DE102008003242B4 - Micromechanical component and method for producing a micromechanical component - Google Patents
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Abstract
Mikromechanisches Bauelement (1), mit einem eine Haupterstreckungsebene (11) aufweisenden homogenen Substrat (2) und einer parallel zur Haupterstreckungsebene (11) ausgebildeten weiteren Schicht (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) derart strukturiert ist, dass das Substrat (2) eine mikromechanische Funktionsschicht (2') aufweist, welche in einer zur Haupterstreckungsebene (11) parallel angeordneten Ebene (11') im Substrat (2) angeordnet ist und welche in einer zur Haupterstreckungsebene (11) senkrechten Richtung (10') zumindest teilweise die weitere Schicht (3) überlappt, das mikromechanische Bauelement (1) eine Verkappungsschicht (4) aufweist, wobei die Verkappungsschicht (4) auf einer ersten Seite (5) des Substrats (2) und die weitere Schicht (3) auf einer zweiten Seite (6) des Substrats (2) angeordnet ist, die weitere Schicht (3) Gräben (9) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (11) aufweist und die weitere Schicht (3) Kontaktpads (12) aufweist.Micromechanical component (1), comprising a homogeneous substrate (2) having a main extension plane (11) and a further layer (3) formed parallel to the main extension plane (11), characterized in that the substrate (2) is structured such that the substrate (2) has a micromechanical functional layer (2 ') which is arranged in a plane (11') arranged parallel to the main extension plane (11 ') in the substrate (2) and which at least in a direction (10') perpendicular to the main extension plane (11) partially overlapping the further layer (3), the micromechanical component (1) has a capping layer (4), wherein the capping layer (4) on a first side (5) of the substrate (2) and the further layer (3) on a second Side (6) of the substrate (2) is arranged, the further layer (3) has trenches (9) perpendicular to the main extension plane (11) and the further layer (3) contact pads (12).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a micromechanical component according to the preamble of
Solche Sockelelemente sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
Die Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
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.The micromechanical component according to the invention and the method according to the invention for producing a micromechanical component according to the independent claims have the advantage over a comparatively small number of production steps that a micromechanical component can be produced which has a comparatively thick functional layer perpendicular to the main extension plane. Thus, for example, an increase in the aspect ratio of capacitive sensors is achieved, whereby the required chip area of the capacitive sensors is reduced compared to the prior art. The manufacturing cost of the micromechanical device are therefore significantly reduced. The functional layer is formed from the material of the substrate, which preferably comprises a monocrystalline silicon, and overlaps with the substrate in a direction perpendicular to the surface normal of the main extension plane.
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.A further subject matter of the present invention is a micromechanical component having a substrate having a main extension plane and a further layer formed parallel to the main extension plane, the substrate being structured such that the substrate has a micromechanical functional layer which is in a plane parallel to the main extension plane in the substrate is arranged and which at least partially overlaps the further layer in a direction perpendicular to the main extension plane. In an advantageous manner, the micromechanical functional layer is thus formed by a corresponding structuring of the substrate, so that the structures of the micromechanical functional layer are formed in particular by the material of the substrate. The micromechanical functional view is particularly advantageously covered by the further layer, which preferably comprises an epitaxial layer applied to the substrate, so that movable elements of the micromechanical functional layer are electrically contacted by the further layer, mechanically fixed and / or protected from mechanical and / or chemical influences become. In particular, it is advantageously possible in accordance with the invention in this way for the functional layer of the micromechanical component to be hermetically sealed on the side of the further layer through which the overlapping or continuous further layer is made, thus assuming the function of a capping by the further layer ,
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.Advantageous embodiments and further developments of the invention are the subclaims, and the description with reference to the drawings.
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.According to a preferred embodiment, it is provided that the micromechanical functional layer extends perpendicular to the main extension plane at least over 50%, preferably at least over 75% and particularly preferably at least over 90% of the substrate thickness. Such an increase in the functional layer thickness particularly advantageously further increases the aspect ratio of the micromechanical component, as a result of which the chip area is reduced and thus the production costs decrease.
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.According to a further preferred development, it is provided that the micromechanical functional layer has movable elements and / or that the substrate has a further layer. In an advantageous manner, in particular electrodes can be realized by the movable elements, which are preferably provided for the capacitive measurement of inertial forces acting on the movable elements. Particularly preferably, the further layer and / or parts of the further layer allow the electrical contacting of the movable elements and / or the formation of conductor tracks. Most preferably, the substrate and / or the functional layer comprise counterelectrodes with respect to the electrodes formed by the movable elements.
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.In accordance with a further preferred development, it is provided that the micromechanical component has a capping layer, the capping layer preferably being arranged on a first side of the substrate and the further layer being arranged on a second side of the substrate. The capping layer functions particularly advantageously for the protection of the micromechanical functional layer, with the oscillation capabilities of the movable elements preferably being adjusted by the inclusion of a special atmosphere in the micromechanical functional layer. The micromechanical functional layer is particularly advantageously protected and / or atmospherically sealed by the further layer on a side opposite the capping layer perpendicular to the main extension plane.
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.According to a further preferred development, it is provided that the substrate has a cavern, wherein the cavern is preferably formed in the region of the movable elements and / or on the first side. The formation of the cavern advantageously allows a comparatively precise definition of the functional layer thickness perpendicular to the main extension plane.
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.According to a further preferred development, it is provided that at least partially an insulation layer is arranged between the substrate and the further layer and / or that the further layer has trenches perpendicular to the main extension plane and / or that the further layer has contact pads. Advantageously, contact pads allow the electrical contacting of the micromechanical device, while an electrical insulation of parts of the further layer is realized by the trenches. The insulating layer preferably functions for electrically insulating the functional layer and / or the substrate from the further layer and / or for fastening the further layer to the functional layer and / or the substrate. Particularly preferably, the insulating layer is arranged in the trenches, while the insulating layer is at least partially etched away in the functional layer.
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.According to a further preferred development, it is provided that the micromechanical component is an inertial sensor. Advantageously, an inertial sensor with a comparatively high aspect ratio is realized by the micromechanical component.
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.Another object of the present invention is a method for producing a micromechanical device according to the invention, wherein in a first process step, a substrate is provided and wherein in a second process step on the substrate, a further layer is applied and further wherein in a third process step, the substrate is patterned , Due to the structuring of the substrate itself, the functional layer of the material of the substrate is particularly advantageously formed in the substrate. Due to the comparatively large substrate thicknesses perpendicular to the main extension plane, functional layers which have a significantly greater aspect ratio are thus made possible in comparison to the prior art. The further layer is preferably used for electrical contacting of the substrate and / or the functional layer.
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.According to a preferred development, it is provided that, in a fourth method step, the substrate is coated at least on one side with an insulating layer before the second method step and / or before the third method step, the further. Layer is coated in a fifth process step with a further insulating layer. Thus, part of the substrate, the functional layer and / or the further layer are particularly electrically insulated from one another.
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.According to a further preferred development, it is provided that before the third method step, the further layer in a sixth Process step structured and / or the substrate is etched in a seventh process step. The structuring of the further layer particularly advantageously allows the electrical insulation of parts of the further layer for electrical contacting of the functional layer and / or of the substrate and / or for the formation of conductor tracks.
Das Ätzen des Substrats ermöglicht eine vergleichsweise präzise Festlegung der Substrat- bzw. Funktionsschichtdicke.The etching of the substrate allows a comparatively precise definition of the substrate or functional layer thickness.
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.According to a further preferred development, it is provided that, after the fourth method step, the insulation layer is patterned in an eighth method step and / or that after the fifth method step the further insulation layer is patterned in a ninth method step and / or that the insulation layer is etched in a twelfth method step , Particularly advantageously, the structuring of the insulation layer and / or the further insulation layer allows both the definition of mechanically strong connections between the insulation layers and the substrate and / or the further layer, and the definition of wegätzbaren insulation layers, for example, in the region of the functional layer by an etching process allow the formation of the moving elements.
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.According to a further preferred development, it is provided that, after the third method step, the substrate is at least partially covered by a capping layer in a tenth method step and / or at least one contact pad is arranged on the further layer in an eleventh method step. Particularly advantageously, the arrangement of at least one contact pad allows the electrical contacting of the micromechanical device, while the capping layer acts to protect and / or to atmospheric sealing of the micromechanical functional layer.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the present invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigenShow it
Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt.In the various figures, the same parts are always provided with the same reference numerals and are therefore usually named only once in each case.
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