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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Sockelelemente sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 43 15 012 B4 ein Sensor mit einem beweglichen einkristallinen Sensorelement bekannt, wobei das bewegliche Sensorelement auf einem plattenförmigen Substrat aus einkristallinem Silizium befestigt ist und wobei die Befestigung des Sensorelements auf dem Substrat mittels einer Isolationsschicht, angeordnet zwischen dem Sensorelement und dem Substrat vorgesehen ist.
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Die Druckschrift
US 5 243 861 A offenbart einen Halbleiter-Beschleunigungsmesser, der aus drei übereinanderliegenden Siliziumsubstraten besteht. Aus dem mittleren Substrat sind dabei mikromechanische Funktionselemente herausgebildet. Die Druckschrift
US 5 846 849 A und die Druckschrift
US 6 239 473 B1 offenbaren jeweils eine mikromechanische Vorrichtung mit einem Substrat und mehreren weiteren Schichten, bei der auch das Substrat strukturiert wird. Die Druckschrift
DE 103 22 988 A1 offenbart ein Elektronenstrahlmasken-Substrat mit einer Substratschicht zur Ausbildung eines Membranschicht Trägers durch Rückseiten ätzen, einer auf der Substratschicht ausgebildeten Ätzstoppschicht und einer auf der Ätzstoppschicht ausgebildeten Membranschicht. Die Druckschrift
DE 196 32 060 A1 offenbart einen Drehratensensor, der aus einem Dreischichtsystem aufgebaut ist. Der Drehratensensor und Leiterbahnen sind aus der dritten Schicht herausstrukturiert und über eine zweite elektrische isolierende Schicht gegen eine erste Schicht elektrisch isoliert. Die Druckschrift
DE 195 26 903 A1 offenbart einen Drehratensensor aus einem mehrschichtigen Substrat, bei dem auf einem Schwinger ein Beschleunigungssensor angeordnet ist. Die Druckschrift
DE 100 55 081 A1 offenbart eine oberflachen-mikromechanische Vorrichtung. Dabei ist eine mikromechanische Funktionsschicht
14 über einem Substrat
10 angeordnet. Aus der mikromechanischen Funktionsschicht
14 ist eine Mikrostruktur
18 herausstrukturiert. Die Druckschrift
DE 10 2007 001 290 A1 offenbart ein Halbleitermodul aus drei gestapelten Substraten, dessen mittleres Substrat durch einen strukturierten Halbleiterchip gebildet ist. Die Druckschrift
DE 10 2006 023 701 A1 offenbart ein mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat, einer darüber angeordneten strukturierten mikromechanischen Funktionsschicht sowie einer über der Funktionsschicht angeordneten Kappe.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass mit einer vergleichsweise geringen Anzahl von Herstellungsschritten ein mikromechanisches Bauelement herstellbar ist, welches eine vergleichsweise dicke Funktionsschicht senkrecht zur Haupterstreckungsebene aufweist. Somit wird beispielsweise eine Erhöhung des Aspektverhältnisses von kapazitiven Sensoren erzielt, wodurch die benötigte Chipfläche der kapazitiven Sensoren im Vergleich zum Stand der Technik erniedrigt wird. Der Herstellungskosten des mikromechanischen Bauelements werden daher in erheblicher Weise reduziert. Die Funktionsschicht ist aus dem Material des Substrats gebildet, welches vorzugsweise ein einkristallines Silizium umfasst, und überlappt sich in einer zur Flächennormalen der Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung mit dem Substrat.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mikromechanisches Bauelement mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisendem Substrat und einer parallel zur Haupterstreckungsebene ausgebildeten weiteren Schicht, wobei das Substrat derart strukturiert ist, dass das Substrat eine mikromechanische Funktionsschicht aufweist, welche in einer zur Haupterstreckungsebene parallel angeordneten Ebene im Substrat angeordnet ist und welche in einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung zumindest teilweise die weitere Schicht überlappt. in vorteilhafter Weise wird somit die mikromechanische Funktionsschicht durch eine entsprechende Strukturierung des Substrats ausgebildet, so dass die Strukturen der mikromechanischen Funktionsschicht insbesondere durch das Material des Substrats gebildet werden. Die mikromechanische Funktionssicht wird besonders vorteilhaft durch die weitere Schicht, welche vorzugsweise eine auf das Substrat aufgebrachte Epitaxieschicht umfasst, bedeckt, so dass bewegliche Elemente der mikromechanischen Funktionsschicht durch die weitere Schicht elektrisch kontaktiert, mechanisch fixiert und/oder vor mechanischen und/oder chemischen Einflüssen geschützt werden. Insbesondere ist es auf diese Weise erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass die Funktionsschicht des mikromechanischen Bauelements auf der Seite der weiteren Schicht, durch die überlappende bzw. durchgehende weitere Schicht abgeschlossen ist, insbesondere hermetisch abgeschlossen ist und damit die Funktion einer Verkappung durch die weitere Schicht übernommen wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mikromechanische Funktionsschicht sich senkrecht zur Haupterstreckungsebene wenigstens über 50%, bevorzugt wenigstens über 75% und besonders bevorzugt wenigstens über 90% der Substratdicke erstreckt. Besonders vorteilhaft wird durch eine derartige Erhöhung der Funktionsschichtdicke das Aspektverhältnis des mikromechanischen Bauelements weiter erhöht, wodurch die Chipfläche reduziert wird und somit die Herstellungskosten sinken.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mikromechanische Funktionsschicht bewegliche Elemente aufweist und/oder dass das Substrat eine weitere Schicht aufweist. In vorteilhafter Weise sind durch die beweglichen Elemente insbesondere Elektroden realisierbar, welche bevorzugt zur kapazitiven Messung von auf die beweglichen Elemente wirkenden Trägheitskräften vorgesehen sind. Besonders bevorzugt ermöglichen die weitere Schicht und/oder Teile der weiteren Schicht die elektrische Kontaktierung der beweglichen Elemente und/oder die Bildung von Leiterbahnen. Ganz besonders bevorzugt umfassen das Substrat und/oder die Funktionsschicht Gegenelektroden bezüglich der durch die beweglichen Elemente gebildeten Elektroden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mikromechanische Bauelement eine Verkappungsschicht aufweist, wobei bevorzugt die Verkappungsschicht auf einer ersten Seite des Substrats und die weitere Schicht auf einer zweiten Seite des Substrats angeordnet ist. Die Verkappungsschicht fungiert besonders vorteilhaft zum Schutz der mikromechanischen Funktionsschicht, wobei bevorzugt die Schwingfähigkeiten der beweglichen Elemente durch den Einschluss einer speziellen Atmosphäre in der mikromechanischen Funktionsschicht eingestellt werden. Besonders vorteilhaft wird die mikromechanische Funktionsschicht auf einer der Verkappungsschicht senkrecht zur Haupterstreckungsebene gegenüberliegenden Seite durch die weitere Schicht geschützt und/oder atmosphärisch abgedichtet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Substrat eine Kaverne aufweist, wobei die Kaverne bevorzugt im Bereich der beweglichen Elemente und/oder auf der ersten Seite ausgebildet ist. Die Ausbildung der Kaverne ermöglicht in vorteilhafter Weise eine vergleichsweise präzise Festlegung der Funktionsschichtdicke senkrecht zur Haupterstreckungsebene.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen dem Substrat und der weiteren Schicht zumindest teilweise eine Isolationsschicht angeordnet ist und/oder dass die weitere Schicht Gräben senkrecht zur Haupterstreckungsebene aufweist und/oder dass die weitere Schicht Kontaktpads aufweist. In vorteilhafter Weise ermöglichen Kontaktpads die elektrische Kontaktierung des mikromechanischen Bauelements, während durch die Gräben eine elektrische Isolation von Teilen der weiteren Schicht realisiert wird. Die Isolationsschicht fungiert bevorzugt zur elektrischen Isolation der Funktionsschicht und/oder des Substrats von der weiteren Schicht und/oder zur Befestigung der weiteren Schicht an der Funktionsschicht und/oder dem Substrat. Besonders bevorzugt ist die Isolationsschicht in den Gräben angeordnet, während die Isolationsschicht in der Funktionsschicht zumindest teilweise weggeätzt ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mikromechanische Bauelement ein Inertialsensor ist. In vorteilhafter Weise wird durch das mikromechanische Bauelement ein Inertialsensor mit vergleichsweise hohem Aspektverhältnis realisiert.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements, wobei in einem ersten Verfahrensschritt ein Substrat bereitgestellt wird und wobei in einem zweiten Verfahrensschritt auf dem Substrat eine weitere Schicht aufgebracht wird und wobei ferner in einem dritten Verfahrensschritt das Substrat strukturiert wird. Besonders vorteilhaft wird durch die Strukturierung des Substrats selbst die Funktionsschicht aus dem Material des Substrats in dem Substrat gebildet Aufgrund der vergleichsweise großen Substratdicken senkrecht zur Haupterstreckungsebene werden somit im Vergleich zum Stand der Technik Funktionsschichten ermöglicht, welche ein deutlich größeres Aspektverhältnis aufweisen. Die weitere Schicht dient vorzugsweise zur elektrischen Kontaktierung des Substrats und/oder der Funktionsschicht.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zeitlich vor dem zweiten Verfahrensschritt das Substrat in einem vierten Verfahrensschritt wenigstens einseitig mit einer Isolationsschicht beschichtet wird und/oder vor dem dritten Verfahrensschritt die weitere. Schicht in einem fünften Verfahrensschritt mit einer weiteren Isolationsschicht beschichtet wird. Besonders vorteilhaft werden somit Teil des Substrats, der Funktionsschicht und/oder der weiteren Schicht voneinander elektrisch isoliert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass vor dem dritten Verfahrensschritt die weitere Schicht in einem sechsten Verfahrensschritt strukturiert und/oder das Substrat in einem siebten Verfahrensschritt geätzt wird. Besonders vorteilhaft ermöglicht die Strukturierung der weiteren Schicht die elektrische Isolation von Teilen der weiteren Schicht zur elektrischen Kontaktierung der Funktionsschicht und/oder des Substrat und/oder zur Bildung von Leiterbahnen.
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Das Ätzen des Substrats ermöglicht eine vergleichsweise präzise Festlegung der Substrat- bzw. Funktionsschichtdicke.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass nach dem vierten Verfahrensschritt die Isolationsschicht in einem achten Verfahrensschritt strukturiert wird und/oder dass nach dem fünften Verfahrensschritt die weitere Isolationsschicht in einem neunten Verfahrensschritt strukturiert wird und/oder dass in einem zwölften Verfahrensschritt die Isolationsschicht geätzt wird. Besonders vorteilhaft ermöglicht die Strukturierung der Isolationsschicht und/oder der weiteren Isolationsschicht sowohl die Definierung von mechanisch festen Verbindungen zwischen den Isolationsschichten und des Substrats und/oder der weiteren Schicht, als auch die Definition von wegätzbaren Isolationsschichten, welche beispielsweise im Bereich der Funktionsschicht durch einen Ätzvorgang die Bildung der beweglichen Elemente ermöglichen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass nach dem dritten Verfahrensschritt das Substrat in einem zehnten Verfahrensschritt zumindest teilweise von einer Verkappungsschicht bedeckt wird und/oder auf der weiteren Schicht in einem elften Verfahrensschritt zumindest ein Kontaktpad angeordnet wird. Besonders vorteilhaft ermöglicht die Anordnung von wenigstens einem Kontaktpad die elektrische Kontaktierung des mikromechanischen Bauelements, während die Verkappungsschicht zum Schutz und/oder zur atmosphärischen Abdichtung der mikromechanischen Funktionsschicht fungiert.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1a eine schematische Seitenansicht einer ersten Vorläuferstruktur zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform,
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1b eine schematische Seitenansicht einer zweiten Vorläuferstruktur zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform,
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1c eine schematische Seitenansicht einer dritten Vorläuferstruktur zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform,
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1d eine schematische Seitenansicht einer vierten Vorläuferstruktur zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform,
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1e eine schematische Seitenansicht einer fünften Vorläuferstruktur zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform,
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1f eine schematische Seitenansicht einer sechsten Vorläuferstruktur zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform,
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1g eine schematische Seitenansicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform und.
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2 eine schematische Perspektivansicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt.
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In 1a ist zur Veranschaulichung eines ersten, vierten und achten Verfahrensschrittes eine schematische Seitenansicht einer ersten Vorläuferstruktur zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt, wobei in dem ersten Verfahrensschritt das Substrat 2 bereitgestellt wird. Das Substrat 2 wird in dem vierten Verfahrensschritt beidseitig mit jeweils einer Isolationsschicht 8 beschichtet, wobei eine der Isolationsschichten 8 in dem achten Verfahrensschritt strukturiert wird. Das Substrat 2 umfasst bevorzugt einen einkristallinen Siliziumwafer. Bei der Isolationsschicht 8 handelt es sich vorzugsweise um ein thermisches Oxid, welches in einem Standardverfahren, wie Tegal, LAM, strukturiert wird. Das Substrat 2 weist eine Haupterstreckungsebene 11 auf.
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In 1b ist zur Veranschaulichung eines zweiten und sechsten Verfahrensschrittes eine schematische Seitenansicht einer zweiten Vorläuferstruktur zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt, wobei in dem zweiten Verfahrensschritt auf dem Substrat 2 bzw. der strukturierten Isolationsschicht 8 eine weitere Schicht 3 aufgebracht wird, welche bevorzugt ein polykristallines Silizium umfasst, welches besonders bevorzugt durch ein Epitaxieverfahren abgeschieden wird. In einem sechsten Verfahrensschritt wird die weitere Schicht 3 strukturiert, wobei insbesondere Gräben 9 in der weiteren Schicht 3 mittels Trenchverfahren gebildet werden. Bevorzugt wird die weitere Schicht 3 durch ein Standardverfahren planarisiert.
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In 1c ist zur Veranschaulichung eines fünften und neunten Verfahrensschrittes eine schematische Seitenansicht einer dritten Vorläuferstruktur zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt, wobei im fünften Verfahrensschritt die weitere Schicht 3 mit einer weiteren Isolationsschicht 8' bedeckt wird, welche in einem nachfolgenden neunten Verfahrensschritt strukturiert wird. Bevorzugt werden die Gräben 9 durch weitere Isolationsschicht 8' vollständig verfüllt, wobei die weitere Isolationsschicht 8' besonders bevorzugt ein thermisches Oxid umfasst, welches ganz besonders bevorzugt mittels eines MORI-Verfahrens zur Erzeugung leitfähiger Strukturen in der weiteren Isolationsschicht 8' strukturiert wird.
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In 1d ist zur Veranschaulichung eines elften Verfahrensschrittes eine schematische Seitenansicht einer vierten Vorläuferstruktur zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt, wobei im elften Verfahrensschritt auf die weitere Isolationsschicht 8' Kontaktpads 12 angeordnet werden, welche zur elektrischen Kontaktierung des mikromechanischen Bauelements 1 dienen. Das Kontaktpad 12 umfasst vorzugsweise eine Metallfläche und/oder eine metallische Leiterbahn.
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In 1e ist zur Veranschaulichung eines siebten Verfahrensschrittes eine schematische Seitenansicht einer fünften Vorläuferstruktur zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt, wobei im siebten Verfahrensschritt das Substrat 2 geätzt wird. Vor dem siebten Verfahrensschritt wird die fünfte Vorläuferstruktur vorzugsweise um 180 Grad gedreht, wobei die Drehachse in der Haupterstreckungsebene 11 liegt. Besonders bevorzugt wird eine Kaverne 7 in das Substrat 2 geätzt, sodass eine gewünschte Restdicke des Substrats senkrecht zur Haupterstreckungsebene zwischen der Substratoberfläche und der Isolationsschicht 8 eingestellt wird. Der Ätzvorgang wird insbesondere auf einer ersten Seite 5 des Substrats 2 durchgeführt, welche senkrecht zur Haupterstreckungsebene 11 auf der gegenüberliegenden Seite einer zweiten Seite 6 mit der weiteren Schicht 3 bezüglich des Substrats 2 angeordnet ist.
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In 1f ist zur Veranschaulichung eines dritten und zwölften Verfahrensschrittes eine schematische Seitenansicht einer sechsten Vorläuferstruktur zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt, wobei im sechsten Verfahrensschritt das Substrat 2 strukturiert wird und in einem nachfolgenden zwölften Verfahrensschritt die Isolationsschicht 8 geätzt wird, vorzugsweise mittels eines Gasphasenätzprozesses. Besonders bevorzugt wird das Substrat 2 im Bereich der Kaverne 7 getrencht, so dass nach dem zwölften Verfahrensschritt im Substrat 2 bewegliche Elemente 2' aus dem Material des Substrats 2 gebildet werden
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In 1g ist eine schematische Seitenansicht des mikromechanischen Bauelements 1 gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt, wobei in einem zehnten Verfahrensschritt das mikromechanische Bauelement 1 mit einer Verkappungsschicht 4 bedeckt wird. Vorzugsweise umfasst die Verkappungsschicht 4 eine Dünnschichtkappe, welche auf der ersten Seite 5 des Substrats angeordnet wird. Der Kappenwafer 4 wird besonders bevorzugt mittels einer Seal-Glas Verbindung oder mittels eines anodischen Bondprozesses an dem Substrat 2 befestigt.
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In 2 ist eine schematische Perspektivansicht eines mikromechanischen Bauelements 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt, wobei beispielhafte eine Kammstruktur 20 von beweglichen Elektroden 21 und festen Gegenelektroden 22 dargestellt ist, wobei die beweglichen Elektroden 21 untereinander fest und über Federstrukturen 23 mit dem Substrat 24 elastisch verbunden sind.
