DE102022210972A1

DE102022210972A1 - Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Schichtstruktur mit hohem Aspektverhältnis und mikromechanische Schichtstruktur

Info

Publication number: DE102022210972A1
Application number: DE102022210972.4A
Authority: DE
Inventors: Christoph Schelling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-10-18
Filing date: 2022-10-18
Publication date: 2024-04-18
Also published as: WO2024083378A1

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

Stand der Technik
Herkömmliche kapazitive MEMS-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 DRIE-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 WO20078541 beschreibt einen nanoelectric drive (NED)-Aktor, dessen Herstellung jedoch sehr herausfordernd ist. Bedingt durch die erreichbaren Aspektverhältnisse beim DRIE-Ätzen lassen sich solche NED-Aktoren mit Elektrodenabständen von ~2,5µm herkömmlich nur bis zu einer Höhe von weniger als ca. 75µm 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-Elektrodenspalten mit einem über den bisherigen Stand der Technik hinausgehenden Aspektverhältnis von >30:1 (Ätztiefe : Ätzgrabenbreite).
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 N ED-Aktoren, 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

1 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit anisotrop geätzten Strukturen im Stand der Technik.
Die 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 3a bis c zeigen das erfindungsgemäße Verfahren in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
4 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung mit einer mikromechanischen Struktur mit hohem Aspektverhältnis.
5 zeigt eine alternative Ausführung des Verfahrensschrittes von 2c.

Beschreibung der Figuren und weiterer Ausführungsbeispiele
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 µm. Mittels eines anisotropen DRIE-Ätzprozesses (DRIE - deep reactive ion etch) sind in die mikromechanische Funktionsschicht schmale Gräben von ~2,5 µm 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 µm und Elektrodenspalte 35 mit einer Breite von 2,5 µm auf.
Die 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.
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 µm und einer mikromechanischen Funktionsschicht 30 mit einer Dicke von 20-800 µm. 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 (2b). Die Funktionsschicht hat eine Dicke von > 75 µm, und die Ausnehmung hat eine Breite von < 8 µm. 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 (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 ( 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.
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 (2f). Auch können die zuvor aufgebrachten Schichten der Zwischenschichtfolge strukturiert werden, um zum Beispiel Opferschichtbereiche einzugrenzen, eine elektrische Kontaktierung zu ermöglichen, etc.
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 (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 2i). Dies kann zum Beispiel ein HF-Gasphasenätzen sein. Durch die vorangegangene Entfernung der Zwischenschicht 44 ist ein Hohlraum entstanden, der einen sofortigen HF-Gasphasenätzangriff an der gesamten Hohlraumoberfläche auch bei großen Unterätzweiten ermöglicht, was die Freistellung erheblich vereinfacht. Mit dem Verfahren lassen sich also ca. >75...800 µm hohe Elektrodenpaare mit ca. 100 nm-10 µm Elektrodenspalt darstellen, während sich mit dem Verfahren nach Stand der Technik nur <75 µm hohe und >2,5 µm breite Elektrodenspalte herstellen lassen.
Alternative Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sind durchführbar.
Nach Ätzen der Ausnehmung in der Funktionsschicht (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. Al2O3/SiO2 mittels ALD (atomic layer deposition) abgeschieden werden, um die Oberfläche zu schützen. (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. 5 zeigt dazu eine alternative Ausführung des Verfahrensschrittes von 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 2d gezeigt, kann es zum Einschluss von Lunkern kommen.
Die 3a bis c zeigen das erfindungsgemäße Verfahren in einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei Lunker entfernt oder vermieden werden.
3a zeigt dabei analog zu 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 (3b).
Nachfolgend wird eine weitere Lage der Verfüllschicht 50 abgeschieden. Die Lunker 55 werden dabei verfüllt und verschwinden (3c).
Zusammengefasst zeigt 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 MEMS-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

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019203914 [0002]
WO 20078541 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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 [0003]

Claims

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.
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.
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 Verfüllschicht (50) und der Zwischenschichtfolge (40) abgeschieden werden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Mikromechanischer Sensor mit einem kapazitiven Messfühler mit einer mikromechanischen Struktur nach Anspruch 8 oder 9.
Mikromechanischer Aktor mit einem kapazitiven Antrieb mit einer mikromechanischen Struktur nach Anspruch 8 oder 9.