto the substrates 101, 102, the later etching fluctuations of the etching steps when etching the cavity 140 above the wafer and the valve flaps are also taken into account VK don't get too thin.
  • the etching depth of the structures 131 and 132 must advantageously be at least the flap thickness plus the sum of the depth etching fluctuations over the wafer of all rear-side etching steps. Only in this case can it be ensured that all cavities 140 (also on the wafer edge) are also opened when uncovering, without the valve flaps VK in the wafer center becoming too thin.
  • the trench structure 131 or 132 which subsequently determines the valve flow rate, can be etched deeper at the beginning. For example, lower than the sum of all etching fluctuations.
  • the cavities 140 can in any case be etched free, and one can concentrate entirely on the setting of the flap thickness in this etching step.
  • the etch stop layer 155 is removed in order to completely expose the cavity 140 in S5, the inlet valve EV being completely formed.
  • a recess in the first surface 111 of the to be structured first substrate 101 or the first surface 121 of the second substrate 102 before structuring in S2 the first trench structure 131 in the first substrate 101 and / or structuring in S2 the second trench structure 132 in the second substrate 102, a recess in the first surface 111 of the to be structured first substrate 101 or the first surface 121 of the second substrate 102. Then the respective trench structures 131 and 132 are then structured within the respective recess in the associated surface 111 or 121.
  • the recess can be produced by means of etching and / or other mechanical removal methods. If the recess is produced by means of etching, it can be referred to as recess etching. As a result of the recess etching, the substrates 101 and / or 102 can be provided as semi-finished products for further processing in accordance with the preceding exemplary embodiments.
  • FIG. 3 which shows, in a further lateral sectional view perpendicular to the plane of a substrate stack 150, the process of masking pre-etching in addition to or as a variant analogous to the exemplary embodiment from FIG.
  • the boundaries of a contour of the shadow mask are indicated in FIG. 3 by arrows pointing horizontally to one another in the recess 162.
  • Vertical arrows in FIG. 3 indicate the direction of the subsequent dry etching to expose the cavity 140 in S52, so that an inlet channel EK is created.
  • a valve flap VK is realized by the etching step, and a flap deflection depends on the third power of the flap thickness, such a parameter fluctuation over the entire wafer or the substrate stack 150 would possibly be too great if the wafer thickness was not reduced can.
  • the flap thickness were 15 mm and the thickness variation was 10 mm, then the flap thickness would vary between 10 mm and 20 mm.
  • the etching free of the cavity 140 is preferably not followed by means of wet chemical etching, since the liquid that penetrates after the opening of the cavity 140 can etch the microstructures. This risk can be reduced by first covering the structures with an oxide layer 155 be passivated, but this would be an additional process step. In addition, the penetration of liquid into the cavity has further disadvantages.
  • the etching or exposure S52 of the cavity 140 is preferably carried out by an STS dry etching process of only a few micrometers.
  • STS dry etching is a vertically directed etching process, the structures are not significantly damaged when the cavities 140 are exposed in S52, since they are not located in the etching direction.
  • FIG. 4 shows how a micromechanical device 100 can be implemented in the form of a micromechanical pump MMR.
  • a simple embodiment of a micromechanical pump MMP can have at least two valves, for example an inlet valve EV and an outlet valve AV, and a pump chamber PK which is formed by a membrane M spanning the valves EV, AV.
  • the manufacturing process of a micromechanical pump MMP is illustrated by way of example with the aid of several steps S10 to S50, the sequence of the steps merely representing one exemplary embodiment, i.e. This means that the order of certain steps S10 to S50 can also vary in order to arrive at the same result.
  • an already preprocessed substrate stack 150 is provided, which was produced, for example, using a method according to one of the exemplary embodiments from FIG. 1 or FIG. 2.
  • the substrate stack 150 can be formed from two different substrates 101 or 102. It is also possible for the substrates 101, 102 to be of the same type and, for example, to have the same material.
  • the substrate 101 can, for example, be a silicon wafer which is bonded to a second substrate 102, which is an SOI wafer, to form a substrate stack 150.
  • the SOI wafer of the second substrate 102 of the substrate stack 150 comprises in its interior a silicon oxide layer SOI2, for example made of silicon dioxide, parallel to the lower surface 152 of the substrate stack 150.
  • a first outlet channel AK1 with associated valve flap VK1 and a second inlet channel EK2 with associated valve webs VS2 have already been structured by means of dry etching.
  • trench structures have been provided which are intended to form the valve webs VS1 of the inlet valve EV or the valve flap VK2 of the outlet valve AV in a later processing step.
  • the pump chamber PK of the micromechanical pump MMP is formed in a third substrate 103 that can be an SOI wafer into which the pump chamber PK has already been pre-etched in a second surface of the substrate 103.
  • a first unprocessed surface UB of the third substrate 103 is spaced from the second surface PK at a predetermined distance.
  • the SOI wafer of the third substrate 103 comprises in its interior a silicon oxide layer SOI3 parallel to its unprocessed surface UA, e.g. made of silicon dioxide.
  • the silicon oxide layer 103 is optional, i. the substrate 103 can also be a substrate that does not have a silicon oxide layer.
  • the pump chamber PK embodied in the substrate 103 is also optional. It can also be conceivable for the substrate 103 to lie flat on the preprocessed substrate 101.
  • the substrate 103 can later form a pump membrane for the micromechanical pump MMP.
  • the substrate 103 or the membrane formed therefrom can be lifted off the substrate 101, for example by means of a piezo actuator. By lifting the membrane 103 from the substrate 101, a cavity is formed between the membrane 103 and the substrate 101. This cavity can then form a pumping chamber in this example.
  • the substrate stack 150 is connected via its upper surface 151 to the second surface of the substrate 103 containing the pump chamber PK to form a new substrate stack 250, for example by means of fusion bonding.
  • the so The resulting substrate stack 250 now has an upper surface 251 which corresponds to the unprocessed surface UB of the third substrate 103 and a lower surface 252 which corresponds to the lower surface 152 of the substrate stack 150.
  • the connection of the third substrate 103 to the substrate stack 150 creates a stable and easily manageable structure which can be further processed particularly safely and easily.
  • the bonding of the third substrate 103 to the substrate stack 150 creates a cavity 140 which includes parts of the individual valves EV and AV - here the outlet channel AK1 of the inlet valve EV and the inlet channel EK2 of the outlet valve AV - as well as the pump chamber PK.
  • the two silicon oxide layers SOI2, SOI3 are used for thinning back the entire surface
  • Substrate stack 250 to a target size of the micromechanical pump to be formed therefrom
  • the substrate stack 250 is first thinned back from its upper surface 251 to the silicon oxide layer SOI3 of the third substrate 103, for example.
  • the substrate stack 250 is thinned back from its lower surface 252 to the silicon oxide layer SOI2.
  • the substrate stack 250 can also be thinned back in the reverse order.
  • the way of thinning back down to the individual silicon oxide layers SOI2 or SOI3 can be carried out using mechanical and / or chemical methods - for example, grinding and spin-etching with a stop on the silicon oxide layer SOI2 or SOI3.
  • the cavity 140 can be exposed in S50 from the thinned-back lower layer 252 of the substrate stack 250 using a dry etching process.
  • walls of the inlet channel EK1 of the inlet valve EV or walls of the outlet channel AK2 of the outlet valve AV can be made essentially perpendicular to the lower surface 252 of the substrate stack 250.
  • in one Intermediate step of a lithography can be performed on a resist masking 255, whereby the contours of the depression 262 to be made are predetermined.
  • the cavity 140 can then be exposed using a dry etching process such as RIE etching or DRIE etching, the inlet channel EK1 of the inlet valve EV or the outlet channel AK2 of the outlet valve AV being structured in the substrate stack 250.
  • RIE etching or DRIE etching
  • the MMR micromechanical pump is created.
  • the paint masking applied to the lower surface 252 of the substrate stack 250 can also be removed.
  • a method used in accordance with the exemplary embodiments described above for producing a micromechanical pump MMP is easy to implement and ensures greater reliability of the micromechanical pump MMP or a lower reject rate during its production.
  • aspects have been described in connection with a device, it goes without saying that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Analogously, aspects that have been described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or details or features of a corresponding device.

Abstract

Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen ein Verfahren zum Herstellen mindestens einer mikromechanischen Vorrichtung, umfassend: Bereitstellen (S1) eines ersten Substrats (101) und eines separaten zweiten Substrats (102), wobei das erste Substrat (101) zwei in einer vorbestimmten Dicke parallel zueinander beabstandete Flächen (111, 112) aufweist, und wobei das zweite Substrat (102) zwei in einer vorbestimmten Dicke parallel zueinander beabstandete Flächen (121, 122) aufweist; Strukturieren (S2) einer ersten Grabenstruktur (131) in eine der beiden Flächen des ersten Substrats, und Strukturieren einer zweiten Grabenstruktur (132) in eine der beiden Flächen des zweiten Substrats; Anordnen (S3) der strukturierten Flächen (111, 121) der beiden Substrate (101, 102) zueinander, sodass ein Substratstapel (150) mit einer oberen Fläche (151) und unteren Fläche (152) definiert wird, und sodass die erste und/oder zweite Grabenstruktur (131, 132) zumindest eine Kavität (140) in dem Substratstapel (150) bildet; Rückdünnen (S4) des Substratstapels (150) von der oberen und/oder unteren Fläche (151, 152) des Substratstapels (150); Freilegen (S5) der zumindest einen Kavität (140) durch Strukturieren einer Vertiefung (161, 162) in die obere und/oder untere Fläche (151, 152) des Substratstapels (150), wobei der Schritt des Freilegens (S5) der zumindest einen Kavität (140) im Verfahren nach dem Anordnen der beiden Substrate (101, 102) zu dem Substratstapel (150) erfolgt. Des Weiteren betreffen Ausführungsbeispiele der Erfindung ein mit dem Verfahren hergestelltes Ventil (EV, AV) sowie eine mikromechanische Pumpe (MMP).

Description

VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINER MIKROMECHANISCHEN VORRICHTUNG
UND MIKROMECHANISCHES VENTIL
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Vorrichtung, und insbesondere eines mikromechanischen Ventils sowie eine mikromechanische Vorrichtung beziehungsweise ein mikromechanisches Ventil, die bzw. das nach dem Verfahren herstellbar ist.
Das technische Gebiet der Erfindung betrifft die sogenannte Mikrostrukturierung, das heißt das Herstellen von mikromechanischen Bauteilen mit Abmessungen im Mikrometerbereich. Heutzutage werden unter anderem Pumpen mit kleinsten Abmessungen in einem solchen Mikrostrukturierungsverfahren hergestellt, wobei diese Pumpen auch als Mikropumpen bezeichnet werden. Diese Mikropumpen können Fluide, wie Luft oder auch Flüssigkeiten pumpen.
Hintergrund der Erfindung
Eine von der Anmelderin patentierte Mikropumpe ist in der EP 2 542 810 B1 beschrieben. Diese Mikropumpe weist eine Membran auf, weshalb diese Form einer Mikropumpe auch als Mikromembranpumpe bezeichnet werden kann. Diese Mikropumpen weisen einen Ventilstack oder Ventilwafer auf, in dem mikrostrukturierte Ventile vorgesehen sind. Diese Ventile stehen in Fluidverbindung mit entsprechenden Fluideiniässen und Fluidauslässen. Demnach handelt es sich bei den Ventilen entsprechend um Einlassventile und Auslassventile. Für nähere Details hierzu wird auf die EP 2 542 810 B1 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt hiermit per Referenz eingeschlossen ist. Die Ventile der Mikropumpe weisen Ventilklappen und Ventilstege auf, wobei die Ventilklappen in ihrem nicht-ausgelenkten Ruhezustand auf sogenannten Ventilstegen ruhen. Die Ventilstege stellen einen mechanischen Endanschlag für die Ventilklappen bereit. Die Ventilstege und die Ventilklappen werden meist in zwei übereinander angeordnete Substrate beziehungsweise Wafer strukturiert. In einem ersten Substrat wird beispielsweise der Einlasskanal und der Ventilsteg strukturiert, und in einem darüberliegenden zweiten Substrat wird beispielsweise die Ventilklappe strukturiert oder vice versa. Auf diese Weise können in zwei Substrate - in Abhängigkeit deren Abmessungen - eine Vielzahl von Einlassventilen und/oder Auslassventilen strukturiert werden.
Zum Strukturieren der Mikroventile werden heutzutage nasschemische KOH-Ätzverfahren auf Zeit verwendet. Dies ist ein gut beherrschbares Verfahren, mit dem angemessene Ätzergebnisse erzielt werden können. Allerdings ist der Ätzvorgang anisotrop, so dass der nasschemische Ätzvorgang richtungsabhängig erfolgt, wobei ungewollte Unter-Ätzungen zu einer höheren Ausschussrate bei der Herstellung von Mikroventilen führen. Weiter erfordert die fluidisch notwendigen Abmaße der Ventile für die Pumpe und die Anisotropie zwischen vertikaler sowie lateraler Ätzrate für den Prozess einen hohen Platzbedarf und verhindert somit eine weitere Größenreduktion. Zusätzlich wird das KOH-Ätzverfahren nicht von allen Fabriken angeboten, da es Partikel durch scharfe Kanten sowie auch eine Querkontamination verursacht.
Zusammenfassung der Erfindung
Beim Herstellen von Mikroventilen werden unter Verwendung nasschemischer KOH- Ätzverfahren auf Zeit gegenwärtig zunächst beide Substrate unabhängig voneinander prozessiert, indem die zuvor erwähnten Ventilstege und Ventilklappen in die jeweiligen Substrate geätzt werden. Anschließend werden dann die beiden Substrate verbunden, beispielsweise gebondet.
Beim Handhaben, und insbesondere beim Bonden sowie Schleifen und Polieren eines Ventil-Stacks bzw. Ventil-Stapels der beiden Substrate, muss jedoch äußerst präzise und vorsichtig vorgegangen werden. Da die mikrostrukturierten Ventile sehr geringe Dicken aufweisen, sind die Ventilklappen entsprechend empfindlich und dadurch instabil, so dass es beim Handhaben als auch in der Prozessierung der Substrate zum Ausbrechen der Ventilklappen kommen kann.
Es wäre demnach wünschenswert, diese bekannten Verfahren zum Herstellen von mikromechanischen Vorrichtungen, und insbesondere von mikromechanischen Ventilen, hinsichtlich der oben genannten Nachteile zu verbessern.
Hierfür werden ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine mikromechanische Vorrichtung gemäß Anspruch 18 vorgeschlagen, wobei die mikromechanische Vorrichtung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbar ist. Ausführungsformen und weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mindestens einer mikromechanischen Vorrichtung. Die mikromechanische Vorrichtung kann beispielsweise ein mikromechanisches Ventil sein, das wiederum eine oder mehrere Ventilklappen und einen oder mehrere Ventilstege aufweisen kann. Das Verfahren beinhaltet, unter anderem, ein Bereitstellen eines ersten Substrats und eines separaten zweiten Substrats, wobei das erste Substrat zwei in einer vorbestimmten Dicke parallel zueinander beabstandete Flächen aufweist, und wobei das zweite Substrat zwei in einer vorbestimmten Dicke parallel zueinander beabstandete Flächen aufweist. Die Substrate können einzelne Chipsubstrate oder Wafer sein. Die parallel zueinander beabstandeten Flächen können auch als eine erste und eine zweite Hauptseite des jeweiligen, in der Regel, flachen Substrats bezeichnet werden, wobei die erste Hauptseite eines Substrats von der zweiten Hauptseite jeweils abgewandt ist. in eine der beiden Flächen bzw. Hauptseiten des ersten Substrats wird eine erste Grabenstruktur strukturiert, sodass das erste Substrat eine entsprechend strukturierte Fläche beziehungsweise eine entsprechend strukturierte Hauptseite aufweist. In eine der beiden Flächen bzw. Hauptseiten des zweiten Substrats wird eine zweite Grabenstruktur strukturiert, sodass das zweite Substrat eine entsprechend strukturierte Fläche beziehungsweise eine entsprechend strukturierte Hauptseite aufweist. Anschließend werden die beiden Substrate gebondet, wobei die jeweils strukturierten Flächen der beiden Substrate einander zugewandt ausgerichtet sind. So entsteht ein Substratstapel, der eine obere und eine untere Fläche, bzw. eine erste Substratstapel-Hauptseite und eine gegenüberliegende zweite Substratstapel-Hauptseite, aufweist. Dabei bilden die erste und/oder die zweite Grabenstruktur zumindest eine Kavität in dem Substratstapel aus. Diese zumindest eine Kavität kann dann freigelegt werden, indem eine Vertiefung in die obere und/oder untere Fläche des Substratstapels strukturiert wird. Das heißt, es kann von der oberen und/oder unteren Fläche des Substratstapels ausgehend in Richtung der Kavität strukturiert (z.B. geätzt) werden, bis die Kavität erreicht ist. Dadurch kann die Kavität freigelegt werden, sodass diese von außen (d.h. von der jeweiligen oberen bzw. unteren Fläche des Substratstapels her) zugänglich ist. Eine Grabenstruktur kann im Übrigen so geformt sein, dass diese die äußeren Konturen einer Ventilklappe oder eines Ventilstegs definiert. Das heißt, durch das Freilegen der Kavität, die ja durch die entsprechend geformte erste und/oder zweite Grabenstruktur gebildet wird, wird die der jeweiligen Grabenstruktur entsprechende Ventilklappe beziehungsweise der der jeweiligen Grabenstruktur entsprechende Ventilsteg gebildet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt der Schritt des Freilegens der zumindest einen Kavität zeitlich beziehungsweise in einer ordnungsgemäßen Aufeinanderfolge nach dem Anordnen bzw. Bonden der beiden Substrate. Das heißt, die Substrate werden erst gebondet, sodass der Substratstapel entsteht, und anschließend werden die Kavitäten freigelegt. Dies hat den Vorteil, dass zunächst ein Substratstapel erzeugt wird, der entsprechend stabil und somit sicher handhabbar ist. Es müssen also nicht, wie im Stand der Technik, zuerst die einzelnen Substrate prozessiert (Herstellen der Ventilklappen und/oder Ventilstege) und die fertig prozessierten Substrate dann gebondet werden. Stattdessen wird gemäß des Ausführungsbeispiels zuerst gebondet und danach prozessiert, d.h. die bisherige Bondreihenfolge wird umgekehrt. Dadurch kann gezielt verhindert werden, dass die Ventilklappen beim Rückdünnen offen liegen, und dabei direkt dem Schleifen bzw. Polieren ausgesetzt sind. Anschließend kann die Kavität freigelegt werden. Darüber hinaus ist der Substratstapel viel stabiler als die einzelnen Substrate, was die Gefahr des Ausbrechens der Ventilklappen gegenüber herkömmlichen Verfahren deutlich reduziert. Optional kann der Substratstapel außerdem von der oberen und/oder unteren Fläche her rückgedünnt werden. Da nicht einzelne Substrate sondern der gesamte Substratstapel rückgedünnt (z.B. durch Schleifen, Polieren, etc.) wird, können die einzelnen Substrate des Substratstapels deutlich dünner gemacht werden als in herkömmlichen Verfahren. D.h., dass grundsätzlich auch einzelne Substrate vor deren Prozessierung dünner gewählt werden können, wobei Material eingespart und Bearbeitungsschritte verkürzt oder ganz eingespart werden können. Dies führt im Ergebnis dazu, dass der gesamte Ventilstack bzw. Ventilwafer dünner ausfallen kann, ohne dabei Einbußen hinsichtlich der Stabilität der Ventilklappen hinnehmen zu müssen. Die erste Grabenstruktur kann die Umrisse für eine erste, mittels des Ausführungsbeispiels des Verfahrens erzeugbare, mikromechanische Struktur, z.B. für eine Ventilklappe, bilden. Die zweite Grabenstruktur kann die Umrisse für eine zweite, mittels des Verfahrens erzeugbare, mikromechanische Struktur, z.B. für einen Ventilsteg bilden. Beim Bonden der beiden Substrate, d.h. beim Erstellen des Substratstapels, bilden die erste Grabenstruktur und die zweite Grabenstruktur jeweils Kavitäten innerhalb des Substratstapels. Dabei kann die erste Grabenstruktur eine erste Kavität bilden, und die zweite Grabenstruktur kann eine zweite Kavität bilden. Es ist aber ebenso denkbar, dass die erste und die zweite Grabenstruktur gemeinsam eine Kavität bilden. Das Freilegen der Kavität/en ist somit gleichbedeutend mit einem Freilegen der jeweiligen ersten und/oder zweiten Grabenstruktur. Das heißt, durch das Freilegen der ersten und/oder zweiten Grabenstruktur kann dementsprechend eine erste mikromechanische Struktur (z.B. eine Ventilklappe) beziehungsweise eine zweite mikromechanische Struktur (z.B. ein Ventilsteg) erzeugt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Freilegen der zumindest einen Kavität unter Anwendung eines CMOS-kompatiblen Ätzvorgangs erfolgen. Ausführungsbeispiele betreffen ein CMOS kompatibles Verfahren und ein CMOS kompatibles Ventil. Die bisher verwendete KOH-Ätzung ist ein Spezialprozess der mit einer CMOS-Fertigung nicht kompatibel ist. Typische Halbleiterfabriken (Fabs) haben diesen Prozess entweder nicht oder nur in separaten Bereichen und erlauben auch keine Linienkreuzung auf Grund von Querkontamination. Der Grund für die Querkontamination sind mobile Ladungsträger des Kaliums (K+), welche in CMOS-Strukturen zu Leckströmen auf Grund von Störstellen in den verbotenen Zonen oder Oxid-Halbleitergrenzschicht führen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das erste Substrat und/oder das zweite Substrat Glas aufweisen oder ein Halbleitersubstrat sein. Dies können Ein-Halbleiter, wie z.B. Germanium, usw., oder Verbindungshalbleiter, wie z.B. GaN, GaAS, etc. sein. Silizium bietet sich für das vorliegende Verfahren an, da Silizium eine hohe Qualität aufweist bei gleichzeitig geringen Kosten von Material und Prozess. Alternativ oder zusätzlich wäre es denkbar, dass auf das erste und/oder zweite Substrat eine Schicht abgeschieden wird, wie beispielsweise Polysilizium oder Germanium, etc., und in diese Schicht die ersten und/oder zweiten Grabenstrukturen zu strukturieren.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Strukturieren der ersten und/oder zweiten Grabenstruktur und/oder der Vertiefung in dem ersten und/oder zweiten Substrat mitels eines Nassätzverfahrens und/oder mittels eines Trockenätzverfahrens erfolgen. Dabei kann das Strukturieren der Vertiefung in dem ersten und/oder zweiten Substrat vorzugsweise mittels eines Trockenätzverfahrens erfolgen. Das Trockenätzen kann beispielweise RIE-Ätzen (RIE: Reaktives lonenätzen) und/oder DRIE-Ätzen (DRIE: Reaktives lonentiefenätzen) umfassen. Beispielsweise bietet das Trockenätzen beim Verfahren folgenden Vorteil: Die Flanken von KOH-Strukturen (Nassätzen) haben 54 Grad Winkel, während die Flanken von RIE-Strukturen (Trockenätzen) 90 Grad aufweisen, was dazu führt, dass weniger Chipfläche für die Ventile benötigt und somit ein Totvolumen der Pumpe reduziert wird. Durch den Wechsel von der nasschemischen zur trockenchemischen(RIE) Ätzung können beispielsweise mit dem oben beschriebenen Verfahren realisierte Ventile sowohl ein Totvolumen einer Pumpe verringern, als auch kleinere Strukturen realisiert werden, so dass eine bisher mittels Nassätzverfahren unmöglich herzustellende 2 x 2 mm2 Mikropumpe nun realisiert werden kann. Die oben beschriebene Änderung der Bondreihenfolge in Verbindung mit der (D)RIE-Strukturierung hat weiterhin den Vorteil, dass nicht mehr auf strukturierten Substraten geschliffen und poliert werden muss, so dass die Ausbruchrate von Klappen reduziert wird (Ausbeuteverbesserung).
Typische Ventilmaße sind 400 mm x 800 mm bis 800 x 1000 mm.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Strukturieren mittels des Nassätzverfahrens zeitlich vor dem Strukturieren mittels des Trockenätzverfahrens erfolgen. Beispielsweise kann zuerst nass vorgeätzt werden, um schnell eine Vertiefung herzustellen, wobei nicht bis zu der Kavität geätzt wird. Die Kavität wird erst anschließend mittels des Trockenätzverfahrens freigelegt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Nassätzverfahren mittels einer wässrigen Lösung durchgeführt werden, wobei die wässrige Lösung mindestens eine der folgenden Zusätze aufweist: Kaliumhydroxid (KOH), Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH), Lithiumhydroxid (LiOH), Natriumhydroxid (NaOH), Pyrazin, Brenzkatechin, Ethylendiamin, Isopropanol und Tertbutanol.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann vor dem Strukturieren der ersten Grabenstruktur in dem ersten Substrat und/oder der zweiten Grabenstruktur in dem zweiten Substrat eine Ausnehmung in dem jeweiligen Substrat erzeugt werden, wobei anschließend die erste Grabenstruktur und/oder die zweite Grabenstruktur innerhalb der jeweiligen Ausnehmung strukturiert wird. Die Ausnehmung kann mittels chemischen Ätzen oder anderer mechanischer Abtragungsverfahren erzeugt werden. Sofern die Ausnehmung mittels Ätzens erzeugt wird, kann dies auch als Recess-Ätzen bezeichnet werden. Die Ausnehmung wird in der jeweiligen Hauptseite des jeweiligen Substrats hergestellt, in der später auch die Grabenstrukturen erzeugt werden, wobei die Grabenstrukturen innerhalb der Ausnehmung erzeugt werden. Das heißt, die Ausnehmung weist eine erste Tiefe innerhalb des jeweiligen Substrats auf, und die jeweilige Grabenstruktur ist tiefer als die Ausnehmung und weist somit eine zweite Tiefe innerhalb des jeweiligen Substrats auf. Die beim Recess-Ätzen erzeugte Ausnehmung kann auch als Stufe bezeichnet werden. Durch Einführung einer Stufe vor der Strukturierung der Ventilstege als auch der Ventilklappen kann ebenso der Bond von Ventilsitz und Ventilklappe verhindert werden, so dass kein Freilegung, wie beispielsweise HF-Ätzung notwendig ist. Es erfolgt damit eine Vermeidung des„Sticking“-Effektes durch die Herabsetzung der Ventile um eine Stufe.
Da diese Ausnehmung später einen Anfangsabstand der Ventilklappe zum Auflagesteg darstellt, und somit zu Leckraten führen kann, wird die Tiefe dieser Ausnehmung möglichst klein gewählt (z.B. zwischen 50...500 Nanometer). Damit ist sichergestellt, dass die Ventile ein zu vernachlässigende Leckrate besitzen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das erste und/oder zweite Substrat ein SOI-Substrat (Silicon-on-lnsulator) mit einer Isolierschicht sein, wobei das Rückdünnen des als SOI-Substrat ausgestalteten ersten und/oder zweiten Substrats bis zu dessen Isolierschicht erfolgt. Das heißt, die Isolierschicht dient als mechanische Polierstoppschicht und/oder als Ätzstopp zum ganzflächigen Rückdünnen des Wafers auf ein Zielmaß. Dadurch kann das Rückdünnen des jeweiligen Substrats sehr präzise erfolgen und es kann ein extrem dünner Ventilstack hergestellt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Freilegen der zumindest einen Kavität durch Strukturieren der Vertiefung in der Fläche des SOI-Wafers zeitlich nach einem Rückdünnen des SOI-Wafers und Entfernen dessen Isolatorschicht auf der oberen Fläche und/oder unteren Fläche des Substratstapels erfolgen. Das heißt, es wird zunächst bis zu der als mechanische Polierstoppschicht wirkenden Isolatorschicht rückgedünnt, anschließend wird die Isolatorschicht entfernt, um den darunter liegenden Substratabschnitt freizulegen, und wiederum anschließend wird in den freigelegten Substratabschnitt die Vertiefung zum Freilegen der Kavität eingebracht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die erste Grabenstruktur und die zweite Grabenstruktur innerhalb des Substratstapels lateral voneinander beabstandet sein. Das heißt, die erste Grabenstruktur in dem ersten Substrat und die zweite Grabenstruktur in dem zweiten Substrat weisen einen lateralen (d.h. entlang der Haupterstreckungsrichtung der Substrate) Abstand zueinander auf, wenn das erste und das zweite Substrat miteinander gebondet sind, um den Substratstapel zu bilden. Beispielsweise kann die erste Grabenstruktur die zweite Grabenstruktur zumindest abschnittsweise umgeben. Wenn die durch die Grabenstrukturen gebildeten Kavitäten dann freigelegt werden, führt dies im Ergebnis dazu, dass die durch die erste Grabenstruktur erzeugbare Ventilklappe dem durch die zweite Grabenstruktur erzeugbaren Ventilsteg gegenüberliegt und auf diesem aufliegt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann beim Freilegen der zumindest einen Kavität eine Materialschicht in dem ersten Substrat und/oder eine Materialschicht in dem zweiten Substrat verbleiben, wobei die Tiefe der ersten Grabenstruktur die Materialschichtdicke der in dem ersten Substrat verbleibenden Materialschicht definiert und/oder wobei die Tiefe der zweiten Grabenstruktur die Materialschichtdicke der in dem zweiten Substrat verbleibenden Materialschicht definiert. Wie eingangs bereits erwähnt wurde, wird beim Freilegen der Kavität eine Vertiefung erzeugt. Die lateralen Abmessungen (Außenkonturen) der Vertiefung entsprechen dabei im Wesentlichen den lateralen Abmessungen (Außenkonturen) der jeweiligen ersten und/oder zweiten Grabenstruktur. Das heißt, die Vertiefung ist (bezüglich ihrer lateralen Abmessungen) in etwa gleich groß, oder geringfügig größer, als die jeweilige erste und/oder zweite Grabenstruktur (bezüglich ihrer lateralen Abmessungen). Beispielsweise kann für die Freilegung der Klappe eine flächenmäßig größere Ätzung vorgesehen sein. Für eine Freilegung bzw. einen Durchstoß zum Auflage- beziehungsweise Ventilsteg sollte hingegen die Ätzung flächenmäßig kleiner sein. Die Vertiefung wird bis zu der Kavität eingebracht, um die Kavität freizulegen. Das heißt, das Erzeugen der Vertiefung endet beim Erreichen der Kavität. Dabei bleibt die oben genannte Materialschicht übrig, deren Dicke im Wesentlichen der Tiefe der jeweiligen Grabenstruktur entspricht. Diese verbleibende Materialschichtdicke definiert dann die Dicke der dabei erzeugten Ventilklappe bzw. des dabei erzeugten Ventilstegs.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die verbleibende Materialschicht in dem ersten und/oder zweiten Substrat eine Schichtdicke zwischen 5 mm und 35 mm aufweisen. Beispielsweise können somit Ventilklappen mit einer Dicke zwischen 5 mm und 35 mm erzeugt werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die verbleibende Materialschicht in dem ersten und/oder zweiten Substrat die mit dem Verfahren herzustellende mikromechanische Vorrichtung bilden. Wie eingangs erwähnt, kann also die verbleibende Materialschicht den Ventilsteg beziehungsweise die Ventilklappe bilden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die erste Grabenstruktur und die zweite Grabenstruktur innerhalb des Substratstapels derart zueinander ausgerichtet sein, dass nach dem Schritt des Freilegens der zumindest einen, durch die erste und/oder zweite Grabenstruktur gebildete, Kavität eine in dem ersten Substrat erzeugte mikromechanische Vorrichtung und eine in dem zweiten Substrat erzeugte mikromechanische Vorrichtung einander gegenüberliegend angeordnet sind. Beispielsweise können sich hierbei also je eine Ventilklappe und je ein Ventilsteg gegenüberliegen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann zwischen dem ersten und zweiten Substrat eine Ätzstoppschicht angeordnet sein. Durch die Ätzstoppschicht kann das Freilegen der Kavität sehr definiert erfolgen, d.h. der Ätzvorgang kann genau beim Erreichen der Kavität durch die Ätzstoppschicht unterbrochen bzw. beendet werden.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine mikromechanische Vorrichtung, und insbesondere ein mikromechanisches Ventil, hergestellt nach einem hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann bei dem Mikroventil entweder in dem ersten Substrat die erste Grabenstruktur in Form zumindest zweier konzentrischer geschlossener Kurven und/oder Polygone ausgestaltet sein, und in dem zweiten Substrat kann die zweite Grabenstruktur in Form zumindest einer Kurve und/oder eines Polygonzugs ausgestaltet sein. Alternativ kann in dem zweiten Substrat die zweite Grabenstruktur in Form zumindest zweier konzentrischer geschlossener Kurven und/oder Polygone ausgestaltet sein, und in dem ersten Substrat kann die erste Grabenstruktur in Form zumindest einer Kurve und/oder eines Polygonzugs ausgestaltet sein. Die zwei konzentrischen geschlossenen Kurven und/oder Polygone können einen runden bzw. polygonförmigen Ventilsteg bilden. Die zumindest eine nicht-geschlossene bzw. offene Kurve und/oder der Poiygonzug können eine runde oder polygonförmige Ventilklappe bilden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die jeweils strukturierten Flächen des ersten und zweiten Substrats innerhalb des Substratstapels zumindest eine gemeinsame Verbindungsfläche und zumindest eine Kavität in dem Substratstapel definieren, so dass eine innere Kontur derjenigen Grabenstruktur, die in Form der zumindest einen Kurve und/oder des Polygonzugs ausgestaltet ist, eine äußere Kontur derjenigen Grabenstruktur, die in Form der zumindest zwei konzentrischen geschlossenen Kurven und/oder Polygone ausgestaltet ist, teilweise umgibt, ohne diese zu schneiden. Das heißt, die zumindest ein Kurve und/oder der Polygonzug umgibt zumindest abschnittsweise (in lateraler Richtung) die zumindest zwei konzentrischen geschlossenen Kurven und/oder Polygone.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Mikropumpe umfassend zumindest ein hierin beschriebenes mikromechanisches Ventil.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann bei der Mikropumpe eine Membran auf der oberen und/oder der unteren Fläche des das mikromechanische Ventil enthaltenden Substratstapels derart angeordnet sein, dass die Membran die in der jeweiligen Fläche des Substrats strukturierten Grabenstrukturen und/oder Vertiefungen in dem Substratstapel vollständig abdeckt. Somit kann eine Mikromembranpumpe erzeugt werden, die einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Ventil-Stapel beinhaltet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die von der Membran abgedeckten Grabenstrukturen und/oder Vertiefungen des Substratstapels, im Wesentlichen senkrecht zur Fläche des Substratstapels verlaufende Wandungen aufweisen. Je senkrechter die Wandungen ausgestaltet sind, desto mehr kann ein Totvolumen der Mikropumpe dadurch verringert werden.
Figurenbeschreibung
Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht senkrecht zur Ebene eines Substrats bzw.
Substratstapels mit zwei Ventilen gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht senkrecht zur Ebene eines Substrats bzw.
Substratstapels mit zwei Ventilen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 in einer weiteren seitlichen Schnittansicht senkrecht zur Ebene eines
Substrats bzw. Substratstapels den Vorgang eines maskierenden Vor-Atzens gemäß noch einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 eine seitliche Schnittansicht senkrecht zur Ebene eines Substrats bzw.
Substratstapels einer mikromechanischen Pumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Außerdem sind Verfahrensschritte, die ein bestimmtes Merkmal einer Vorrichtung betreffen mit ebendiesem Merkmal der Vorrichtung austauschbar, was ebenso anders herum gilt.
Außerdem wird hierin ein mikromechanisches Ventil, bzw. eine damit realisierbare mikromechanische Pumpe, als ein nicht-limitierendes Beispiel für eine mikromechanische Vorrichtung beschrieben. Eine mikromechanische Vorrichtung kann mikromechanische Strukturen aufweisen, wobei hierin Ventilklappen und Ventilstege als nicht-limitierende Beispiele für mikromechanische Strukturen beschrieben werden, d.h. ein mikromechanisches Ventil kann mikromechanische Ventilklappen und/oder mikromechanische Ventilstege aufweisen. Mit dem Verfahren können jedoch auch andere mikromechanische Strukturen und mikromechanische Vorrichtungen erzeugt werden.
Figur 1 zeigt verschiedene Schritte S1 bis S5 einer Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung 100 am Beispiel einzelner mikromechanischer Ventile EV, AV bzw. einer mindestens zwei solche mikromechanische Ventile EV, AV umfassenden mikromechanischen Pumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel, in einer Schnittansicht senkrecht zu einer Ebene eines zu bearbeitenden Substrats. Es werden zwei Substrate 101 , 102 bereitgestellt S1.
Dann wird in einem ersten Substrat 101 , das eine erste Fläche 111 und eine dazu parallel beabstandete zweite Fläche 112 umfasst, eine erste Grabenstruktur 131 strukturiert S2. Bei dem Substrat kann es sich um einen Silizium-Wafer mit einer vorherbestimmten Dicke handeln. Zu bearbeitende Silizium-Wafer können dabei eine Dicke zwischen 100 mm bis 500 mm aufweisen. Das Strukturieren S2 der ersten Grabenstruktur 131 erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 mittels eines Trockenätzverfahrens. Das eingesetzte T rockenätzverfahren kann beispielsweise ein RIE- (reaktives lonenätzen) oder ein DRIE- (reaktives lonentiefenätzen) Verfahren sein. T rockenätzverfahren zeichnen sich insbesondere wegen der guten Kontrollierbarkeit des Ätzverhaltens - Homogenität, Ätzrate, Ätzprofil, Selektivität - aus. Mittels des Trockenätzverfahrens lassen sich nahezu senkrechte Wandungen in der ersten Grabenstruktur 131 realisieren, da die Ätzung anisotrop verläuft. Bei anisotropen Ätzprozessen wird das Material nur senkrecht zur Oberfläche angegriffen, folglich wird ein Maß der Ätzmaskierung genau in die darunter liegende Schicht übertragen.
Entsprechend dem ersten Substrat 101 , wird in einem zweiten Substrat 102, das eine erste Fläche 121 und eine parallel dazu beabstandete zweite Fläche 122 umfasst, eine zweite Grabenstruktur 132 in der ersten Fläche 121 strukturiert S2. Im vorliegenden nicht- limitierenden Beispiel entspricht das Material des Substrats 102 ebenfalls einem Silizium- Wafer und die Art und Weise des Ätzverfahrens entspricht ebenfalls einem Trockenätzverfahren. Je nach den gestellten Erfordernissen, können die einzelnen Substrate 101 , 102 aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien hergestellt sein. Des Weiteren können die einzelnen Substrate 101 , 102 auf ihren jeweiligen ersten Flächen 111 , 121 bzw. ihren jeweiligen zweiten Flächen 112, 122 eine für das gewählte Ätzverfahren erforderliche Beschichtung aufweisen, beispielsweise eine Ätzstoppschicht 115, 125 oder eine Fotolackschicht und dergleichen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die erste Grabenstruktur 131 des ersten Substrats 101 die gleiche Querschnitts-Form wie die zweite Grabenstruktur 132 des zweiten Substrats 102 auf - in einer Schnittebene senkrecht zur Fläche 111 und 121 der Substrate 101 und 102. Die jeweiligen Grabenstrukturen 131 bzw. 132 können selbstverständlich mehrfach auf einem oder demselben Substrat 101 , 102 strukturiert S2 werden, so dass anschließend eine Vielzahl von mikromechanischen Ventilen EV, AV aus einem einzigen Wafer-Paar hergestellt werden können. Demnach zeigt Fig. 1 auch lediglich einen Ausschnitt aus einem Wafer, der zur Herstellung einer oder mehrerer mikromechanischer Ventile EV, AV dienen kann.
Im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 werden zwei gleichartige Substrate 101 und
102, die jeweils eine erste Grabenstruktur 131 und eine zweite Grabenstruktur 132 aufweisen, übereinander zu einem Substratstapel 150 angeordnet (S3), so dass sowohl ein Einlassventil EV als auch ein Auslassventil A V realisiert werden können. Dabei wird in dem zweiten Substrat 102 beispielsweise ein Einlasskanal EK und ein Ventilsteg VS strukturiert, indem die Kavität 140 freigelegt S5 wird, und in dem ersten Substrat 101 ein Auslassventil AV sowie eine Ventilkappe VK, die, wenn sie in eine Ruheposition auf dem Ventilsteg VS aufliegt, einen Durchfluss eines Fluids zwischen dem Auslasskanal AK und dem Einlasskanal EK unterbindet.
Im Folgenden beschränkt sich die weitere Diskussion lediglich auf die Herstellung eines einzelnen Ventils EV, beispielsweise des Einlassventils EV - in der linken Figurenhälfte der Fig. 1 durch eine geschweifte Klammer angedeutet. Das Gesagte kann analog auf die Herstellung eines Auslassventils AV bezogen werden - in der rechten Figurenhälfte der Fig. 1 durch eine geschweifte Klammer angedeutet - und gilt vice versa. Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird der Substratstapel 150 dadurch gebildet, dass das erste Substrat 101 und das zweite Substrat 102 miteinander gebondet S3 werden - beispielsweise mittels eines Silizium-Direktbond-Verfahrens. In Fig. 1 ist das Substrat 101 auf dem Substrat 102 angeordnet so dass die ursprüngliche zweite Fläche 112 des ersten Substrats 101 eine obere Fläche 151 des Substratstapels 150 bildet; bzw. die ursprüngliche zweite Fläche 122 des zweiten Substrats 102 eine untere Fläche 152 des Substratstapels 150 bildet. Die strukturierte erste Fläche 111 des ersten Substrats
101 sowie die strukturierte erste Fläche 121 des zweiten Substrats 102 sind einander gegenüberliegend angeordnet, wobei die in dem jeweiligen strukturierten Substrat 101 ,
102 ausgebildeten Strukturierungen eine oder mehrere Kavitäten 140 in dem durch das Bonden entstandenen Substratstapel 150 bilden. Die Kavitäten 140 können anschließend freigelegt werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt das Freilegen S5 der Kavitäten 140 in einer ordnungsgemäßen Aufeinanderfolge erst nach dem Anordnen S3 bzw. Bonden der beiden Substrate 101 , 102 zum Substratstapel 150. Dies hat den Vorteil, dass der gesamte Substratstapel 150 mechanisch stabiler und widerstandsfähiger ausgebildet ist und somit sicherer gehandhabt und leichter bearbeitet werden kann. Durch die gegenseitige Verstärkung der einzelnen Substrate 101 , 102 im gesamten Substratstapel 150 können die ursprünglichen Substrate 101 , 102 in ihrer Dicke auch schmäler gegenüber solchen Substraten 101 , 102 gewählt werden, die, ohne miteinander gebondet zu sein, einzeln prozessiert werden würden/müssten. Dadurch kann Material und Arbeitszeit eingespart werden sowie die Komplexität der Prozessierung reduziert werden.
Vorteilhafterweise kann im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die obere Fläche 151 des Substratstapels 150 mechanisch, beispielsweise durch Abschleifen oder Grinden und Polieren auf eine vorherbestimmte Dicke des Substratstapels 150 rückgedünnt S4 werden, was zu einer großen Zeitersparnis beim Prozessieren des Substratstapels 150 führt. Analog lässt sich die untere Fläche 152 des Substratstapels 150 rückdünnen - hier nicht gezeigt. Alternativ oder zusätzlich können dünnere Wafer bzw. Substrate 101 , 102 - d. h., dünner als 450 mm - verwendet werden, so dass entweder das Schleifen reduziert werden oder ganz wegfallen kann. In dem rückgedünnten S4 Substratstapel 150 kann/können anschließend durch Freilegen S5 der Kavitäten 140 in dem Substratstapel 150 durch Strukturieren einer Vertiefung 162 in der unteren Fläche 152 des Substratstapels 150 ein Einlasskanal EK bzw. durch Strukturieren einer Vertiefung 161 in der oberen Fläche 151 des Substratstapels 150 ein Auslasskanal AK des Einlassventils EK gebildet werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fig. 1 erfolgt die Freilegung S5 bzw. Strukturierung der Vertiefung 162 auch mittels eines Trockenätzverfahrens - vergleiche oben. Bei der Betrachtung der Herstellung des Einlassventils EV wird im Falle der Freilegung S5 der Kavität 140 die Vertiefung 162 ausgehend von der unteren Fläche 152 des Substratstapels 150 vertikal bis zur Kavität 140 strukturiert. Dadurch entstehen der Einlasskanal EK sowie die Ventilstege VS des Einlassventils EV.
Für die Strukturierung der Vertiefung 161 bzw. 162 zum Freilegen S5 der Kavität 140 wird im Folgenden in den Fig. 1 bis 3 mittels eines Pfeils zur Veranschaulichung einer Richtung die Wirkung des Ätzprozesses angedeutet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann zwischen dem ersten und zweiten Substrat 101 , 102 eine Ätzstoppschicht 155 angeordnet sein. Die Ätzstoppschicht 155 kann dabei aus einer Beschichtung der ersten Fläche 111 des ersten Substrats 101 mit einer Ätzstoppschicht 115 und/oder aus einer Beschichtung der zweiten Fläche 112 des zweiten Substrats 102 mit einer Ätzstoppschicht 125 gebildet werden. Durch die Ätzstoppschicht kann das Freilegen S5 der Kavität 140 optimal erfolgen, d.h., dass der Ätzvorgang genau beim Erreichen der Kavität 140 durch die Ätzstoppschicht 155 unterbrochen bzw. beendet werden kann.
Fig. 2 zeigt verschiedene Schritte S1 bis S53 einer Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung 100 am Beispiel einzelner mikromechanischer Ventile EV, AV bzw. einer mindestens zwei solche mikromechanische Ventile EV, AV umfassenden mikromechanischen Pumpe gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, in einer Schnittansicht senkrecht zu einer Ebene eines zu bearbeitenden Substrats 101 , 102.
Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 unter anderem dadurch, dass eines der beiden Substrate 101 , 102 unter Verwendung unterschiedlicher Ätzverfahren prozessiert werden kann. Analog zu der Beschreibung in Fig. 1 wird bei der Beschreibung von Fig. 2 auch beispielhaft lediglich die Herstellung eines einzelnen Einlassventils EV betrachtet. Die für das Einlassventile EV geltenden Herstellungsschritte, Merkmale, Funktionalitäten sowie Vorteile treffen gleichermaßen auf die Herstellung des Auslassventils AV unter Verwendung der beiden Substrate 101 , 102 zu. Ebenso treffen die Vorteile des vorhergehend beschriebenen Trockenätzverfahrens für das Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 zu - insbesondere das Ätzen in der oberen Fläche 151 des Substratstapels 150.
Das Vorätzen einer Vertiefung 162 unter Verwendung des nasschemischen Verfahrens (insbesondere von KOH) hat gegenüber dem T rockenätzverfahren folgende Vorteile:
1) Nassätzen ist ein Parallelprozess, bei dem eine Vielzahl von Wafern beziehungsweise Substraten parallel geätzt werden können, und damit wirtschaftlicher;
2) Nassätzen ist, richtig durchgeführt, bezüglich der Homogenität der Ätztiefe wesentlich homogener als Trockenätzen. Somit können Schwankungen, die sich bei großen Ätztiefen unter Zuhilfenahme des Trockenätzverfahrens ergeben, vermieden werden - bei großen Ätztiefen mehrerer 100 mm können diese Schwankungen beim Trockenätzen mehr als 10 mm betragen, während die Schwankungen beim Nassätzen geringer als 1 mm sein können.
Somit können durch die Kombination des chemischen Nassätzens eines Teils der Vertiefung 162 und das Offenlegen der Kavitäten 140 durch Trockenätzen, die Vorteile der beiden Ätzmethoden ideal kombiniert werden.
In dem nicht-limitierenden Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind die in S1 bereitgestellten Substrate 101 bzw. 102 aus dem gleichen Material, beispielsweise einem Silizium-Wafer hergestelit. Eine in S2 dem Substrat 101 strukturierte erste Grabenstruktur 131 , sowie eine im Substrat 102 strukturierte zweite Grabenstruktur 132 sind unter Verwendung eines Trockenätzverfahrens hergestellt. Dabei wurde in S2 das Substrat 102 länger prozessiert, um eine tiefere zweite Grabenstruktur 132 zu strukturieren.
Sofern die beiden Substrate 101 , 102 auf ihren Flächen 111 , 112 bzw. 121 , 122 nicht bereits eine Ätzstoppschicht aufweisen, kann diese in einem hier nicht dargestellten Verfahrensschritt beispielsweise unter Verwendung einer trockenen Oxidation aufgebracht werden. Die beiden Substrate 101 , 102 werden derart zueinander angeordnet, dass jeweils deren strukturierten Flächen 111 bzw. 121 einander gegenüberliegen und anschließend in S3 zu einem Substratstapel 150 gebondet werden. Dabei entstehen aufgrund der strukturierten S3 Flächen 111 bzw. 121 der beiden Substrate 101 bzw. 102 Kavitäten 140 in dem Substratstapel 150. Gleichzeitig wird die Oxidschicht, beispielsweise eine Ätzstoppschicht 155 als eine gemeinsame Verbindungsfläche durch die beiden Substrate 101 und 102 gebildet.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 beginnt in S5 eine Freilegung der Kavität 140 vor einem in S4 erfolgten Rückdünnen des Substratstapeis 150. Anhand eines nasschemischen Ätz-Verfahrens wird in einem ersten Teilschritt S51 mit der der
Freilegung S5 der Kavität 140 begonnen. Beispielsweise kann eine Vertiefung 162 in der unteren Fläche 152 des Substratstapels 150 mittels eines KOH- oder TMAH-Verfahrens soweit vorgeätzt werden, dass lediglich noch ein vorherbestimmter Abstand beispielsweise 10 Mikrometer bis 20 mm bis zur Freilegung der Kavität 140 in S4 abzutragen ist.
Durch das Vorätzen der Vertiefung 162 unter Verwendung des nasschemischen Verfahrens kann Zeit gespart werden, da das nasschemische Verfahren ein Parallelprozess ist und somit eine Vielzahl von Substraten 101 , 102 parallel geätzt werden können, damit ist der Wafer-Durchsatz wesentlich höher. Zusätzlich ist das KOH -Ätzen bezüglich der Homogenität der Ätztiefe besser. Darüber hinaus können Schwankungen, die sich bei großen Ätztiefen unter Zuhilfenahme des Trockenätzverfahrens ergeben, vermieden werden - bei großen Ätztiefen mehrerer 100 mm können diese Schwankungen mehr als 10 mm beim Trocken ätzen, während beim Nassätzen sie weniger als 1 mm betragen können. Durch die Kombination beider Verfahren kann somit der Durchsatz erhöht werden, da die Nassätzung (54,7°) ein homogener Parallelprozess ist und das Trockenätzen steilere (ca. 90°) Flanken ermöglicht
Wird für die nasse Vorätzung das Loch des Ätzstarts kleiner gewählt, so dient es beim anschließendem Trockenätzen als Maskierung vergleiche gepunktete Linie in Fig. 2 bei Schritt . Für die Strömung spielt diese zusätzliche Engstelle keine wesentliche Rolle, da der Druckabfall hauptsächlich am Ventil erfolgt, da hier die Querschnitt immer noch geringer sind. Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch den Ätzschritt eine Ventilklappe VK realisiert wird, und eine Klappenauslenkung von der dritten Potenz der Klappen-Dicke abhängt, wäre eine solche Parameterschwankung über den gesamten Wafer möglicherweise zu groß, wenn man nicht die Wafer-Dicke reduzieren kann. Beispielsweise, wenn die Klappen-Dicke 15 mm betragen würde, und die Dicken- Schwankung 10 mm betragen würde, dann würde die Klappen-Dicke zwischen 10 mm und 20 mm schwanken. Auslenkungen zweier in ihren Dicken schwankenden Ventilklappen VK würden sich demnach bei gleicher Belastung, beispielsweise einem Druck, um den Faktor 23 = 8 unterscheiden. Folglich kann eine Schwankung hinsichtlich der Dicke über den gesamten Wafer hinweg klein gehalten werden, da nur wenige Mikrometer geätzt werden.
Dadurch, dass die Kavität 140 nicht unter Verwendung des Nassätzverfahrens freigelegt wird, bleibt die CMOS-Kompatibilität erhalten. Obwohl TMAH gegenüber KOH den Nachteil einer geringeren Selektivität aufweist, kann bei der Verwendung des Nassätzverfahrens TMAH auch eingesetzt werden. Da der (Tiefen-) Ätzprozesses im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 nur dazu verwendet wird, um eine Vertiefung 162 zu machen, und nicht dazu, um kritische Designparameter, wie beispielsweise einen Einlasskanal EK oder eine Ventilklappe VK zu realisieren, kann das Nassätzverfahren mittels TMAH auch durchgeführt werden. Schließlich hat TMAH eine wesentlich bessere Homogenität gegenüber Trockenätzen. Abgesehen davon ist TMAH-Nassätzen im Gegensatz zum Trockenätzen ein Batch-Prozess Somit können mikromechanische Vorrichtungen 100 gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen auch von MEMS-Fabs hergestellt werden, die kein KOH-Nassätzen aber TMAH-Nassätzen verwenden. Die CMOS-Kompatibilität für TMAH- bzw. alle Basen ohne Alkali-Metalle bleibt erhalten.
Anschließend an das Herstellen der Vertiefung 162 in dem Substratstapel 150 wird die obere Fläche 151 des Substratstapels 150 in S4 rückgedünnt. Durch das Rückdünnen S4 wird erreicht, dass in einem daran anschließenden Strukturierungsschritt zum Erstellen einer Vertiefung 161 in der oberen Fläche 151 des Substratstapels 150 zum Freilegen in S5 der Kavität 140, nur noch eine reduzierte Materialmenge abgetragen werden muss.
In einem weiteren Teil-Schritt S52 des Freilegens S5 wird die Vertiefung 162 bis zur Ätzstoppschicht 155 vor der Kavität 140 unter Verwendung eines Trockenätzverfahrens strukturiert, wobei dadurch der Einlasskanal EK des Einlassventils EV gebildet wird. Durch das Trockenätzverfahren kann sichergestellt werden, dass kritische Elemente der mikromechanischen Vorrichtung 100 besonders genau ausgeführt werden können.
In einem weiteren Teil-Schritt S53 des Freilegens S5 der Kavität 140, wird ausgehend von der rückgedünnten oberen Fläche 152 des Substratstapels 150 - senkrecht zur oberen Fläche 152 - mittels eines Trockenätzverfahrens die Vertiefung 161 bis zur Ätzstoppschicht 155 der Kavität 140 ausgeführt, wobei ein Äuslasskanal AK des Einlassventils EV gebildet wird.
Beim Freilegen in S5 der Kavitäten 140 durch einen Trockenätzschritt wird auch die die Dicke der Ventilklappe VK definiert. Die Klappendicke stellt aber einen kritischen Designparameter dar, und sollte über den Wafer nicht zu stark schwanken. Beim
Trockenätzen entsprechen die Schwankungen der Ätztiefe über dem Wafer typischer weise einige Prozent (z.B. 4 %) der Ätztiefe. Würde man die das Freiätzen der Klappe nur durch Trockenätzen durchführen, hätte man bei einer Ätztiefe von rund 400 mm eine Dickenschwankung der Klappe von rund 16 mm.
Auch aus diesem Grunde ist es sehr vorteilhaft, das Tiefenätzen der Gruppe durch einen homogenen Ätzschritt oder eine homogene Strukturierungstechnologie durchzuführen (KOH, TMAH), und nur die letzte Schichtdicke (z.B. 5...20 mm) durch den T rockenätzprozess durchzuführen. Damit kann sichergestellt werden, dass die Schwankungen der Dicke der Ventilklappe VK über den Wafer bzw. das Substrat 102 nur 4% dieser letzten Ätzschritt-Tiefe beträgt, also bei 5...20 mm nur noch 0,2 mm...0,8mm.
Je kleiner also die Ätztiefe beim Freilegen der Kavität gewählt werden kann, desto größer ist die Homogenität der Klappendicken über den Wafer.
Normalerweise ist die Ätzrate beim Trockenätzen in der Wafermitte kleiner als am Waferrand. Weiterhin muss beachtet werden, dass bei der Wahl der Ätztiefe der Strukturierung der Grabenstrukturen 131 und 132, die anfangs auf die Substrate 101 , 102 geätzt werden, auch die späteren Ätzschwankungen der Ätzschritte beim Freiätzen der Kavität 140 über dem Wafer berücksichtigt werden, und die Ventilklappen VK nicht zu dünn werden. So muss vorteilhafter Weise die Ätztiefe der Strukturen 131 und 132 mindestens die Klappendicke plus die Summe der Tiefen-Ätzschwankungen über den Wafer aller Rückseiten-Ätzschritte betragen. Nur in diesem Falle ist sichergestellt, dass alle Kavitäten 140 (auch am Waferrand) beim Freilegen auch geöffnet werden, ohne dass die Ventilklappen VK in der Wafermitte zu dünn werden.
Um ein solches Problem zu vereinfachen, kann die Grabenstruktur 131 bzw. 132, die nachher den Ventildurchfluss bestimmt , am Anfang tiefer geätzt werden. Zum Beispiel, tiefer als die Summe aller Ätzschwankungen. Das hat zu Folge, dass beim Freilegen in S5 auf alle Fälle die Kavitäten 140 freigeätzt werden können, und man sich bei diesem Ätzschritt ganz auf die Einstellung der Klappendicke konzentrieren kann.
In einem in der Fig. 2 nicht gezeigten Schritt, wird die Ätzstoppschicht 155 zur vollständigen Freilegung in S5 der Kavität 140 entfernt, wobei das Einlassventil EV vollständig ausgebildet wird.
Gemäß einem weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann vor dem Strukturieren in S2 der ersten Grabenstruktur 131 in dem ersten Substrat 101 und/oder dem Strukturieren in S2 der zweiten Grabenstruktur 132 in dem zweiten Substrat 102 vorab eine Ausnehmung in der zu strukturierenden ersten Fläche 111 des ersten Substrats 101 bzw. der ersten Fläche 121 des zweiten Substrats 102 erzeugt werden. Anschließend werden dann die jeweiligen Grabenstrukturen 131 bzw. 132 innerhalb der jeweiligen Ausnehmung in der dazugehörenden Fläche 111 bzw. 121 strukturiert. Die Ausnehmung kann mittels Ätzen und/oder anderer mechanischer Abtragungsverfahren erzeugt werden. Sofern die Ausnehmung mittels Ätzens erzeugt wird, kann von einem Recess-Ätzen gesprochen werden. Durch das Recess-Ätzen können die Substrate 101 und/oder 102 als Halbfertigprodukte zur weiteren Verarbeitung gemäß vorherstehenden Ausführungsbeispielen bereitgestellt werden.
Trotz aller Vorteile hat diese Kombination auch Nachteile. Beim nasschemischen Ätzen treten die durch die Kristallstruktur vorgegebenen Ätzwinkel von 54,7 ° auf, so dass die lateralen Abmessungen der Ventilsümpfe größer werden, was bei sehr kleinen Ventilchips die Miniaturisierung des Ventils EV, AV oder einer mikromechanischen Pumpe MMP (im Gegensatz zum Trockenätzen mit senkrechten Ätzflanken) begrenzen kann. Man kann auch den verbleibenden Teil des Substratmaterials der Vertiefung 162 bis zur Kavität 140 kleiner machen, um das Freilegen in S52 durch Trockenätzen sicherer zu gestalten, und um den seitlichen Ätzangriff der Ventilstege VS zu vermeiden, indem die Ätzgrube als Schattenmaske dient: Dieses Vorgehen wird in der Fig. 3 veranschaulicht, die in einer weiteren seitlichen Schnittansicht senkrecht zur Ebene eines Substratstapels 150 den Vorgang eines maskierenden Vor-Ätzens zusätzlich oder als eine Variante analog dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 zeigt. Dabei werden Grenzen einer Kontur der Schattenmaske in Fig. 3 durch waagrechte zueinander gerichtete Pfeile in der Vertiefung 162 angedeutet. Senkrechte Pfeile in der Fig. 3 deuten die Richtung der anschließend erfolgenden Trockenätzung zur Freilegung der Kavität 140 in S52 an, so dass ein Einlasskanal EK entsteht.
Obwohl dann der Strömungsquerschnitt an der Durchätzstelle geringer ist, als die Auflagefläche der Ventilstege VS der Ventilklappe VK, spielt dies strömungsmechanisch keine Rolle, da Engstellen an dem Ventil auch bei geöffneter Ventilklappe VK viel geringer sind als an der Stelle an der die Vertiefung 162 in die Kavität 140 übergeht, und sonst der Druckabfall hauptsächlich an der Ventilklappe VK abfällt.
Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch den Ätzschritt eine Ventilklappe VK realisiert wird, und eine Klappenauslenkung von der dritten Potenz der Klappen-Dicke abhängt, wäre eine solche Parameterschwankung über den gesamten Wafer beziehungsweise den Substratstapel 150 möglicherweise zu groß, wenn man nicht die Wafer-Dicke reduzieren kann. Beispielsweise, wenn die Klappen-Dicke 15 mm betragen würde, und die Dicken-Schwankung 10 mm betragen würde, dann würde die Klappen- Dicke zwischen 10 mm und 20 mm schwanken. Auslenkungen zweier in ihren Dicken schwankenden Ventilklappen VK würden sich demnach bei gleicher Belastung, beispielsweise einem Druck, um den Faktor 23 = 8 unterscheiden. Folglich kann eine Schwankung hinsichtlich der Dicke über den gesamten Wafer hinweg klein gehalten werden, da nur wenige Mikrometer geätzt werden.
Nach dem nasschemischen Ätzen der Vertiefung 162 wird das Freiätzen der Kavität 140 bevorzugt nicht mittels nasschemischen Ätzen verfolgen, da die nach dem Freilegen der Kavität 140 eindringende Flüssigkeit die Mikrostrukturen anätzen kann. Diese Gefahr kann zwar reduziert werden, indem die Strukturen zuvor mit einer Oxidschicht 155 passiviert werden, allerdings wäre dies ein zusätzlicher Prozessschritt. Außerdem hat das Eindringen von Flüssigkeit in die Kavität weitere Nachteile.
Nach dem nasschemischen Ätzen der Vertiefung 162 wird das Freiätzen beziehungsweise Freilegen S52 der Kavität 140 bevorzugt durch einen STS- Trockenätzprozess von nur wenigen Mikrometern durchgeführt. Durch diese geringe Ätztiefe beim Freilegen S51 ist auch (trotz relativ großer Ätzschwankungen beim Trockenätzen über den Wafer) nur eine geringe Überätzung erforderlich, um alle Kavitäten 140 in dem Substratstapel 150 freizulegen. Eine geringe Überätzung verringert dabei die Gefahr einer Beschädigung der freigelegten Strukturen. Da STS Trockenätzen ein vertikal gerichteter Ätzprozess ist, werden die Strukturen nicht signifikant beschädigt, wenn die Kavitäten 140 in S52 freigelegt sind, da diese sich nicht in der Ätzrichtung befinden.
Fig. 4 zeigt anhand eines Ausführungsbeispiels, wie eine mikromechanische Vorrichtung 100 in Form einer mikromechanischen Pumpe MMR realisiert werden kann.
Eine einfache Ausführungsform einer mikromechanischen Pumpe MMP kann zumindest zwei Ventile aufweisen, beispielsweise ein Einlassventil EV sowie ein Auslassventil AV, und eine Pumpkammer PK, die von einer die Ventile EV, AV überspannenden Membran M gebildet wird. Im Folgenden wird beispielhaft der Herstellungsprozess einer mikromechanischen Pumpe MMP anhand von mehreren Schritten S10 bis S50 dargestellt, wobei die Reihenfolge der Schritte lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellt, d. h., dass die Reihenfolge bestimmter Schritte S10 bis S50 auch variieren kann, um zum gleichen Ergebnis zu kommen.
S10 : Zur Herstellung der mikromechanischen Pumpe MMP wird ein bereits vorverarbeiteter Substratstapel 150 bereitgestellt, der beispielsweise unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ausführungsbeispiele aus Fig. 1 bzw. Fig. 2 hergestellt wurde. Im Unterschied zu den vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann der Substratstapel 150 aus zwei unterschiedlichen Substraten 101 bzw. 102 gebildet sein. Es ist ebenso möglich, dass die Substrate 101 , 102 gleichartig sind und beispielsweise das gleiche Material aufweisen. Das Substrat 101 kann beispielsweise ein Silizium-Wafer sein, das mit einem zweiten Substrat 102, das einen SOI-Wafer darstellt, zu einem Substratstapel 150 gebondet ist. Der SOI-Wafer des zweiten Substrats 102 des Substratstapels 150 umfasst in seinem Inneren eine zu der unteren Fläche 152 des Substratstapels 150 parallele Siliziumoxidschicht SOI2, z.B. aus Siliziumdioxid.
S20 : In dem Substratstapel 150 bzw. dessen Substrat 101 ist bereits mittels Trockenätzen ein erster Auslasskanal AK1 mit dazugehöriger Ventilklappe VKl und ein zweiter Einlasskanal EK2 mit dazugehörigen Ventilstegen VS2 strukturiert worden. In dem zweiten Substrat 102 des Substratstapels 150 sind Grabenstrukturen vorgesehen worden, die in einem späteren Verarbeitungsschritt die Ventilstege VS1 des Einlassventils EV bzw. die Ventilklappe VK2 des Auslassventils AV bilden sollen.
Die Pumpkammer PK der mikromechanischen Pumpe MMP ist in einem dritten Substrat 103 gebildet, dass ein SOI -Wafer sein kann, in den die Pumpkammer PK bereits in einer zweiten Fläche des Substrats 103 vorgeätzt wurde. Parallel zu der zweiten Fläche des dritten Substrats 103, die die Pumpkammer PK umfasst, ist in einem vorherbestimmten Abstand eine erste unbearbeitete Fläche UB des dritten Substrats 103 von der zweiten Fläche PK beabstandet. Der SOI-Wafer des dritten Substrats 103 umfasst in seinem Inneren eine zu seiner unbearbeiteten Fläche UA parallele Siliziumoxidschicht SOI3, z.B. aus Siliziumdioxid.
Die Siliziumoxidschicht 103 ist optional, d.h. das Substrat 103 kann auch ein Substrat sein, dass keine Siliziumoxidschicht aufweist. Auch die in dem Substrat 103 ausgestaltete Pumpkammer PK ist optional. Es kann ebenfalls denkbar sein, dass das Substrat 103 plan auf dem vorprozessierten Substrat 101 aufliegt. Das Substrat 103 kann später eine Pumpmembran für die mikromechanische Pumpe MMP bilden. Hierfür kann das Substrat 103 bzw. die daraus gebildete Membran von dem Substrat 101 abgehoben werden, zum Beispiel mittels eines Piezoaktuators. Durch das Abheben der Membran 103 von dem Substrat 101 bildet sich ein Hohlraum zwischen der Membran 103 und dem Substrat 101 aus. Dieser Hohlraum kann in diesem Beispiel dann eine Pumpkammer bilden.
S30 : Zur weiteren Verarbeitung wird der Substratstapel 150 über seine obere Fläche 151 mit der die Pumpkammer PK enthaltenden zweiten Fläche des Substrats 103 zu einem neuen Substratstapel 250 verbunden, beispielsweise mittels Fusion-Bonden. Der so entstandene Substratstapel 250 weist nun eine obere Fläche 251 auf, die der unbearbeiteten Fläche UB des dritten Substrats 103 entspricht und eine untere Fläche 252, die der unteren Fläche 152 des Substratstapels 150 entspricht. Durch die Verbindung des dritten Substrats 103 mit dem Substratstapel 150 entsteht ein stabiles und leicht handhabbares Gebilde, das besonders sicher und leicht weiterverarbeitet werden kann. Durch das Bonden des dritten Substrats 103 mit dem Substratstapel 150 entsteht eine Kavität 140, die sowohl Teile der einzelnen Ventile EV bzw. AV - hier den Auslasskanal AK1 des Einlassventils EV und den Einlasskanal EK2 des Auslassventils AV - umfasst als auch die Pumpkammer PK.
Die beiden Siliziumoxidschichten SOI2, SOI3 dienen zum ganzflächigen Rückdünnen des
Substratstapels 250 auf ein Zielmaß der daraus zu bildenden mikromechanischen Pumpe
MMR.
S41 : Dabei wird der Substratstapel 250 beispielsweise zuerst von seiner oberen Fläche 251 bis zur Siliziumoxid Schicht SOI3 des dritten Substrats 103 rückgedünnt.
S42: Anschließend wird der Substratstapel 250 von seiner unteren Fläche 252 bis zur Siliziumoxid Schicht SOI2 rückgedünnt . Alternativ kann der Substratstapel 250 auch in umgekehrter Reihenfolge rückgedünnt werden. Die Art und Weise des Rückdünnens bis zu den einzelnen Siliziumoxidschichten SOI2 bzw. SOI3 kann unter Verwendung mechanischer und/oder chemischer Verfahren durchgeführt werden - beispielsweise Grinden und Spin-Ätzen mit Stopp auf der Siliziumoxidschicht SOI2 bzw. SOI3.
S43 : Anschließend erfolgt das Entfernen der Siliziumoxid Schicht SOI2 bzw. SOI3.
S44 : Damit die mikromechanische Pumpe MMP ein möglichst geringeres Totvolumen beim Pumpen mittels der Membran M aufweist, kann ein in S50 Freilegen der Kavität 140 von der rückgedünnten unteren Schicht 252 des Substratstapels 250 unter Verwendung eines Trockenätzverfahrens erfolgen. Anhand des Trockenätzverfahrens können Wandungen des Einlasskanals EK1 des Einlassventils EV bzw. Wandungen des Auslasskanals AK2 des Auslassventils AV im Wesentlichen senkrecht zur unteren Fläche 252 des Substratstapels 250 ausgeführt werden. Zu diesem Zweck kann in einem Zwischenschritt einer Lithografie auf einer Lackmaskierung 255 ausgeführt werden, wodurch die Konturen der vorzunehmenden Vertiefung 262 vorgegeben werden.
S50 : Unter Verwendung eines Trockenätzverfahrens wie beispielsweise RIE-Ätzen oder DRIE-Ätzen kann dann die Freilegung der Kavität 140 erfolgen, wobei der Einlasskanal EK1 des Einlassventils EV bzw. der Auslasskanal AK2 des Auslassventils AV in dem Substratstapel 250 strukturiert werden. Mit dem Freilegen der Kavität 140 entsteht bereits die mikromechanische Pumpe MMR. Schließlich kann in einem weiteren Schritt noch die auf die untere Fläche 252 des Substratstapels 250 aufgebrachte Lackmaskierung entfernt werden.
Ein gemäß den vorherstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendetes Verfahren zur Herstellung einer mikromechanische Pumpe MMP ist einfach umzusetzen und gewährleistet eine höhere Zuverlässigkeit der mikromechanischen Pumpe MMP bzw. eine geringere Ausschussrate bei deren Herstellung.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei. Bezugszeichenliste
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Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen mindestens einer mikromechanischen Vorrichtung, umfassend:
Bereitstellen (S1) eines ersten Substrats (101) und eines separaten zweiten Substrats (102), wobei das erste Substrat (101) zwei in einer vorbestimmten Dicke parallel zueinander beabstandete Flächen (111 , 112) aufweist, und wobei das zweite Substrat (102) zwei in einer vorbestimmten Dicke parallel zueinander beabstandete Flächen (121 , 122) aufweist;
Strukturieren (S2) einer ersten Grabenstruktur (131) in eine der beiden Flächen des ersten Substrats, und Strukturieren einer zweiten Grabenstruktur (132) in eine der beiden Flächen des zweiten Substrats;
Anordnen (S3) der strukturierten Flächen (1 11 , 121) der beiden Substrate (101 , 102) zueinander, sodass ein Substratstapel (150) mit einer oberen Fläche (151) und unteren Fläche (152) definiert wird, und sodass die erste und/oder zweite Grabenstruktur (131 , 132) zumindest eine Kavität (140) in dem Substratstapel (150) bildet;
Rückdünnen (S4) des Substratstapels (150) von der oberen und/oder unteren Fläche (151 , 152) des Substratstapels (150);
Freilegen (S5) der zumindest einen Kavität (140) durch Strukturieren einer Vertiefung (161 , 162) in die obere und/oder untere Fläche (151 , 152) des Substratstapels (150), wobei der Schritt des Freilegens (S5) der zumindest einen Kavität (140) im Verfahren nach dem Anordnen der beiden Substrate (101 , 102) zu dem Substratstapel (150) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Freilegen (S5) der zumindest einen Kavität (140) unter Anwendung eines CMOS-kompatiblen Ätzvorgangs erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Substrat (101) und/oder das zweite Substrat (102) ein Halbleitersubstrat ist.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Strukturieren (S2) der ersten und/oder zweiten Grabenstruktur (131 , 132) und/oder der Vertiefung (161 , 162) in dem ersten und/oder zweiten Substrat (101 , 102 mittels eines Nassätzverfahrens und/oder mittels eines Trockenätzverfahrens erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Strukturieren mittels des Nassätzverfahrens vor dem Strukturieren (S2) mittels des Trockenätzverfahrens erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei das Nassätzverfahren mittels einer wässrigen Lösung durchgeführt wird, wobei die wässrige Lösung mindestens eine der folgenden Zusätze aufweist: Kaliumhydroxid (KOH), Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH), Lithiumhydroxid (LiOH), Natriumhydroxid (NaOH), Pyrazin, Brenzkatechin, Ethylendiamin, Isopropanol und Tertbutanol.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das T rockenätzverfahren RIE- Ätzen (RIE: Reaktives lonenätzen) und/oder DRIE-Ätzen (DRIE: Reaktives lonentiefenätzen) umfasst.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Strukturieren (S2) der ersten Grabenstruktur (131) in dem ersten Substrat (101) und/oder der zweiten Grabenstruktur (131) in dem zweiten Substrat (102) eine Ausnehmung in dem jeweiligen Substrat (101 , 102) erzeugt wird, und wobei anschließend die erste Grabenstruktur (131) und/oder die zweite Grabenstruktur (132) innerhalb der jeweiligen Ausnehmung strukturiert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Substrat (101) und/oder zweite Substrat (102) ein SOI-Substrat (SOI2) (Silicon-on-lnsulator) mit einer Isolierschicht ist, und wobei das Rückdünnen (S4) des als SOI-Substrat ausgestalteten ersten und/oder zweiten Substrats (101 , 102) bis zu dessen Isolierschicht (115, 125; 155) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Freilegen (S5) der zumindest einen Kavität (140) durch Strukturieren der Vertiefung (161 , 162 in der Fläche des SOI-Wafers nach einem Rückdünnen des SOI-Wafers und Entfernen dessen Isolatorschicht (SOI2) auf der oberen Fläche und/oder unteren Fläche des Substratstapels (150) erfolgt.
1 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Grabenstruktur (131) und die zweite Grabenstruktur (132) innerhalb des Substratstapels (150) lateral voneinander beabstandet sind.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Freilegen (S5) der zumindest einen Kavität (140) eine Materialschicht in dem ersten Substrat (101) und/oder eine Materialschicht in dem zweiten Substrat (102) verbleibt, wobei die Tiefe der ersten Grabenstruktur (131) die Materialschichtdicke der in dem ersten Substrat (101) verbleibenden Materialschicht definiert und/oder wobei die Tiefe der zweiten Grabenstruktur (132) die Materialschichtdicke der in dem zweiten Substrat (102) verbleibenden Materialschicht definiert.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die verbleibende Materialschicht in dem ersten und/oder zweiten Substrat (101 , 102) eine Schichtdicke zwischen 5 mm und 35 mm aufweist.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die verbleibende Materialschicht in dem ersten und/oder zweiten Substrat (101 , 102) eine mikromechanische Struktur der mit dem Verfahren herzustellenden mikromechanischen Vorrichtung (100) bildet.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mittels des Verfahrens herstellbare mindestens eine mikromechanische Vorrichtung (100) eine Ventilklappe (VK) und/oder einen Ventilsteg (VS) aufweist.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Grabenstruktur (131 ) und die zweite Grabenstruktur (132) derart zueinander ausgerichtet sind, dass nach dem Schritt des Freilegens (S5) der zumindest einen, durch die erste und/oder zweite Grabenstruktur (131 , 132 gebildete, Kavität (140) eine in dem ersten Substrat (101) erzeugte erste mikromechanische Struktur und eine in dem zweiten Substrat (102) erzeugte zweite mikromechanische Struktur einander gegenüberliegend angeordnet sind.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem ersten und zweiten Substrat (101 , 102) eine Ätzstoppschicht (155) angeordnet ist.
18. Mikromechanisches Ventil (EV, AV) hergestellt nach einem Verfahren gemäß der vorhergehenden Ansprüche.
19. Mikromechanisches Ventil (EV, AV) gemäß Anspruch 18, bei dem entweder in dem ersten Substrat (101 ) die erste Grabenstruktur (131) in Form zumindest zweier konzentrischer geschlossener Kurven und/oder Polygone ausgestaltet ist, und in dem zweiten Substrat (102) die zweite Grabenstruktur (132) in Form zumindest einer Kurve und/oder eines Polygonzugs ausgestaltet ist, oder umgekehrt.
20. Mikromechanisches Ventil (EV, AV) nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei die jeweils strukturierten Flächen (111 , 121) des ersten und zweiten
Substrats (101 , 102) innerhalb des Substratstapels (150) zumindest eine gemeinsame Verbindungsfläche (155) und zumindest eine Kavität (140) in dem Substratstapel (150) definieren, so dass eine innere Kontur derjenigen Grabenstruktur, die in Form der zumindest einen Kurve und/oder des Polygonzugs ausgestaltet ist, eine äußere Kontur derjenigen Grabenstruktur, die in Form der zumindest zwei konzentrischen geschlossenen Kurven und/oder Polygone ausgestaltet ist, teilweise umgibt, ohne diese zu schneiden.
21. Mikropumpe (MMP) umfassend ein mikromechanisches Ventil (EV, AV) nach einem der Ansprüche 18 bis 20.
22. Mikropumpe (MMP) gemäß Anspruch 21 , bei der eine Membran (M) auf der oberen und/oder der unteren Fläche (151 , 152 des das mikromechanische Ventil (EV, AV) enthaltenden Substratstapels (150) derart angeordnet ist, dass die Membran (M) die in der jeweiligen Fläche des Substrats (101 , 102, 103) strukturierten Grabenstrukturen (131 , 132) und/oder
Vertiefungen (161 , 162; 262) in dem Substratstapel (150) vollständig abdeckt.
23. Mikropumpe (MMP) nach Anspruch 22, wobei die von der Membran (M) abgedeckten Grabenstrukturen (131 , 132) und/oder Vertiefungen (161 , 162; 262) des Substratstapels (150; 250), im Wesentlichen senkrecht zur Fläche des Substratstapels (150; 250) verlaufende Wandungen aufweisen.
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