WO2024083378A1 - Verfahren zur herstellung einer mikromechanischen schichtstruktur mit hohem aspektverhältnis und mikromechanische schichtstruktur - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer mikromechanischen schichtstruktur mit hohem aspektverhältnis und mikromechanische schichtstruktur Download PDF

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WO2024083378A1
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micromechanical
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    • H04R2201/003—Mems transducers or their use

Definitions

  • ME MS actuators and sensors have the disadvantage that they are very area-intensive. In order to achieve high forces, deflections or measurement signals in the substrate plane, comparatively large areas are required. MEMS electrode combs are now produced by directly etching a conductive electrode layer. The maximum capacitance density is thus limited by the aspect ratio of the electrode gap of approx. ⁇ 30:1 (etching depth: etching trench width) that can be achieved with DRI E-etching.
  • NED nanoelectric drive
  • the object of the invention is to produce electrostatic MEMS electrode gaps with an aspect ratio of >30:1 (etching depth: etching trench width) which goes beyond the previous state of the art.
  • the invention relates to a method for producing a micromechanical layer structure with a high aspect ratio of a layer thickness to a distance of a first structural element from an adjacent second structural element in a main extension direction of the layer structure, comprising the steps:
  • the above-mentioned object is achieved by the method according to the invention, because it enables the production of, in particular freely movable, micromechanical structures with a very large aspect ratio.
  • the method can be used advantageously for the production of NED actuators, for example in MEMS loudspeakers.
  • the invention therefore also relates to a micromechanical layer structure with a high aspect ratio as well as a capacitive sensor and a capacitive actuator with such a layer structure.
  • drawing Figure 1 shows schematically a micromechanical device with anisotropically etched structures in the prior art.
  • Figures 2a to j show the method according to the invention for producing a device with a micromechanical structure with a high aspect ratio using a device in different stages of production in a first embodiment.
  • Figures 3a to c show the method according to the invention in a second embodiment.
  • Figure 4 shows schematically the method according to the invention for producing a device with a micromechanical structure with a high aspect ratio.
  • FIG 5 shows an alternative embodiment of the method step of Figure 2c.
  • FIG. 1 shows a schematic of a micromechanical device with anisotropically etched structures in the prior art.
  • An etch stop layer 20 is deposited over a substrate 10 and a micromechanical functional layer 30 is deposited over this.
  • the micromechanical functional layer has a height of ⁇ 75 pm.
  • DRIE anisotropic DRI E etching process
  • narrow trenches of ⁇ 2.5 pm width are introduced into the micromechanical functional layer.
  • the anisotropic etching thus enables an aspect ratio of 30:1 (height to width).
  • the device thus has electrodes 32 with a height of 75 pm and electrode gaps 35 with a width of 2.5 pm.
  • Figures 2a to j show the method according to the invention for producing a device with a micromechanical structure with a high aspect ratio using a device in various stages of production in a first embodiment.
  • the production of a MEMS electrode pair is shown, for example for a MEMS actuator.
  • Figure 2a shows the provision of a substrate 10 with at least one buried, preferably insulating etch stop layer 20 or sacrificial layer with a thickness of 0.5-2.5 pm and a micromechanical functional layer 30 with a thickness of 20-800 pm.
  • the etch stop layer helps to precisely define the electrode height of the MEMS actuator.
  • the etch stop layer 20 can serve as a sacrificial layer to expose the functional layer 30. Furthermore, it serves to anchor and insulate the functional areas from the substrate in the areas remaining after the time-controlled sacrificial layer etching.
  • a recess 36 is etched into the functional layer at the locations intended for at least one filling or electrode up to the etch stop layer ( Figure 2b).
  • the functional layer has a thickness of > 75 pm and the recess has a width of ⁇ 8 pm.
  • the width of the recess corresponds to the intended width of an electrode plus twice the desired electrode spacing.
  • An intermediate layer sequence 40 is then deposited, consisting of a first insulation layer 42 with a layer thickness of 10-2000 nm, an intermediate layer 44 with a thickness of 50-5000 nm and a second insulation layer 46 with a thickness of 10-2000 nm (Figure 2c).
  • the two insulation layers can be formed from SiO2, for example, and deposited using LPCVD-TEOS or by thermal oxidation.
  • LPCVD-TEOS LPCVD-TEOS
  • a polysilicon deposited using LPCVD for example, can be used.
  • a filling layer 50 is then deposited, which now fills the originally etched recess 36 as completely and as void-free as possible (Figure 2d).
  • Conductive polysilicon, tungsten, or similar can be used as a filling layer for an electrode.
  • silicon-rich nitride is also conceivable for purely mechanical functions.
  • Figure 2e shows the planarization of the surface and the partial exposure of the buried intermediate layer sequence 40 by chemical mechanical polishing (CMP).
  • CMP chemical mechanical polishing
  • auxiliary or functional layers 60 such as a hard mask, electrical contact layers or bonding layers can be applied and structured for the functionality of the component ( Figure 2f).
  • the previously applied layers the intermediate layer sequence can be structured, for example to delimit sacrificial layer areas, enable electrical contact, etc.
  • Figure 2g shows that, if not already present, etching accesses 70 to the defined sacrificial regions 38 in the micromechanical functional layer 30 and the intermediate layer 44 are subsequently created.
  • a first sacrificial layer etching step the sacrificial areas of the mechanical functional layer 30 and the intermediate layer 44 provided for this purpose are removed ( Figure 2h).
  • This can be done, for example, by means of SF6 or XeF2 etching.
  • the advantage here is the large under-etching width that can be achieved compared to slow HF gas phase etching.
  • a second sacrificial layer etching process ( Figure 2i).
  • This can be, for example, an HF gas phase etching.
  • the previous removal of the intermediate layer 44 has created a cavity that enables an immediate HF gas phase etching attack on the entire cavity surface even with large under-etching widths, which makes the release considerably easier.
  • the process can therefore be used to produce electrode pairs approximately >75...800 pm high with an electrode gap of approximately 100 nm - 10 pm, while the prior art process can only produce electrode gaps ⁇ 75 pm high and >2.5 pm wide.
  • the surface can be smoothed, for example by tempering (thermal annealing).
  • the electrode gap can be further narrowed by depositing conductive material in the form of an electrically conductive layer 80 on the electrodes after the sacrificial layer etching.
  • a surface passivation in the form of a passivation layer 85 made of, for example, AI2O3/SiO2 are deposited using ALD (atomic layer deposition) to protect the surface ( Figure 2j).
  • Figure 5 shows an alternative embodiment of the method step of Figure 2c. It shows the deposition of an intermediate layer sequence 40 made up of a first insulation layer 42, an intermediate layer 44 and a second insulation layer 46, for example a lower oxide, a polysilicon and an upper oxide, whereby each of the layers is etched back anisotropically after deposition.
  • the result is a structure on the side walls of the recess 36 which defines the width of the electrode gap to be created.
  • voids may be included.
  • Figures 3a to c show the method according to the invention in a second embodiment, wherein voids are removed or avoided.
  • Figure 3a shows, analogously to Figure 2d, the deposition of a filling layer 50 made of polysilicon.
  • voids 55 can be included, usually centrally.
  • Figure 4 schematically shows the method according to the invention for producing a device with a micromechanical structure with a high aspect ratio.
  • the procedure includes the necessary steps: (A) providing a substrate 10 with an etch stop layer 20 arranged thereon and a micromechanical functional layer 30 arranged above the etch stop layer;
  • step (F) sacrificial regions 38 in the functional layer 30 can also be etched.
  • the etch stop layer 20 can also be etched at least in regions.
  • the method according to the invention enables the production of micromechanical structures and devices with a high aspect ratio.
  • the invention thus creates an electrostatic MEMS electrode pair with a vertical electrode gap with an aspect ratio of >30:1.
  • Such a MEMS capacitance can also be composed of several electrostatic MEMS electrode pairs. If one of the electrodes is designed to be movable, a capacitor structure with variable electrical capacitance can be created. This capacitance can be used for both detection and drive purposes.
  • the invention therefore also provides a micromechanical sensor with a capacitive measuring sensor.
  • the micromechanically produced variable capacitance consists of at least one fixed first electrode and at least one movable second electrode.
  • the invention provides an electrostatic micromechanical actuator with at least one micromechanical electrode pair, in particular a so-called NED actuator.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Schichtstruktur mit hohem Aspektverhältnis von einer Schichtdicke (33) zu einem Abstand (34) eines ersten Strukturelements (31) von einem benachbarten zweiten Strukturelement (32) in einer Haupterstreckungsrichtung (35) der Schichtstruktur mit den Schritten: (A) Bereitstellen eines Substrats (10) mit einer darauf angeordneten Ätzstoppschicht (20) und einer über der Ätzstoppschicht angeordneten mikromechanischen Funktionsschicht (30); (B) Herstellen wenigstens einer Ausnehmung (36) in der Funktionsschicht (30) durch Ätzen bis zur Ätzstoppschicht (20); (C) Abscheiden einer Zwischenschichtfolge (40) mit wenigstens einer ersten Isolationsschicht (42), einer Zwischenschicht (44) und einer zweiten Isolationsschicht (46); (D) Füllen der Ausnehmung (36) durch Abscheiden einer Verfüllschicht (50); (E) Planarisieren der Oberfläche der Verfüllschicht (50); (F) Ätzen der Zwischenschicht (44) durch Ätzzugänge (70) durch die Zwischenschichtfolge (40) mit einem ersten Ätzverfahren; und (G) Freistellen des ersten Strukturelements und des zweiten Strukturelements durch Ätzen der ersten Isolationsschicht (42), und der zweiten Isolationsschicht (46) mit einem zweiten Ätzverfahren. Die Erfindung betrifft auch eine mikromechanischen Schichtstruktur mit hohem Aspektverhältnis sowie einen kapazitiven Sensor und einen kapazitiven Aktor mit einer solchen Schichtstruktur.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Schichtstruktur mit hohem Aspektverhältnis und mikromechanische Schichtstruktur
Stand der Technik
Herkömmliche kapazitive ME MS-Aktoren und -Sensoren haben den Nachteil, dass sie sehr flächenintensiv sind. Um hohe Kräfte, Auslenkungen oder auch Messsignale in der Substratebene zu erzielen, bedarf es vergleichsweise großer Flächen. MEMS-Elektrodenkämme werden heute durch direktes Ätzen einer leitfähigen Elektrodenschicht hergestellt. Die maximale Kapazitätsdichte wird damit durch das beim DRI E-Ätzen erreichbare Aspektverhältnis des Elektrodenspaltes von ca. < 30:1 (Ätztiefe : Ätzgrabenbreite) limitiert.
Für MEMS-Lautsprecher wie in der Schrift DE102019203914 beschrieben, werden jedoch energieeffiziente Aktoren mit einem sehr hohen Aspektverhältnis (HAR - high aspect ratio) und damit hoher Kraftdichte benötigt. Die Kraftdichte lässt sich über eine Steigerung des Aspektverhältnisses von Elektrodenhöhe zu Breite des Elektrodenspalts erhöhen.
Die Schrift W020078541 beschreibt einen nanoelectric drive (NED)-Aktor, dessen Herstellung jedoch sehr herausfordernd ist. Bedingt durch die erreichbaren Aspektverhältnisse beim DRI E-Ätzen lassen sich solche NED-Aktoren mit Elektrodenabständen von ~2,5pm herkömmlich nur bis zu einer Höhe von weniger als ca. 75pm darstellen, wie in dem Artikel von B. Kaiser, S. Langa, L. Ehrig, et al. „Concept and proof for an all-silicon MEMS micro speaker utilizing air chambers”. Microsystems and Nanoengineering 5, 43 (2019) offenbart ist.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist die Herstellung von elektrostatischen MEMS-Elektro- denspalten mit einem über den bisherigen Stand der Technik hinausgehenden Aspektverhältnis von >30:1 (Ätztiefe : Ätzgraben breite). Kern und Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Schichtstruktur mit hohem Aspektverhältnis von einer Schichtdicke zu einem Abstand eines ersten Strukturelements von einem benachbarten zweiten Strukturelement in einer Haupterstreckungsrichtung der Schichtstruktur mit den Schritten:
(A) Bereitstellen eines Substrats mit einer darauf angeordneten Ätzstoppschicht und einer über der Ätzstoppschicht angeordneten mikromechanischen Funktionsschicht;
(B) Herstellen wenigstens einer Ausnehmung in der Funktionsschicht durch Ätzen bis zur Ätzstoppschicht;
(C) Abscheiden einer Zwischenschichtfolge mit wenigstens einer ersten Isolationsschicht), einer Zwischenschicht und einer zweiten Isolationsschicht;
(D) Füllen der Ausnehmung durch Abscheiden einer Verfüllschicht;
(E) Planarisieren der Oberfläche der Verfüllschicht;
(F) Ätzen der Zwischenschicht durch Ätzzugänge durch die Zwischenschichtfolge mit einem ersten Ätzverfahren; und
(G) Freistellen des ersten Strukturelements und des zweiten Strukturelements durch Ätzen der ersten Isolationsschicht und der zweiten Isolationsschicht mit einem zweiten Ätzverfahren.
Die oben genannte Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst, denn es ermöglicht die Herstellung von, insbesondere frei beweglichen, mikromechanischen Strukturen mit sehr großem Aspektverhältnis.
Das Verfahren kann beispielsweise vorteilhaft für die Herstellung von NED-Akto- ren, beispielsweise in MEMS-Lautsprechern, verwendet werden. Die Erfindung betrifft also auch eine mikromechanische Schichtstruktur mit hohem Aspektverhältnis sowie einen kapazitiven Sensor und einen kapazitiven Aktor mit einer solchen Schichtstruktur.
Zeichnung Figur 1 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit anisotrop geätzten Strukturen im Stand der Technik.
Die Figuren 2a bis j zeigen das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung mit einer mikromechanischen Struktur mit hohem Aspektverhältnis anhand einer Vorrichtung in verschiedenen Stadien der Fertigung in einem ersten Ausführungsbeispiel.
Die Figuren 3a bis c zeigen das erfindungsgemäße Verfahren in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Figur 4 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung mit einer mikromechanischen Struktur mit hohem Aspektverhältnis.
Figur 5 zeigt eine alternative Ausführung des Verfahrensschrittes von Figur 2c.
Beschreibung der Figuren und weiterer Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit anisotrop geätzten Strukturen im Stand der Technik. Über einem Substrat 10 ist eine Ätzstoppschicht 20 und darüber wiederum eine mikromechanische Funktionsschicht 30 abgeschieden. Die mikromechanische Funktionsschicht hat eine Höhe von ~75 pm. Mittels eines anisotropen DRI E-Ätzprozesses (DRIE - deep reactive ion etch) sind in die mikromechanische Funktionsschicht schmale Gräben von ~2,5 pm Breite eingebracht. Das anisotrope Ätzen ermöglicht also ein Aspektverhältnis von 30:1 (Höhe zu Breite). Die Vorrichtung weist somit Elektroden 32 mit einer Höhe von 75 pm und Elektrodenspalte 35 mit einer Breite von 2,5 pm auf.
Die Figuren 2a bis j zeigen das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung mit einer mikromechanischen Struktur mit hohem Aspektverhältnis anhand einer Vorrichtung in verschiedenen Stadien der Fertigung in einem ersten Ausführungsbeispiel. Gezeigt wird die Herstellung eines MEMS Elektrodenpaares, beispielsweise für einen MEMS Aktor.
Figur 2a zeigt die Bereitstellung eines Substrates 10 mit mindestens einer vergrabenen, bevorzugt isolierenden Ätzstoppschicht 20 oder auch Opferschicht mit einer Dicke von 0,5-2, 5 pm und einer mikromechanischen Funktionsschicht 30 mit einer Dicke von 20-800 pm. Die Ätzstoppschicht hilft dabei, die Elektrodenhöhe des MEMS-Aktors genau zu definieren. Gleichzeitig kann die Ätzstoppschicht 20 als Opferschicht zum Freistellen der Funktionsschicht 30 dienen. Des Weiteren dient sie in den nach dem zeitgesteuerten Opferschichtätzen verbleibenden Bereichen der Verankerung und Isolation der Funktionsbereiche gegenüber dem Substrat.
In die Funktionsschicht wird an den für wenigstens eine Verfüllung bzw. Elektrode vorgesehenen Stellen eine Ausnehmung 36 in die Funktionsschicht bis zur Ätzstoppschicht hineingeätzt (Figur 2b). Die Funktionsschicht hat eine Dicke von > 75 pm, und die Ausnehmung hat eine Breite von < 8 pm. Die Breite der Ausnehmung entspricht der vorgesehen Breite einer Elektrode zuzüglich zweimal dem gewünschten Elektrodenabstand.
Danach wird eine Zwischenschichtfolge 40 aus einer ersten Isolationsschicht 42 mit einer Schichtdicke von 10-2000 nm, einer Zwischenschicht 44 mit 50- 5000 nm Dicke und einer zweiten Isolationsschicht 46 mit 10-2000 nm Dicke abgeschieden (Figur 2c). Die beiden Isolationsschichten können beispielsweise von SiO2 gebildet werden und mittels LPCVD-TEOS oder durch thermische Oxidation abgeschieden werden. Für die Zwischenschicht 44 kommt beispielsweise ein per LPCVD abgeschiedenes Poly-Silizium in Frage.
Anschließend wird eine Verfüllschicht 50 abgeschieden, welche die ursprünglich geätzte Ausnehmung 36 nun möglichst vollständig und lunkerfrei verfüllt (Figur 2d). Als Verfüllschicht kommt beispielsweise leitfähiges Poly-Silizium, Wolfram, o. ä. für eine Elektrode in Frage. Alternativ ist auch Silizium-reiches Nitrid für rein mechanische Funktionen vorstellbar.
Figur 2e zeigt das Planarisieren der Oberfläche und die teilweise Freilegung der vergrabenen Zwischenschichtfolge 40 mittels chemisch-mechanischem Polieren (CMP).
Optional können in diesem Zustand für die Funktionalität des Bauelements weitere wichtige (Hilfs- oder Funktions-)Schichten 60 wie beispielsweise eine Hartmaske, elektrische Kontaktschichten oder auch Bondschichten aufgebracht und strukturiert werden (Figur 2f). Auch können die zuvor aufgebrachten Schichten der Zwischenschichtfolge strukturiert werden, um zum Beispiel Opferschichtbereiche einzugrenzen, eine elektrische Kontaktierung zu ermöglichen, etc.
Figur 2g zeigt, dass nachfolgend, falls nicht bereits vorhanden, Ätzzugänge 70 zu den definierten Opferbereichen 38 in der mikromechanischen Funktionsschicht 30 und der Zwischenschicht 44 geschaffen werden.
In einem ersten Opferschichtätzschritt werden die dafür vorgesehenen Opferbereiche der mechanischen Funktionsschicht 30 und der Zwischenschicht 44 entfernt (Figur 2h). Dies kann beispielweise mittels SF6- oder XeF2-Ätzen geschehen. Vorteil ist hierbei die im Vergleich zum langsamen HF-Gasphasenätzen große erreichbare Unterätzweite.
Schließlich werden die restlichen zur Entfernung vorgesehenen Opferbereiche der ersten und zweiten Isolationsschicht 42, 46 sowie der Ätzstoppschicht 20 mit einem zweiten Opferschichtätzverfahren entfernt Figur 2i). Dies kann zum Beispiel ein HF-Gasphasenätzen sein. Durch die vorangegangene Entfernung der Zwischenschicht 44 ist ein Hohlraum entstanden, der einen sofortigen HF-Gas- phasenätzangriff an der gesamten Hohlraumoberfläche auch bei großen Unterätzweiten ermöglicht, was die Freistellung erheblich vereinfacht. Mit dem Verfahren lassen sich also ca. >75...800 pm hohe Elektrodenpaare mit ca. 100 nm- 10 pm Elektrodenspalt darstellen, während sich mit dem Verfahren nach Stand der Technik nur <75 pm hohe und >2,5 pm breite Elektrodenspalte herstellen lassen.
Alternative Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sind durchführbar.
Nach Ätzen der Ausnehmung in der Funktionsschicht (Figur 2b) kann eine Glättung der Oberfläche beispielweise durch Tempern (thermisches Annealing) erfolgen.
Der Elektrodenspalt kann bei Bedarf durch Abscheiden von leitfähigem Material in Gestalt einer elektrisch leitfähigen Schicht 80 auf die Elektroden nach dem Opferschichtätzen weiter verschmälert werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Oberflächenpassivierung in Gestalt einer Passivierschicht 85 aus z. B. AI2O3/SiO2 mittels ALD (atomic layer deposition) abgeschieden werden, um die Oberfläche zu schützen. (Figur 2j).
Nach Abscheiden der Schichten der Zwischenschichtfolge können einzelne oder alle diese Schichten optional anisotrop rückgeätzt werden, wobei sie auf horizontal liegenden Bereichen entfernt werden und an den Seitenwänden der Ausnehmung verbleiben. Figur 5 zeigt dazu eine alternative Ausführung des Verfahrensschrittes von Figur 2c. Dargestellt ist die Abscheidung einer Zwischenschichtfolge 40 aus einer ersten Isolationsschicht 42, einer Zwischenschicht 44 und einer zweiten Isolationsschicht 46, beispielsweise ein unteres Oxid, ein Polysilizium und ein oberes Oxid, wobei jede der Schichten nach der Abscheidung anisotrop rückgeätzt wird. Im Ergebnis entsteht ein Aufbau auf den Seitenwänden der Ausnehmung 36 welcher die Breite des zu schaffenden Elektrodenspalts definiert.
Beim Abscheiden der Verfüllschicht, wie in Figur 2d gezeigt, kann es zum Einschluss von Lunkern kommen.
Die Figuren 3a bis c zeigen das erfindungsgemäße Verfahren in einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei Lunker entfernt oder vermieden werden.
Figur 3a zeigt dabei analog zu Figur 2d das Abscheiden einer Verfüllschicht 50 aus Polysilizium. Dabei können, meist zentral, Lunker 55 eingeschlossen werden.
Die Verfüllschicht 50 wird in einem nächsten Schritt deshalb teilweise rückgeätzt, und die Lunker 55 werden dabei geöffnet (Figur 3b).
Nachfolgend wird eine weitere Lage der Verfüllschicht 50 abgeschieden. Die Lunker 55 werden dabei verfüllt und verschwinden (Figur 3c).
Zusammengefasst zeigt Figur 4 schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung mit einer mikromechanischen Struktur mit hohem Aspektverhältnis.
Das Verfahren umfasst die notwendigen Schritte: (A) Bereitstellen eines Substrats 10 mit einer darauf angeordneten Ätzstoppschicht 20 und einer über der Ätzstoppschicht angeordneten mikromechanischen Funktionsschicht 30;
(B) Herstellen wenigstens einer Ausnehmung 36 in der Funktionsschicht 30 durch Ätzen bis zur Ätzstoppschicht 20;
(C) Abscheiden einer Zwischenschichtfolge 40 mit wenigstens einer ersten Isolationsschicht 42, einer Zwischenschicht 44 und einer zweiten Isolationsschicht 46;
(D) Füllen der Ausnehmung 36 durch Abscheiden einer Verfüllschicht 50;
(E) Planarisieren der Oberfläche der Verfüllschicht 50;
(F) Ätzen der Zwischenschicht 44 durch Ätzzugänge 70 durch die Zwischenschichtfolge 40 mit einem ersten Ätzverfahren; und
(G) Freistellen des ersten Strukturelements und des zweiten Strukturelements durch Ätzen der ersten Isolationsschicht 42 und der zweiten Isolationsschicht 46 mit einem zweiten Ätzverfahren.
Im Schritt (F) können daneben auch Opferbereiche 38 in der Funktionsschicht 30 geätzt werden.
Im Schritt (G) kann auch die Ätzstoppschicht 20 wenigstens bereichsweise geätzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von mikromechanischen Strukturen und Vorrichtungen mit hohem Aspektverhältnis.
So schafft die Erfindung ein elektrostatisches ME MS- Elektrodenpaar mit einem vertikalen Elektrodenspalt mit einem Aspektverhältnis von >30:1. Damit lässt sich eine mikromechanische Kondensatorstruktur hoher Kapazität darstellen. Eine derartige MEMS-Kapazität lässt sich auch aus mehreren elektrostatischen MEMS-Elektrodenpaaren zusammensetzen. Wird eine der Elektroden beweglich ausgestaltet, so lässt sich eine Kondensatorstruktur mit veränderlicher elektrischer Kapazität herstellen. Diese Kapazität lässt sich sowohl zu Detektions- als auch zu Antriebszwecken nutzen.
Die Erfindung schafft also auch einen mikromechanischen Sensor mit einem kapazitiven Messfühler. Die mikromechanisch hergestellte veränderliche Kapazität besteht dabei aus mindestens einer feststehenden ersten Elektrode und mindestens einer beweglichen zweiten Elektrode.
Außerdem schafft die Erfindung einen elektrostatischen mikromechanischen Aktor mit mindestens einem mikromechanischen Elektrodenpaar, insbesondere einen sogenannten NED-Aktor.
Bezugszeichenliste
10 Substrat
20 Ätzstoppschicht
30 mikromechanische Funktionsschicht
31 erstes mikromechanisches Strukturelement, Elektrode
32 zweites mikromechanisches Strukturelement, Elektrode
33 Schichtdicke
34 Abstand, Elektrodenspalt
35 Haupterstreckungsrichtung
36 Ausnehmung
38 Opferbereich
40 Zwischenschichtfolge
42 erste Isolationsschicht
44 Zwischenschicht
46 zweite Isolationsschicht
50 Verfüllschicht
60 weitere Schichten
70 Ätzzugang
80 elektrisch leitfähige Schicht
85 Passivierschicht

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Schichtstruktur mit hohem Aspektverhältnis von einer Schichtdicke (33) zu einem Abstand (34) eines ersten Strukturelements (31) von einem benachbarten zweiten Strukturelement (32) in einer Haupterstreckungsrichtung (35) der Schichtstruktur mit den Schritten:
(A) Bereitstellen eines Substrats (10) mit einer darauf angeordneten Ätzstoppschicht (20) und einer über der Ätzstoppschicht angeordneten mikromechanischen Funktionsschicht (30);
(B) Herstellen wenigstens einer Ausnehmung (36) in der Funktionsschicht (30) durch Ätzen bis zur Ätzstoppschicht (20);
(C) Abscheiden einer Zwischenschichtfolge (40) mit wenigstens einer ersten Isolationsschicht (42), einer Zwischenschicht (44) und einer zweiten Isolationsschicht (46);
(D) Füllen der Ausnehmung (36) durch Abscheiden einer Verfüllschicht (50);
(E) Planarisieren der Oberfläche der Verfüllschicht (50);
(F) Ätzen der Zwischenschicht (44) durch Ätzzugänge (70) durch die Zwischenschichtfolge (40) mit einem ersten Ätzverfahren; und
(G) Freistellen des ersten Strukturelements und des zweiten Strukturelements durch Ätzen der ersten Isolationsschicht (42) und der zweiten Isolationsschicht (46) mit einem zweiten Ätzverfahren.
2. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Schichtstruktur mit hohem Aspektverhältnis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt (D) und vor dem Schritt (F) die Verfüllschicht (50) rückgeätzt und eine weitere Lage der Verfüllschicht abgeschieden wird.
3. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Schichtstruktur mit hohem Aspektverhältnis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt (E) und vor dem Schritt (F) weitere Schichten (60) auf der Ver- füllschicht (50) und der Zwischenschichtfolge (40) abgeschieden werden.
4. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Schichtstruktur mit hohem Aspektverhältnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (E) oder nach dem Schritt (E) und vor dem Schritt (F) Ätzzugänge (70) durch die Zwischenschichtfolge (40) zu Opferbereichen (38) in der Funktionsschicht (30) hergestellt werden.
5. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Schichtstruktur mit hohem Aspektverhältnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (F) Opferbereiche (38) in der Funktionsschicht (30) geätzt werden.
6. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Schichtstruktur mit hohem Aspektverhältnis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (G) oder nach dem Schritt (G) die Ätzstoppschicht (20) wenigstens bereichsweise geätzt wird und insbesondere das erste Strukturelement (31) und/oder das zweite Strukturelement (32) beweglich gemacht wird.
7. Mikromechanische Schichtstruktur, mit einem Aspektverhältnis von einer Schichtdicke (33) zu einem Abstand (34) eines ersten Strukturelements (31) von einem benachbarten zweiten Strukturelement (32) in einer Haupterstreckungsrichtung (35) der Schichtstruktur von > 30:1.
8. Mikromechanische Schichtstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch das erste Strukturelement eine erste Elektrode und durch das zweite Strukturelement eine zweite Elektrode gebildet ist, zwischen denen der Abstand (34) einen Elektrodenspalt bildet.
9. Mikromechanische Schichtstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode beweglich ausgestaltet ist und dass die erste und die zweite Elektrode einen Kondensator mit veränderlicher elektrischer Kapazität bilden.
10. Mikromechanischer Sensor mit einem kapazitiven Messfühler mit einer mikromechanischen Struktur nach Anspruch 8 oder 9.
11. Mikromechanischer Aktor mit einem kapazitiven Antrieb mit einer mikromechanischen Struktur nach Anspruch 8 oder 9.
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