DE10006035A1

DE10006035A1 - Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes Bauelement

Info

Publication number: DE10006035A1
Application number: DE10006035A
Authority: DE
Inventors: Frank Fischer; Peter Hein; Eckhard Graf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2000-02-10
Publication date: 2001-08-16
Also published as: JP4838476B2; JP2003531017A; US6951824B2; EP1257496A2; US20030141561A1; WO2001058803A2; WO2001058803A3

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements (100), das mindestens einen Hohlraum (110) und ein zumindest teilweise in dem Hohlraum (110) vorgesehenes Funktionselement (12) und/oder eine zumindest teilweise darin vorgesehene Funktionsschicht (13a, 13b, 13c) aufweist, und einem verfahrensgemäß hergestellten mikromechanischen Bauelement (100) nach der Gattung des betreffenden unabhängigen Patentanspruchs. DOLLAR A Zur Reduzierung der Herstellungskosten wird das Funktionselement (12) und/oder die Funktionsschicht (13a, 13b, 13c) zumindest in einem Bereich, der an eine erste Opferschicht (52) angrenzt, die temporär den Raum des nachfolgend in ein oder mehreren Ätzschritten gebildeten Hohlraums (22) einnimmt, mit einer ersten Schutzschicht (41; 71) versehen (Fig. 4; Fig. 7), wobei das Material der ersten Schutzschicht (41) derart gewählt wird, daß mindestens ein die erste Opferschicht (52) ätzendes bzw. auflösendes Ätzverfahren und/oder Ätzmedium die erste Schutzschicht (41; 71) weitgehend nicht oder lediglich mit einer in bezug auf die erste Opferschicht (52) verminderten Ätzrate angreift.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements und einem verfahrensgemäß hergestellten mikromechanischen Bauelement nach der Gattung des betreffenden unabhängigen Patentanspruchs. In der DE 195 37 814 A1 wird der Aufbau eines Sensor-Schichtsystems und ein Verfahren zur hermetischen Verkappung von Sensoren in Oberflächenmikromechanik beschrieben.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des betreffenden unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber insbesondere den Vorteil, daß ein hermetisch dicht abgeschlossenes Bauelement kostengünstiger hergestellt werden kann. Durch die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Verfahrens und des Bauelements nach den betreffenden unabhängigen Patentansprüchen ermöglicht.

Ein erfindungsgemäßes Bauelement zeichnet sich ggü. bekannten Bauelementen durch eine deutliche Reduzierung der für das Verkappen benötigten Fläche aus, was aufgrund der Flächeneinsparung mit einer signifikanten Kostenreduzierung einhergeht. Bei einem erfindungsgemäßen Bauelement, wie einem Sensor, bleibt die Bewegungsfreiheit für im Bauelement vorgesehene bewegliche Strukturen erhalten und zwar selbst dann, wenn für diese laterale Amplituden von mehr als etwa 2 µm erreicht werden müssen. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn die beweglichen Strukturen bzw. das Funktionselement ein Rotationsschwinger sind bzw. ist. Andererseits läßt sich die Maximalauslenkung der beweglichen Strukturen, z. B. bei einem Sensor, senkrecht zu diesem auf Amplituden zwischen etwa 2 und 20 µm beschränken, was insbesondere die Fallfestigkeit eines erfindungsgemäßen Bauelements ggü. bekannten Bauelementen deutlich erhöht. Die beweglichen Strukturen bzw. eine Sensorstruktur ist im erfindungsgemäßen Bauelement gas- und/oder wasserdicht von einem Hohlraum umschlossen, so daß sich beispielsweise über den Gasdruck eines im Hohlraum eingeschlossenen Gases eine definierte, langzeitstabile Dämpfung der Bewegung der beweglichen Struktur bzw. der Sensorstruktur im Hohlraum einstellen läßt. Die erfindungsgemäße Verkappung zeichnet sich durch eine hohe mechanische Stabilität aus, so daß ein erfindungsgemäßes Bauelement einem hydrostatischem Druck, wie er beispielsweise bei dem sogenannten Mold-Druck während des Verpackungsvorgangs von mikromechanischen Bauelementen in Plastikgehäuse auftritt, mühelos standhält. Schließlich zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Bauelement bzw. ein erfindungsgemäßer Sensor durch eine niedrige Topographie aus, wodurch beispielsweise der Einsatz der sogenannten Flip-Chip- Technik bei der Montage des Bauelements ermöglicht wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt auf die bekannte Verwendung von Oxidschichten mit einer Dicke von mehr als ca. 2 µm verzichtet. Vielmehr werden dicke Schichten, die vorzugsweise weitgehend in polykristallinem Silizium ausgebildet sind, verwendet, wodurch sich mechanische Spannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten deutlich reduzieren lassen. Dies führt zu einer erheblich verbesserten Planarität des Substrats. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt den problemlosen Einsatz von optischen Lithographieschritten, da bevorzugt Topographien von mehr als 6 µm vermieden werden. Schließlich werden bevorzugt ein oder mehrere isotrope Ätzverfahren zum Entfernen von ein oder mehreren Opferschichten (Füllmaterialien) im mikromechanischen Bauelement verwendet, z. B. zur Herstellung eines Hohlraums, der eine bewegliche Struktur aufweist. Solche isotropen (Silizium-)Ätzverfahren sind z. B. welche, in denen die Ätzmedien XeF₂, ClF₃, ClF₅, oder plasmaaktiviertes NF₃, Ar/F₂ oder SF₆ Verwendung finden. Im Vergleich zu bekannten Verfahren, erfolgt hierbei die Entfernung ohne das Risiko eines Verklebens der freizulegenden Strukturen bei hoher Abtragsrate des zu entfernenden Füllmaterials.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von nicht notwendigerweise maßstäblichen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Schichten oder Teile bezeichnen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines Beschleunigungssensors im Bereich von dessen Funktionselement bzw. Sensorelement;

Fig. 2 einen Querschnitt des in Fig. 1 dargestellten Bereichs entlang der Schnittlinie A-B in Fig. 1, in dem zusätzlich ein Kontaktanschluß aufgenommen worden ist; und

Fig. 3-12 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des in den Fig. 1 und 2 dargestellten erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors.

Auf einem in Fig. 2 dargestellten Substrat 10 ist ein Sensorelement 12 eines Beschleunigungssensors 100 strukturiert. Dieses besteht aus einer an Federkörpern 16 (wovon der Übersichtlichkeit halber in Fig. 1 lediglich ein einziger Federkörper 16 dargestellt ist) angeordneten, beweglichen Mittelmasse bzw. seismischen Masse 11a, die senkrecht an dieser vorgesehene bewegliche Elektrodenfinger bzw. Elektroden 11 aufweist. Die Mittelmasse bzw. seismische Masse 11a ist über die Federkörper 16 und über Verankerungsstrukturen 17 (wovon der Übersichtlichkeit halber in Fig. 1 ebenfalls lediglich eine einzige dargestellt ist) an das Substrat 10 angelenkt, so daß die Mittelmasse 11a durch eine auf sie einwirkende Beschleunigung in einer Richtung ausgelenkt werden kann, die im wesentlichen senkrecht zu den Elektrodenfingern 11 ist. Dadurch wird die Lage der Mittelmasse 11a gegenüber feststehenden Elektrodenfingern bzw. Gegenelektroden 12a und 12b verändert. Diese Lageänderung wird in bekannter Weise über elektrische Anschlüsse an den Gegenelektroden 12a und 12b sowie nach außen führende Leiterbahnen 14a und 14b ausgewertet. Jeweils drei Elektroden 12a, 11, 12b sind in einer sogenannten Interdigitalanordnung angeordnet, wobei diese Anordnung jeweils ein Kapazitätselement bildet, daß zwischen zwei lateral benachbarten Trenn- bzw. Stützstrukturen 13a vorgesehen ist. Die Auslenkung der beweglichen Elektrodenfinger 11 wird durch Anschlagsarme 18 (wovon der Übersichtlichkeit halber in Fig. 1 lediglich ein einziger dargestellt ist) und Anschlagsnoppen 19a (für x-Auslenkung) und 19b (für y-Auslenkung) begrenzt. Im Bereich der Federkörper 16 sind vorzugsweise Anschlagsnoppen 19c und 19d vorgesehen, die ein Haften der Federkörper 16 verhindern.

Es versteht sich, daß erfindungsgemäß auch zwei oder mehr Kapazitätselemente zwischen zwei benachbarten Stützstrukturen 13a vorgesehen sein können. Ferner können alternativ oder ergänzend Stützstrukturen vorgesehen sein, die durch Aussparungen in der Mittelmasse 11a hindurchgreifen und mit dem Substrat 10 verbunden sind (nicht dargestellt).

Die Stützstruktur 13a ist bevorzugterweise vollständig in Silizium ausgebildet, wodurch bei einem Opferschichtätzen, d. h. dem Ätzen bzw. Entfernen einer unteren Opferschicht 31 und einer oberen Opferschicht 52 (vgl. Fig. 10 und 11), wie es im nachfolgend anhand der Fig. 3 bis 12 beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelements erforderlich ist, eine Unterätzung der Stützstruktur 13a wirksam vermieden wird. Die Leiterbahnen 14a und 14b verlaufen durch Stützstrukturen 13c in der Stützstruktur 13a, wobei Opferschichten die Leiterbahnen gegenüber den Stützstrukturen isolieren. Ein dem Kontaktanschluß 15 des Beschleunigungssensors 100 zugewandte Stützstruktur 13b besitzt zur externen Kontaktierung der Leiterbahnen 14a und 14b bzw. der Gegenelektroden 12a und 12b ebenfalls eine elektrisch isolierte Durchführung für die Leiterbahnen 14a und 14b.

Mit der nachfolgend detailliert anhand der Fig. 3 bis 12 beschriebenen Prozeßfolge wird unter anderem eine tragende Kappenschicht 20 über dem in Fig. 1 im Teilschnitt dargestellten Beschleunigungssensor 100 erzeugt. Die Kappenschicht 20 ist über Anbindungen 23 derart auf den Stützstrukturen 13a gelagert, daß sich Hohlräume 22 über den Kapazitätselementen aufspannen. Die Hohlräume 22 weisen eine Spannweite auf, die bevorzugt im Bereich zwischen etwa 20 µm und 200 µm liegt. Die Kappenschicht 20 ist mit einer Perforation 21 versehen, die der Übersichtlichkeit halber lediglich mit zwei Bezugszeichen 21 bezeichnet ist, um die im Herstellungsverfahren des Beschleunigungssensors 100 verwendeten Opferschichten 31 und 52 selektiv in bezug auf die Bauelementstruktur ätzen bzw. entfernen zu können. Nach dem Opferschichtätzen wird die Perforation 21 des Bauelements bzw. des Beschleunigungssensors 100 durch eine Verschlußschicht 24 hermetisch dicht verschlossen. Für Beschleunigungssensoren oder Gyrometer kann Vakuum oder ein Gas mit definiertem Druck im Hohlraum 22 zur Einstellung einer definierten Dämpfung der Bewegung von Funktionselementen, wie die beweglichen Elektrodenfinger 11, eingeschlossen werden. Ferner ist die Verwendung einer isolierenden Flüssigkeit mit einer geeigneten Viskosität, wie eine ölartige Flüssigkeit, bei anderen Bauelementen denkbar, z. B. bei Aktuatoren.

Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Sensorstruktur des Beschleunigungssensors 100 exemplarisch für den mit A in Fig. 2 gezeigten Teil des Beschleunigungssensors, wie er sich nach einer Tiefenstrukturierung und vor dem Opferschichtätzen darstellt. Auf dem Substrat 10 ist eine Opferschicht 31 abgeschieden, die beispielsweise aus ein oder mehreren SiO₂- Schichten bestehen kann. Auf der Opferschicht 31 wird dann das Sensorelement bzw. Funktionselement 12 abgeschieden, das aus Epipoly-Silizium, d. h. epitaktisch hergestelltem polykristallinen Silizium, bestehen kann, das auf einer dünnen Poly-Si-Keimschicht 12' (Startpoly) abgeschieden wurde. In einem Si-Tiefenstrukturierungsverfahren (Trench-Ätzen) wird das Sensorelement 12 des Beschleunigungssensors 100 hergestellt, wie beispielsweise die feststehenden Elektrodenfinger 12a und 12b und die an der beweglichen Mittelmasse 11a senkrecht angeordneten Elektrodenfinger 11.

Vor dem Opferschichtätzen sind diese Funktionselemente fest auf der Opferschicht 31 verankert. Durch eine Vorstrukturierung der Opferschicht 31 können bei der Abscheidung und Strukturierung der Ebene 12 auch Verankerungen zum Substrat 10, die Stützstrukturen 13a, erzeugt werden.

Wie in Fig. 4 dargestellt, wird mit einem CVD-Verfahren eine etwa 10 nm bis 1 µm dünne erste Schutzschicht 41 auf dem gesamten Sensorelement 12 abgeschieden. Dadurch kommt es in Bereichen 41a und 41b der ersten Schutzschicht 41 zu einer vollständigen Abdeckung des Sensorelements 12 auf der sogenannten elektromechanisch funktionalen Ebene. In Bereichen 41c der Schutzschicht 41 wird die untere Opferschicht 31 abgedeckt. Erfindungsgemäß ist darauf zu achten, daß die Schutzschicht 41 das Sensorelement 12 auf der elektromechanisch funktionalen Ebene, wie insbesondere die beweglichen Elektrodenfinger 11 und die Gegenelektroden 12a und 12b, sowie andere Komponenten des Beschleunigungssensors 100, wie die Stützstrukturen 13a, hermetisch dicht abdeckt, die nicht aus dem gleichen Material wie die Schutzschicht 41 bestehen. Die Schutzschicht 41 besteht bevorzugt aus SiO₂. Weiterhin kann die untere Opferschicht 31 beispielsweise aus SiO₂, wie in diesem Ausführungsbeispiel, bestehen.

Die Opferschicht 31 kann bei einer alternativen Ausführungsform auch in weiteren Schutzschichten eingeschlossen werden (nicht dargestellt) und ist dann vorzugsweise aus polykristallinem Silizium hergestellt.

Bevorzugte Abscheideverfahren zur Erzeugung der Schutzschicht 41 sind CVD-Verfahren, wie PECVD (Plasma-Enhanced-CVD) oder LPCVD (Low-Pressure-CVD), wobei auf eine möglichst gute Bedeckung der Seitenflächen der Komponenten des Sensorelements 12 auf der elektromechanisch funktionalen Ebene, die Bereiche 41b, zu achten ist.

Wie in Fig. 5 dargestellt, wird in einem weiteren Prozeßschritt auf der Schutzschicht 41 eine dünne Start-Poly- Si-Schicht 51, d. h. eine polykristalline Siliziumschicht mit der Funktion einer Keim- bzw. Nukleationsschicht, abgeschieden. Aufgrund des großen Aspektverhältnisses, d. h. des Verhältnisses der Höhe zur Spaltbreite von Spalten im Bereich 51c des Sensorelements 12, kann es dazu kommen, daß die Start-Poly-Si-Schicht 51 sich vor allem in den oberen Bereichen 51a auf dem Sensorelement 12 abscheidet und die Abscheidung an den Seitenwänden 51b des Sensorelements 12 nur in deren oberem Bereich erfolgt. Die Bereiche 51c am Fuß des Sensorelements 12 oberhalb der Bereiche 41c der Schutzschicht 41 werden nur bei größeren Spaltbreiten zwischen den Elektroden bzw. Stützstrukturen des Sensorelements 12 mit der Start-Poly-Si-Schicht 51 beschichtet. Auf der Start-Poly-Si- Schicht 51 wird mit einem Epitaxie-Verfahren oder LPCVD- Verfahren eine polykristalline Siliziumschicht, eine sogenannte Füll-Epipoly-Si-Schicht, die Opferschicht 52, aufgebracht, wobei die Start-Poly-Si-Schicht 51 in der oberen Opferschicht 52 aufgeht. "Epi" bedeutet "epitaktische" und "Poly" steht für "polykristalline". Die obere Opferschicht 52 kann bei der Abscheidung bereits mit Phosphor dotiert werden; bevorzugt wird sie jedoch undotiert abgeschieden. Die Schichtdicke der oberen Opferschicht 52 wird derart gewählt, daß das Sensorelement 12 vollständig von ihr bedeckt wird. Dies ist typischerweise bei einer Schichtdicke von ca. 5 bis 30 µm der Fall.

Eine Füll-Epipoly-Si-Schicht bzw. Opferschicht einer solchen Schichtdicke weist in der Regel eine starke Rauhigkeit auf. Zudem schlägt die Topographie der Sensorelemente 12 in der oberen Opferschicht 52 durch. Daher wird die Topographie des Sensorelements 12 und die Rauhigkeit der oberen Opferschicht 52 in einem weiteren Prozeßschritt planarisiert. Dies geschieht durch einen chemisch-mechanischen Polierprozeß (CMP), bei dem die obere Opferschicht 52 bis auf eine Ebene 53 abgedünnt wird. Die Ebene 53 liegt oberhalb des Sensorelements 12. Die Höhe h über dem Sensorelement 12 beträgt etwa zwischen 1 und 30 µm; die bevorzugte Höhe ist ca. 4 bis 6 µm.

Nach der Planarisierung erfolgt die Strukturierung der oberen Opferschicht 52 mit einem bekannten Si-Ätzverfahren, wie in Fig. 6 veranschaulicht. Hierbei wird die obere Opferschicht 52 in Bereichen stehen gelassen, in denen die beweglichen Sensorelemente, wie z. B. die Federkörper 16, die beweglichen Elektrodenfinger 11, die feststehenden Elektrodenfinger bzw. Gegenelektroden 12a und 12b und die Mittelmasse bzw. seismische Masse 11a, angeordnet sind. Die obere Opferschicht 52 wird über den Trenn- bzw. Stützstrukturen 13a bis auf die Siliziumoxid-Schutzschicht 41 hinunter entfernt.

Entsprechend Fig. 7, wird auf die strukturierte obere Opferschicht 52 eine zweite Schutzschicht 71 aufgebracht. Diese Schutzschicht 71 besteht bevorzugt aus dem gleichen Material wie die erste Schutzschicht 41, insbesondere aus SiO₂. Die Schutzschicht 71 wird über den Stützstrukturen 13a im Bereich 72 mit einem bekannten Verfahren entfernt. Erfindungsgemäß muß gewährleistet werden, daß die obere Opferschicht 52 auf dem ganzen Beschleunigungssensor 100 hermetisch von den Schutzschichten 41 und 71 umgeben ist, und daß keine Verbindung zwischen dem Sensorelement 12 und der oberen Opferschicht 52 besteht. Das Sensorelement 12 und die obere Opferschicht 52 besteht bevorzugt aus dem gleichen Material. Weiterhin ist bevorzugt, daß die Schutzschichten 41 und 71 auf den feststehenden Bereichen bzw. den Stützstrukturen 13a ineinander übergehen bzw. dichtend aufeinander liegen.

Wie in Fig. 8 dargestellt, wird auf der Schutzschicht 71 und auf den entfernten Bereichen 72 ganzflächig eine weitere Start-Poly-Si-Schicht bzw. Nukleations- bzw. Keimschicht 81 mit einer bevorzugten Schichtdicke zwischen etwa 300 nm und 2 µm aufgebracht. Auf dieser Start-Poly-Si-Schicht 81 wird eine weitere Poly-Siliziumschicht 82 mit einem epitaktischen Verfahren oder LPCVD-Verfahren abgeschieden. Die Schichtdicke beträgt vorzugsweise zwischen etwa 2 und 50 µm. Die Poly- Siliziumschicht 82 wird nachfolgend bis zu einer Ebene 83 abgedünnt und planarisiert. Die Restdicke k zwischen der zweiten Schutzschicht 71 und der Ebene 83 sollte bevorzugt zwischen ca. 2 und 50 µm betragen. Die Poly-Siliziumschicht 82 kann bei der Abscheidung oder in einem nachfolgenden Prozeßschritt dotiert werden.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht also darin, eine strukturierte Poly-Si-Funktionsschicht, z. B. ein bewegliches Sensorelement oder ein sonstiges Funktionselement, zur Herstellung eines die Funktionsschicht bzw. das Funktionselement zumindest teilweise umgebenden Hohlraums in einem mikromechanischen Bauelement mit einer vorzugsweise dünnen Schutzschicht, z. B. aus Siliziumoxid, vollständig zu überziehen (vgl. Fig. 4) und auf dieser dünnen Schutzschicht eine weitere polykristalline Siliziumschicht bzw. Füllschicht, eine obere Opferschicht, abzuscheiden (vgl. Fig. 5). Durch die polykristalline Siliziumschicht wird die Strukturebene bzw. die Funktionsschicht des Bauelements eingebettet und vollständig abgedeckt.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung besteht darin, die obere Opferschicht zu planarisieren und mit einer weiteren, dünnen Schutzschicht nach außen hin abzuschließen (vgl. Fig. 6 und 7). Auf dieser die obere Opferschicht nach außen hin abschließende Schutzschicht wird eine dicke Poly-Si-Schicht abgeschieden, die als tragende Schicht eine Bauelement- bzw. Sensorkappe bildet (vgl. Fig. 8).

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die obere Opferschicht aus dem gleichen Material wie die Funktionsschicht besteht. Die erfindungsgemäß verwendete Opferschicht wird von zwei dichten Schutzschichten umschlossen, so daß die Opferschicht selektiv zu den Schutzschichten geätzt bzw. durch Ätzung entfernt werden kann. Die Schutzschichten werden dann beim Ätzen der unteren Opferschicht entfernt. Hieran ist vorteilhaft, daß durch die erfindungsgemäße Verwendung einer Füllschicht bzw. oberen Opferschicht auch große Spaltbreiten in der Funktionsschicht, z. B. eine Schicht die Sensoren darstellt, aufgefüllt werden können (vgl. Fig. 5). Hierdurch läßt sich ein hoher Freiheitsgrad beim Bauelementdesign bzw. beim Sensordesign erreichen, insbesondere was die Bewegungsfreiheit von in dem Bauelement bzw. Sensor vorgesehenen Schwingerstrukturen bzw. beweglichen Strukturen angeht.

Durch einen Planarisierungsschritt an der oberen Opferschicht (vgl. Fig. 8) werden Topographien eingeebnet, wodurch eine weitere Strukturierung der oberen Opferschicht mit Hilfe der Photolithographie ermöglicht ist. Eine derartige Planarisierung wird erst durch die erfindungsgemäße Verwendung von Silizium als Füllschichtmaterial bzw. Opferschicht ermöglicht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt ein isotroper Silizium-Ätzschritt eingesetzt, der ein rückstandsfreies und rasches Entfernen der oberen Opferschicht bzw. Füllschicht gestattet.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß Metallkontakte für die externe Kontaktierung der Funktionsschicht bzw. der Sensorelemente und die Weiterleitung der von den Sensorelementen abgegebenen Meßsignale zur Auswertung erst am Prozeßende aufgebracht werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann für die Herstellung einer Vielzahl vom Sensor- und Aktorbauelementen in Oberflächenmikromechanik eingesetzt werden. Ebenso ist es möglich, Sensor- bzw. Aktor-Strukturen zusammen mit einer Auswerteschaltung zur Auswertung der von diesen Strukturen abgegebenen Meßsignale auf einem einzigen Chip zu integrieren.

Nach der Planarisierung und Dotierung der Poly-Siliziumschicht 82 wird diese mit einer Lack- oder Oxid-Maske 83 versehen und mit einem bekannten Silizium-Tiefenätzverfahren strukturiert (vgl. Fig. 9. Hierbei werden durch die Poly-Siliziumschicht 82 Perforationslöcher 84 an die obere Opferschicht 52 herangeführt, die bei der Tiefenstrukturierung der Opferschicht 82 zunächst auf der zweiten Schutzschicht 71 enden. Der Bereich der Stützstrukturen 13a zur festen Anbindung der Kappenschicht 20 bzw. der Verschlußschicht 24 wird bei der Perforation ausgespart. Bei der Tiefenstrukturierung wird eine ausreichend dicke Seitenwandpassivierung 85 abgeschieden, wobei es sich bevorzugt um eine fluorhaltige Polymerverbindung handelt. Die Seitenwandpassivierung 85 ist eine Schicht, die sicherstellen soll, daß die Poly-Siliziumschicht 82 bei einem späteren Silizium-Ätzschritt nicht angegriffen wird. Neben Polymeren zur Seitenwandpassivierung kann für den Seitenwandschutz neben den Schutzschichten 41 und 71 auch eine weitere dünne Schutzschicht, beispielsweise aus Siliziumoxid, abgeschieden werden.

Wie in Fig. 10 angegeben, wird die Schutzschicht 71 in einem nächsten Schritt in den Perforationslöchern bzw. Gräben 84 mit einem gängigen Ätzverfahren entfernt. Dadurch wird ein direkter Zugang zur oberen Opferschicht 52 für deren nachfolgende Ätzung hergestellt.

Fig. 11 zeigt einen zentralen Schritt zur Schaffung der Kappenschicht 20, in dem die obere Opferschicht 52 selektiv gegenüber den Schutzschichten 41 und 71 geätzt worden ist. Hierfür werden bevorzugt isotrope Ätzverfahren eingesetzt, z. B. solche in denen die Ätzmedien XeF₂, ClF₃, ClF₅, oder plasmaaktiviertes NF₃, Ar/F₂ oder SF₆ Verwendung finden. Bei der selektiven Ätzung der oberen Opferschicht 52 gegenüber den Schutzschichten 41 und 71 stoppt die Ätzung der oberen Opferschicht 52 an deren Grenzflächen zu den Schutzschichten 41 und 71. Eine Ätzung der Seitenwände der Perforationslöcher 84 innerhalb der die Kappenschicht 20 bildenden Poly- Siliziumschicht 82 wird durch die aufgebrachte Seitenwandpassivierung 85 unterdrückt. Bei Prozeßende ist die obere Opferschicht 52 vollständig geätzt bzw. aufgelöst. Es entsteht ein Hohlraum 22 über dem Sensorelement 12, der von einer stabilen, tragenden Poly-Siliziumschicht 82 bzw. Kappenschicht 20 (vgl. insbesondere Fig. 2) überspannt wird. Entsprechend Fig. 12, werden nach dem Ätzen der oberen Opferschicht 52 die Schutzschichten 41 und 71, die Hilfsschichten darstellen, und die untere Opferschicht 31 selektiv gegenüber dem Sensorelement 12 und der Poly- Siliziumschicht 82, die die Kappenschicht 20 (vgl. Fig. 2) bildet, geätzt. Hierfür kann beispielsweise ein auf der Verwendung eines dampfförmigen HF/H₂O-Gemisches basierendes Verfahren zum Ätzen von SiO₂-Schichten eingesetzt werden. Bei diesem Verfahren dringt gasförmiges HF und H₂O durch die Perforationslöcher 84 der Kappenschicht 20 hindurch und gelangt an die Schutzschichten 41 und 71 sowie nach deren Ätzung an die untere Opferschicht 31. Nach diesem Ätzschritt sind die Schutzschichten bzw. Oxidschichten 41 und 71 sowie die untere Opferschicht 31 entfernt und alle beweglichen Strukturen des Sensorelements 12, wie beispielsweise die Mittelmasse 11a, die Federkörper 16, die Anschlagsarme 18 und die beweglichen Elektrodenfinger 11 sind vom Substrat 10 freigelöst (vgl. insbesondere die Fig. 1 und 2). Im Anschluß an diesen Ätzschritt in gasförmiger Atmosphäre werden die Perforationslöcher 84 der Poly-Siliziumschicht 82 bzw. der Kappenschicht 20 mit einer Abdeckschicht 120 verschlossen. Die Abdeckschicht 120 ist bevorzugt zwischen ca. 1 und 20 µm dick und besteht beispielsweise aus einem Isolator, vorzugsweise SiO₂, das bevorzugt mit einem PECVD- Verfahren abgeschieden worden ist. Bei der Abscheidung der Abdeckschicht 120 wird bevorzugt gleichzeitig Prozeßgas im Hohlraum 22 eingeschlossen, wodurch, in Abhängigkeit vom Druck des eingeschlossenen Prozeßgases und/oder seiner Art, die dynamische Dämpfung der beweglichen Komponenten des Sensorelements 12 des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors 100 eingestellt werden kann. Der Einschluß eines die Bewegung der in dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor 100 vorgesehenen, beweglichen Komponenten dämpfenden Gases kann selbstverständlich auch bei einem vom Abscheideprozeß unabhängigen weiteren Prozeßschritt erfolgen.

Nach der Abscheidung der Abdeckschicht 120 werden die metallischen Leiterbahnen 14a und 14b sowie der Kontaktanschluß 15 in bekannter Weise hergestellt.

Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung (nicht dargestellt) ist vorgesehen, daß die untere Opferschicht 31 und die obere Opferschicht 52 jeweils aus Polysilizium hergestellt werden, wohingegen die untere Opferschicht 31 bei dem in den Fig. 3 bis 12 dargestellten Verfahren aus SiO₂ gebildet ist. Auf dem Substrat 10 wird bei der alternativen Ausführungsform eine untere Schutzschicht (nicht dargestellt), abgeschieden. Daran schließt sich die Abscheidung der Polysilizium-Opferschicht an, auf der nachfolgend eine obere Schutzschicht (nicht dargestellt) abgeschieden wird, so daß die untere Opferschicht 31 vollständig von der unteren und der oberen Schutzschicht umschlossen ist. Die untere Schutzschicht dient dem Schutz gegen einen Ätzangriff des Substrats 10 und die obere Schutzschicht schützt das Sensorelement 12 bzw. die Funktionsschichten 13a, 13b, 13c gegen einen Ätzangriff beim selektiven Ätzen bzw. Entfernen der unteren Opferschicht. Die Schutzschichten für beide Opferschichten werden bevorzugt aus Siliziumoxid gebildet, so daß die beiden Opferschichten gleichen Materials in einem einzigen oder mehreren Ätzschritten entfernt werden können.

Aufgrund der Planarität des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Bauelements, wie dem in den Figuren dargestellten Beschleunigungssensor, ist es leicht möglich, Sensor-/Aktor-Strukturen und integrierte Auswerteschaltkreise auf einem einzigen Chip bzw. Bauelement zu integrieren (nicht dargestellt). Hierfür muß zunächst die Ebene des Sensorelements mit einer oberen Opferschicht und einer Kappenschicht in der beschriebenen Weise erzeugt werden. Um eine Beeinträchtigung von elektronischen Schaltkreisen in einem solchen Chip oder Bauelement zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die Perforation der Kappenschicht, das Ätzen der oberen Opferschicht, das Entfernen der Schutzschichten und das Verschließen des Hohlraums mit einer Abdeckschicht sowie den elektrischen Anschluß der Kontaktanschlüsse nach der Herstellung der Schaltkreise eines solchen Chips bzw. Bauelements durchzuführen. Bei diesen Prozeßschritten treten nur noch niedrige Temperaturen auf, so daß die Schaltkreise, die beispielsweise Transistoren aufweisen können, nicht beschädigt werden.

Die vorstehenden Erläuterungen der Erfindung machen deutlich, daß die Erfindung nicht nur auf einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor bzw. ein erfindungsgemäßes Verfahren zu seiner Herstellung beschränkt ist, sondern vielmehr die Herstellung einer Vielzahl von mikromechanischen Bauelementen gestattet, die einen Hohlraum, insbesondere einen hermetisch dicht verschlossenen Hohlraum, aufweisen. Dies gilt insbesondere dann, wenn in dem Hohlraum bewegliche Elemente aus dem gesamten Bereich der Mikromechanik, wie beispielsweise Sensorelemente oder auch Komponenten einer Mikropumpe usw., vorgesehen werden sollen.

Bezugszeichenliste

100

Beschleunigungssensor

9

Außenwand

10

Substrat

11

beweglicher Elektrodenfinger bzw. Elektrode

11

a Mittelmasse bzw. seismische Masse

12

Sensorelement bzw. Funktionselement

12

' Start-Poly

12

a Gegenelektrode bzw. feststehender Elektrodenfinger

12

b Gegenelektrode bzw. feststehender Elektrodenfinger

13

a Trenn- bzw. Stützstruktur

13

b Stützstruktur

13

c Stützstruktur

14

a Leiterbahn

14

b Leiterbahn

15

Kontaktanschluß

16

Federkörper

17

Verankerungsstruktur

18

Anschlagsarm

19

a Anschlagsnoppen

19

b Anschlagsnoppen

19

c Anschlagsnoppen

19

d Anschlagsnoppen

20

Kappenschicht

21

Perforation

22

Hohlraum

23

Anbindungen

24

Verschlußschicht

31

untere Opferschicht

41

erste Schutzschicht

41

a Bereich der Schutzschicht

41

b Bereich der Schutzschicht

41

c Bereich der Schutzschicht

41

51

Start-Poly-Si-Schicht

51

a Bereich

51

b Seitenwand

51

c Bereich

52

Füll-Epipoly-Si-Schicht bzw. obere Opferschicht

53

Ebene

71

zweite Schutzschicht

72

geöffneter Bereich

81

Nukleationsschicht

82

Poly-Siliziumschicht

83

Lack- oder Oxid-Maske

84

Perforationsloch

85

Seitenwandpassivierung

120

Abdeckschicht

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements (100), das mindestens einen Hohlraum (22) und ein zumindest teilweise in dem Hohlraum (22) vorgesehenes Funktionselement (12) und/oder eine zumindest teilweise darin vorgesehene Funktionsschicht (13a, 13b, 13c) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement (12) und/oder die Funktionsschicht (13a, 13b, 13c) zumindest in einem Bereich, der mittelbar oder unmittelbar an eine erste Opferschicht (52) angrenzt, die temporär zumindest teilweise den Raum des nachfolgend in ein oder mehreren Ätzschritten gebildeten Hohlraums (22) einnimmt, mit einer ersten Schutzschicht (41; 71) versehen wird (Fig. 4; Fig. 7), wobei das Material der ersten Schutzschicht (41; 71) derart gewählt wird, daß mindestens ein die erste Opferschicht (52) ätzendes bzw. auflösendes Ätzverfahren und/oder Ätzmedium die erste Schutzschicht (41; 71) weitgehend nicht oder lediglich mit einer in bezug auf die erste Opferschicht (52) verminderten Ätzrate angreift.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einer dem Funktionselement (12) und/oder der Funktionsschicht (13a, 13b, 13c) abgewandten Seite der ersten Opferschicht (52) eine zweite Schutzschicht (71) auf der ersten Opferschicht (52) vorgesehen wird (Fig. 7), wobei das Material der zweiten Schutzschicht (71) derart gewählt wird, daß mindestens ein die erste Opferschicht (52) ätzendes bzw. auflösendes Ätzverfahren und/oder Ätzmedium die zweite Schutzschicht (71) weitgehend nicht oder lediglich mit einer in bezug auf die erste Opferschicht (52) verminderten Ätzrate angreift.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der ersten Opferschicht (52) abgewandten Seite der zweiten Schutzschicht (71) eine den Hohlraum (22) zumindest teilweise umgebende Kappenschicht (20; 82) vorgesehen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement (12) und/oder die Funktionsschicht (13a, 13b, 13c) mittelbar oder unmittelbar an eine zweite Opferschicht (31) angrenzt, und die zweite Opferschicht (31) derart gewählt wird, daß mindestens ein die zweite Opferschicht (31) ätzendes bzw. auflösendes Ätzverfahren und/oder Ätzmedium das Funktionselement (12) und/oder die Funktionsschicht (13a, 13b, 13c) weitgehend nicht oder lediglich mit einer in bezug auf die zweite Opferschicht (31) verminderten Ätzrate angreift, wobei vorzugsweise für das Funktionselement (12) und/oder die Funktionsschicht (13a, 13b, 13c) zumindest an seiner/ihrer der zweiten Opferschicht (31) zugewandten Seite Silizium und für die zweite Opferschicht (31) Siliziumoxid gewählt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Funktionselement (12) und/oder der Funktionsschicht (13a, 13b, 13c) und der zweiten Opferschicht (31) eine dritte Schutzschicht vorgesehen ist, die derart gewählt wird, daß mindestens ein die zweite Opferschicht (31) ätzendes bzw. auflösendes Ätzverfahren und/oder Ätzmedium die dritte Schutzschicht weitgehend nicht oder lediglich mit einer in bezug auf die zweite Opferschicht (31) verminderten Ätzrate angreift, wobei die zweite Opferschicht (31) bevorzugt aus demselben Material wie die erste Opferschicht (52), wie insbesondere aus Silizium, und/oder daß die dritte Schutzschicht aus demselben Material wie die erste und/oder zweite Schutzschicht (41, 71), wie insbesondere aus Siliziumoxid, hergestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für das Funktionselement (12) und/oder für die Funktionsschicht (13a, 13b, 13c) und für die erste Opferschicht (52) und/oder für die zweite Opferschicht (31) zumindest teilweise dasselbe Material gewählt wird, wie insbesondere Silizium, das vorzugsweise polykristallin ist.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schutzschicht (41) und die zweite Schutzschicht (71) die erste Opferschicht (52) und/oder daß die dritte Schutzschicht und eine vierte Schutzschicht die zweite Opferschicht (31) weitgehend vollständig umschließen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die erste Schutzschicht (41) und/oder für die zweite Schutzschicht (71) und/oder für die dritte Schutzschicht und/oder für die vierte Schutzschicht zumindest teilweise dasselbe Material gewählt wird, wie insbesondere ein Oxid, wie Siliziumoxid.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Opferschicht (52) und/oder die zweite Opferschicht (31) in ein oder mehreren isotropen Ätzschritten, wie insbesondere Silizium-Ätzschritten, entfernt werden.

10. Mikromechanisches Bauelement (100) das mindestens einen Hohlraum (22) und ein zumindest teilweise in dem Hohlraum (22) vorgesehenes Funktionselement (12) und/oder eine zumindest teilweise darin vorgesehene Funktionsschicht (13a, 13b, 13c) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß es nach einem Verfahren der vorstehenden Ansprüche hergestellt worden ist.

11. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (100) ein Sensor- und/oder ein Aktorbauelement ist und/oder daß das Funktionselement (12) und/oder die Funktionsschicht (13a, 13b, 13c) mindestens einen Spalt (51c) mit einer im Verhältnis zur Dicke des Funktionselements (12) und/oder der Funktionsschicht (13a, 13b, 13c) großen Spaltbreite, d. h. ein großes sogenanntes Aspektverhältnis, aufweist.