WO2010057878A2 - Verfahren zum ausbilden einer mikro-oberflächenstruktur sowie zum herstellen eines mikroelektromechanischen bauelements, mikro-oberflächenstruktur sowie mikroelektromechanisches bauelement mit einer solchen struktur - Google Patents

Verfahren zum ausbilden einer mikro-oberflächenstruktur sowie zum herstellen eines mikroelektromechanischen bauelements, mikro-oberflächenstruktur sowie mikroelektromechanisches bauelement mit einer solchen struktur Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for forming a micro-surface structure on a substrate, in particular for producing a micro-electro-mechanical component, such a micro-surface structure, a method for producing a micro-electro-mechanical component with such a micro-surface structure and such a micro-electro-mechanical component.
  • the invention is particularly relevant to components of
  • Microsystem technology MST, microelectromechanical systems MEMS
  • construction and connection technology for the hermetic packaging of micro devices, preferably using getter materials.
  • a microcomponent for example a microelectromechanical component such as microsensor or microactuator
  • the atmosphere in the component must be adjusted and maintained according to the function.
  • penetrating gases are detrimental if the function of the component is due to controlled vacuum conditions or the maintenance of a certain pressure. It may also be necessary to form in the component an atmosphere with a specific composition over the entire service life. In particular, oxygen, hydrogen and water vapor are undesirable in hermetic enclosures. In addition to the pressure increase, however, gases can also activate other damage mechanisms.
  • getter material it is generally known to adjust and maintain the atmosphere prevailing in a microcomponent by introducing functional materials, in particular getter materials.
  • the amount of getter material to be used to create, adjust and store the atmosphere depends on its absorption capacity. This in turn depends strongly on the exposed surface as effective surface and reaction surface with gas molecules. It is basically known, the effective surface by surface structuring of the substrate, porous or fine structured functional material or getter films or also by columnar grain structures of a getter thin film to achieve.
  • the internal pressure rise is delayed because all active air gases are absorbed, only the noble gas portion of the air that has penetrated leads to a pressure increase.
  • An ideal getter with no saturation effect due to the absorption of active air gases limits the long-term increase in internal pressure to approx. 9.3 mbar (the sum of all noble gas partial pressures in the atmosphere). Thus, the internal pressure is a factor of 100 lower than in casings without getter.
  • a further possibility here, in addition to the use of a getter, to achieve a sufficiently long service life of the microcomponent is, for example, a doubling of the housing internal volume.
  • a deeper etched cavity slows down the pressure increase or change in the atmosphere in the housing, e.g. in half.
  • this geometric approach is often no longer or only partially applicable for reasons of mechanical component stability and component size.
  • the necessary capacity of the functional material in a hermetic housing can be defined by the fact that the functional material sufficiently maintains its respective function over the entire service life of the component.
  • its getter capacity can be defined by the fact that at a tested critical air leak rate no getter saturation occurs within the guaranteed component life.
  • the still verifiable air leakage rates are at best in the range 10 "14 mbar- l / s.
  • Known Dünn Anlagengetter must be very large area integrated in the housing to provide the necessary
  • Getter capacity to provide The trend towards ever smaller component geometries precludes a sufficiently long function of the functional or getter material, as e.g. there is no sufficient flat surface available for the arrangement of the material, which can lead to a critical situation for components with increased service life requirement.
  • Metal carrier films having sintered getter layers e.g. welded into housing cover or printed as thick film in the housing cover and sintered with this.
  • the vertical arrangement saves space, but any resulting particles fall with disadvantage directly on the sensitive component structure.
  • getter activation usually takes place after the hermetic enclosure closure by annealing in an oven (R. Kullberg et al., Getter for microelectronic packages, Advanced Packaging, 12/2004, pages 30-33).
  • getters were placed as NEG shaped parts in cavities reserved for this purpose on the side of the resonator, which are connected to these by channels.
  • a getter or other functional material in a vacuum wafer bonding process makes high demands on the material itself. It must behave passively during storage and wafer handling, it must not lead to wafer bending due to layer stress, the deposition temperature must not be high ( ⁇ 300 0 C), its structuring must not limit the cap wafer process (the production of the passive cap) in terms of metal selection and depth of the cavities, it must adhere excellent and must not emit particles, its characteristics must not be negatively affected by wafer cleaning , it must not deliver noble gas during the wafer bond, its activation temperature should not be above the bonding temperature and the activation process does not take too long in time. In addition, a getter should not already be saturated by the outgassing during wafer bonding and possibly bound gas must not be released again at normal operating temperatures of the component.
  • Oxygen and nitrogen as gases to be absorbed are chemically bound by the getter and converted to corresponding oxides or nitrides on its surface. Since the oxides and nitrides formed have a larger volume than the reacted getter matehal, the chemical reaction of the getter also involves the development of mechanical stress, which may possibly exceed a critical level and
  • the object of the present invention is to determine the specific capacity of functional materials used in microcomponents or functional groups for their production, such as, for example, Getter better exploit, with the mechanical integrity and stability of the functional material should remain guaranteed after prolonged use and in the case of getters after the reaction and saturation with absorbed gases. Also, the volume necessary for the functional material should not be increased, the functional material should be mechanically stable and the function of the microcomponent should not be impaired or only marginally impaired. Furthermore, the production of said microcomponents or functional groups should be as simple as possible and not difficult. Finally, the aforementioned disadvantages of the prior art should be eliminated.
  • the method the solution of the problem in a method for forming a micro-surface structure on a substrate, in particular for the production of a microelectromechanical device, in which at or in the Substrate a first fine structure with at least one elevation and / or depression, in particular with numerous elevations and / or depressions, is formed, wherein the elevation (s) and / or recess (s) has a to be coated with the functional material surface or have, which extends substantially perpendicularly or obliquely to the substrate plane, the surface of the first fine structure to be coated with the functional material at least partially has wave-shaped or bucke-shaped elevations and / or depressions serving as nucleation points, at which the functional material preferably separates and deposits, and wherein the functional material in the form of a second fine structure is applied to the volume bodies, preferably in the form of lamellae and / or rods, which rise from the surface to be coated.
  • the survey (s) and / or well (s) of the first fine structure are hereinafter referred to as a first survey and / or depression or first surveys and / or wells for the sake of clarity.
  • This first elevation (s) and / or depression (s) of the first fine structure has or have a surface to be coated with the functional material that extends substantially perpendicularly or obliquely to the substrate plane.
  • This surface of the first fine structure which is to be coated with the functional material in turn has wave-shaped or bucke-shaped elevations and / or depressions at least in regions, which are referred to below as second buckle-shaped or wave-shaped elevations and / or depressions, in relation to the first elevations and / or or to distinguish wells of the first fine structure.
  • the second elevations and / or depressions of the surface to be coated serve as nucleation points, at which the functional material preferably separates.
  • this object is achieved on the method side by a method for arranging a getter as a functional material on a substrate, in particular according to one of claims 1 to 7, wherein the getter material is applied to a surface on the substrate, the at least partially wavy or buckeiförmige surveys and / or depressions.
  • the wave-shaped or bucke-shaped elevations and / or depressions serve, in particular, as nucleation points on which the functional material preferably separates.
  • the solution of the object underlying the invention in a micro-surface structure in particular produced by a method of claims 1 to 9, wherein on or in a substrate, a first fine structure with at least one elevation and / or depression, in particular with numerous elevations and / or recesses, is provided with a substrate plane substantially perpendicular or oblique surface, wherein on the surface of the survey (s) and / or recess (s) a functional material is arranged, wherein the functional material in the form of a second fine structure with them from the Surface of the survey (s) and / or indent (s) uplifting
  • Bulk bodies in particular in the form of lamellae or rods, is formed.
  • the surface of the first elevations and / or depressions which is substantially perpendicular or oblique to the substrate plane has, in particular at least in regions, second elevations and / or depressions which are wavy or buccal and have served as nucleation points for the functional material arranged in the form of the second fine structure.
  • the solution further consists in a microelectromechanical component with a micro-surface structure according to one of claims 10 to 13, with the substrate as a bottom, intermediate or cover element.
  • a functional material generally refers to materials which perform a specific function in a microcomponent or its manufacture.
  • getter materials in the broadest sense, which have an attractive or binding effect on other substances.
  • Other functional materials may be optical absorber layers or antireflective coatings for optically transparent housing elements or sticky films as particle traps.
  • the functional materials can also be those with high gas saturation, for example with argon or hydrogen, which can be used, for example, in the context of components with multi-cavities, if the cavities are to have different internal pressures.
  • Suitable getters are those which attract, bind or take up one or more substances chemically or physically or in some other way.
  • a moisture getter may comprise a dielectric material with a certain porosity and preferably be coated with a metal. Due to their polarity, water molecules are stored in the porous structure of the moisture getter.
  • a getter according to the invention comprises the metals Ti, Cr, Zr, Al, V, Co, Hf, Ba, Fe, La, in particular as pure metal or any alloy of these metals, eg TiAl, ZrAl, TiSi, TiZr or ZrCo , Particularly advantageous is a use of porous SiO 2 .
  • the functional or getter material may in particular be provided with catalytically active components, such as. As platinum and / or nickel.
  • catalytically active components such as. As platinum and / or nickel.
  • Under a coating with functional or getter material in the context of the invention is a single or multi-layer arrangement of the respective material over or next to each other over the entire surface or only partially to understand.
  • a micro-surface in the sense of the invention is a surface produced by methods for the production of micro-electromechanical components. It has surface structures which usually have a size in a range between 10 nm and 50 microns and a height between 5nm and 600nm, preferably 30nm (Skallops). Further preferred sizes are disclosed below.
  • the technological approach in the present invention is based on a first fine structuring of a substrate, to which a functional material in the form of a second fine structure is applied.
  • the first fine structure is formed on or in the substrate.
  • this is done by an etching process, in particular by a dry etching process with reactive gases, e.g. CF4 and SF6 in alternation.
  • the first fine structure can also be formed by laser engraving.
  • structures which are also referred to as first elevations and / or depressions in the present description are produced in or on the substrate with walls, surfaces or surface regions which are substantially vertical or oblique to the substrate plane. These represent the surface to be coated with the functional material.
  • the geometries of these structures are arbitrary, eg linear trenches, tortuous trenches, spirals, worked out Cylinder or cuboid or honeycomb structures with any number of corners or round holes, preferably in a matrix-like arrangement.
  • the structure widths are usually larger than 1 ⁇ m.
  • the depth or height is arbitrary per se, preferably up to 50 ⁇ m, more preferably 10-20 ⁇ m, even more preferably 5 nm to 600 nm and with particular advantage 30 nm deep.
  • the distance between adjacent structures is 3 - 40 ⁇ m, more preferably 4 ⁇ m.
  • the surfaces to be coated with the functional material are preferably at an angle between 45 ° and 135 °, more preferably between 87 ° and 95 ° relative to the substrate plane, surfaces are particularly well, which are substantially perpendicular to the substrate plane.
  • the functional material is applied according to the invention in the form of a second fine structure with rising from the surface of the first fine structure to be coated solids, preferably in the form of lamellae and / or rods, on the corresponding walls, surfaces or surface areas.
  • the solids are advantageously spaced from each other, it is individual body basically arbitrary configuration with spaces between adjacent solids.
  • the inventively provided first and second fine structure leads to a double structural or surface enlargement of the functional material.
  • the first fine structure results in an enlargement of the surface of the substrate on which then more functional material can be arranged and, alternatively or additionally, the functional material with a larger surface can be arranged than is the case with a flat substrate surface.
  • the surface-magnifying second fine structure of the functional material itself adds to this effect.
  • the volume of the solids spaced away from each other increases the effective surface area available for the desired function. Overall, this makes it possible to make better use of the specific functional capacity of the functional material.
  • the distance provided between the solids has the further purpose of serving as an expansion space for the (getter) material in the event of a functional increase in volume of the functional material, eg a getter, which increases in volume as a result of gas absorption due to the chemical reaction , Due to the free expansion of the solid body is a spalling partially saturated Getter surfaces avoided, which in turn leads to better reliability and longer life of the micro-components thus produced.
  • the second fine structure has solid bodies in the form of lamellae and / or rods. These forms are, as will be explained in more detail below, easy to manufacture with the inventive method.
  • the lamellae also have a good strength, bonding strength to the substrate and stability in the dimensions present in microcomponents, while in bars with respect to lamellae with reduced stability, the effective surface area is greater.
  • the solids can also be formed in other geometric shapes or variations.
  • the slats can be straight or curved.
  • the application of the functional material can basically in any way, for example by vapor deposition or sputtering done. However, particularly preferred is a deposition of the functional material by vapor deposition, for example in a system with planetary gear. It can be applied any evaporation methods such as thermal evaporation, electron beam, laser beam or arc evaporation. In these generally known methods, the functional material to be evaporated is evaporated as a target.
  • the vaporized material (atoms, "atomic clusters” or molecules) passes through a vacuum or vacuum chamber to the cooler substrate
  • the functional material vapor condenses on the substrate and forms a coating there
  • vapor deposition avoids the incorporation of gases into the functional material layer Downstream outgassing effects in the functional material of stored gases can thus be substantially prevented, so that coatings produced in this way are particularly well suited for generating or maintaining a high vacuum in component cavities.
  • the functional material coating can be vapor-deposited as pure material, in particular as pure metal or alloy from a crucible. It is also possible to simultaneously evaporate two or more pure materials or metals or alloys from different crucibles (code position) or to set a defined sequence of different layers by opening and closing shielding plates.
  • Sputtering is also suitable as a method for applying the functional material.
  • the functional material is atomized by ion bombardment and passes into the gas phase. Atoms released from the functional material reach the substrate, condense there and form a layer.
  • the process is carried out in a working gas atmosphere. Depending on the ratio of the atomic weight of the working gases to the sputtered material, there is an incorporation of the sputtering gas in the layer deposited on the substrate. At high temperatures, the stored gas can escape again. This is disadvantageous particularly for relatively light work gas is argon, and the necessary when eutectic AuSi wafer bonding joining temperatures during the closure housing in the range 400 0 C.
  • a heavy inert gas is used as working gas, eg krypton or xenon.
  • working gas eg krypton or xenon.
  • the surface of the first fine structure to be coated with the functional material has wave-shaped or bucke-shaped or similar elevations and / or depressions at least in some areas. These are referred to in particular as second wave-shaped or bucke-shaped or similar elevations and / or depressions and serve as nucleation points at which the functional material preferably precipitates and deposits.
  • the second elevations and / or depressions are advantageously produced by forming the first fine structure by the anisotropic dry etching described above. In this case, a reproducible surface topography (wave relief) is formed on said vertical or oblique walls, surfaces or surface areas of the etched structures of the first fine structure. The wave mountains and valleys are lost preferably substantially parallel to the substrate plane.
  • the wave relief can be varied by changing the etching parameters in terms of wave spacing and wave depth (wave trough). This variation may also be performed preferably during a structuring process.
  • the distance between adjacent antinodes is preferably 60-400 nm, depending on the gas exchange frequency.
  • the formation of the wave amplitude is related to the concentration of the gas. In the case of SF6 as a reactive gas, at low concentrations the wave amplitude is less than 10 nanometers. The height of the wave amplitude is, however, usually limited to less than 50 nm, because otherwise the anisotropy is lost.
  • the functional material impinges on the previously described surface topographies at an angle of incidence ⁇ between 60 degrees and 80 degrees to the substrate plane.
  • the aforementioned second elevations / depressions then cause a shading effect, whereby growth zones of the functional material essentially form only on the raised substrate areas.
  • Said incident angle range is particularly advantageous, for example when using a system with planetary gear to effect, the substrate is exposed at a varying angle of about + - 30 ° to the evaporator source.
  • the functional material forms in the growth zones preferably obliquely arranged volume bodies at an angle ⁇ to the substrate plane, in particular circumferential lamellar structures having a thickness in a range between 20-180 nm and a length in a range between 20 nm and a few 1000 nm.
  • the angle ⁇ depends inter alia on the angle at which the substrate is aligned with the evaporator source or the direction of incidence of the functional material, and is preferably in a range between 20 ° and 50 °.
  • Bump (s) and / or the recess (s) of the first fine structure preferably formed in or on the bottom of a cavity or recess of the substrate.
  • micro-surfaces according to the invention can be almost without restrictions for housed microcomponents are used.
  • this can increase the internal volume enclosed in the housing, as a result of which a possibly present increase in pressure can be slowed down compared with a housing without a cavity.
  • they may be formed on a flat substrate or wafer.
  • the cavity can then in the housing of the microcomponent by interposing a z.
  • B. frame-like substrate or wafer between the bottom substrate and cover substrate are formed.
  • the surfaces to be coated can be coated directly after structuring with the functional material or a getter coating, in particular metallization.
  • a dielectric layer eg, SiO 2 , SiN, AlN, Al 2 O 3
  • electrode metallization eg, CrAu, TiAu, TiTiNAu, TiCu, TiPtAu etc.
  • a gold topcoat can be vapor-deposited.
  • the gold layer can serve as a potential layer for subsequent galvanic application of sealing frames (eg gold, gold-tin) as well as protecting the functional material layer from undesirable reaction with air or other media.
  • the gold capping layer may later be selectively etched away or thermally alloyed with the functional material or getter layer while it is thermally activated.
  • the cover layer may consist of another material suitable for the respective intended purpose, in particular be realized as a platinum cover layer.
  • a platinum top layer can advantageously a separation of larger molecules at low temperatures, in particular the operating temperature range at 80 to 150 0 C and catalyses the Gettereffizienz, eg for water, methane, etc. can be improved.
  • platinum and / or nickel can be used as an intermediate layer in a layer stack and / or as a minority alloy element during application, in particular vapor deposition, of in particular prefabricated alloys. Platinum and / or nickel can / may in particular be present in the functional or getter material and act there catalytically.
  • a particular embodiment of the method is characterized in that a further similar or similar fine structure is formed on the side of the substrate opposite the first fine structure.
  • Fine structures can now only one or both can be coated with the functional material according to the invention.
  • the two fine structures can be formed the same or different.
  • a portion of the functional material applied to one or both of the fine structures may preferably be removed by etching. If in this way mutually opposite regions are formed on both sides of the substrate only with the first fine structure in a suitable design, these regions can serve to form an antireflection structure for infrared radiation.
  • an optically non-reflective thin layer may be provided on one side or both sides.
  • the antireflection structure in the IR window can be both ordered and defined, but also purely arbitrarily (so-called black silicone).
  • the IR window can have an antireflection coating of at least one thin layer, preferably of four alternating layers Ge-ZnS, wherein the antireflection coating can be arranged on the side of the substrate facing the component and / or on the side of the substrate facing the component.
  • at least one of the antireflection coatings provided may have a first fine structure with at least one elevation and / or depression, in particular with numerous elevations and / or depressions, with a surface that is substantially perpendicular or oblique to the substrate plane.
  • Adjacent elevations or depressions preferably have a distance from one another between 3 ⁇ m and 40 ⁇ m, more preferably 4 ⁇ m, and / or the elevation (s) or depression (s) have a height or depth preferably less than 50 ⁇ m, more preferably between 10 ⁇ m and 20 ⁇ m.
  • a metal layer may be provided as a diaphragm between the substrate and the antireflection coating.
  • the applied functional material is structured.
  • the functional material and in particular gas-absorbing getters must be introduced individually into each component. This creates the need for getter structuring, for example by means of a lithographic lift-off structuring, in which a lacquer layer is first applied, exposed and developed. Thereafter, the functional material or getter layer is e.g. applied by sputtering or CVD (Chemical Vapor Deposition) and structured by dissolving the lacquer layer.
  • This structuring method is intended to prevent contamination of the functional material or getter surface by lithographic lacquer residues. The structuring of the layer can already during the
  • the cavity in the lid wafer can be formed by dry etching, wet chemical etching, a thick sealing frame or by a third window wafer as a spacer.
  • a cover element next to or around a defined field (IR-30 window) with anti-reflection coating black silicon with arbitrary arrangement, defined moth-eye structures, thin layer
  • the IR window can be recessed to the substrate surface.
  • an uneven combination of antireflection coatings on the outside and inside make sense.
  • a thin-film antireflective coating may be provided on the outside and mottled or black silicone internally or vice versa, this combination being less advantageous.
  • an antireflection multiple layer of Ge-ZnS may be formed on one side or both sides.
  • the support structure is preferably made of the same material layer, eg polycrystalline silicon, silicon germanium or amorphous silicon, as the elements of the microcomponent itself. It is It does not matter whether there is an integrated electronic evaluation or control circuit for the microcomponent (s) on this substrate.
  • 1 is a schematic sectional view of a part of a micro-surface structure transverse to the substrate plane
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a microelectromechanical component with micro-surface structures according to FIG. 1, FIG.
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of a further embodiment of a microelectromechanical component with micro-surface structures according to FIG. 1,
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of a third embodiment of a microelectromechanical component with micro-surface structures according to FIG. 1 and an optical window for IR radiation
  • FIG. 5 shows a schematic sectional view of a fourth embodiment of a microelectromechanical component with micro-surface structures according to FIG. 1 and an optical window for IR radiation in a further embodiment
  • Fig. 7 is a lid substrate in various manufacturing steps.
  • FIG. 1 a part of a micro-surface structure 1 according to the invention is greatly enlarged and shown schematically.
  • the micro-surface structure 1 is formed on or on a substrate 202.
  • only one solid 200 of the micro-surface structure 1 is shown. This rises perpendicular to the substrate plane 204. This extends in the direction of the in the figure 1 shown arrow and perpendicular to the plane of the drawing.
  • the volume body 200 in a cross section parallel to the substrate plane 204 has a substantially circular cross section.
  • the surface 205 of the volume body 200 extending perpendicularly to the substrate plane 204 is provided with a wave structure 210 which consists of wave troughs 206 and wave crests 207.
  • the functional material applied to the substrate surface is a getter material 220, 230 comprising, for example, titanium.
  • the getter 220, 230 is z. B. applied by vapor deposition on the substrate surface.
  • the angle of incidence ⁇ of the getter or metal atoms, ie the getter material, is indicated in FIG.
  • the micro-component 209 to be coated therewith is rotated about an axis of rotation perpendicular to the substrate plane 204.
  • getter material is also deposited parallel to the substrate plane 204, in the example shown getter or titanium thin layers 230 on the bulk body 200 as well Getter or titanium thin films 230 on the surface of the substrate 202 itself.
  • getter or titanium thin layers 230 on the bulk body 200 as well Getter or titanium thin films 230 on the surface of the substrate 202 itself.
  • Volume body 200 beats the getter or titanium material due to the above-described rotation between impact angle ⁇ and surface 205 and the rotation of the micro-component 209 in the form of lamellae 220 down.
  • the reason for this is the wave structure 210 of the surface 205 of the volume body 200.
  • the wave peaks 207 shield the wave trough 206 following in the direction of incidence from the incident getter or titanium atoms. These can only be deposited in the region of the wave crests 207 and in particular on the side of the wave crests 207 lying in the direction of incidence 211.
  • the increased getter or titanium deposits cause a continued shielding of the following in the direction of arrival ⁇
  • the solid bodies 200 form the first fine structure 2 in the sense of the invention
  • the lamellae 220 form the second fine structure 3 in the sense of the invention.
  • a plurality of solid bodies 200 designed in accordance with FIG. 1 are arranged side by side on a substrate 202. Free spaces 201 are in turn formed between adjacent solids 200.
  • the solid bodies 200 are formed on a substrate 202 which forms a cover 208 for the illustrated microcomponent 209.
  • a recess is introduced for example by means of a suitable etching process, which forms a cavity 250 together with a bottom substrate 280.
  • the above-described solid bodies 200 are arranged and coated with functional material or getters 220, 230 in the manner described above.
  • the lid 208 is placed on the bottom substrate 280 with the interposition of a sealing frame 270, so that the cavity 250 is hermetically sealed from the environment.
  • a sealing frame 270 On the side of the bottom substrate 280 facing the cover 208, one or more microstructures 290 are arranged. These may be, for example, vibration elements of inertial and yaw rate sensors. The measured values recorded with the microstructures 290 are converted in known manner into measuring signals which can be tapped off via an electrical connection contact 290 shown by way of example.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a microelectromechanical component 209 with the micro surface according to the invention.
  • the component 209 has a cover 208 with a corresponding cavity 250. This one is about one Sealing frame 270 connected to an underlying bottom substrate 280. This coated on its lid 208 facing surface with a dielectric 295.
  • Dielectric 295 a further dielectric 294 is arranged, which is connected on its the bottom substrate 280 opposite side with the sealing frame 270.
  • the connection between cover 208, sealing frame 270, dielectrics 294, 295 and the electrical conductor 293 with the bottom substrate 280 is in turn hermetically sealed.
  • the cavity 250 is formed, in which a microstructure 292, for example a rotary oscillator with corresponding motion detection elements, is arranged on the bottom substrate 280.
  • a getter in the form of a micro-surface structure 1 according to the invention is arranged in the cavity 250, which, as already described in connection with FIGS.
  • the micro-surface structure 201 is arranged on the bottom substrate 280 or the dielectric layer 295 applied thereto, which in this case form the substrate 202 as a micro-component.
  • FIG. 4 Two further embodiments of the invention are shown in Figures 4 and 5 in the form of a micro-IR detector.
  • the detector shown in FIG. 4 has a bottom substrate 280, in the upper side of which an integrated circuit 296 is inserted.
  • the bottom substrate 280 further carries a sealing frame 270, which in turn is connected to a lid 208.
  • Bottom substrate 280, sealing frame 270 and lid 208 form a cavity 250, in which a microstructure 297 for detecting or for interacting with optical or IR radiation is arranged on the bottom substrate 280.
  • the cavity 250 is formed by etching a depression in the substrate 208 forming the lid 208.
  • a first fine structure 2 of solids 200 as well as intermediate spaces 201 as described above with reference to FIGS. 1-3 is introduced, which is provided with a getter in the form of a second Fine structure 3 is coated as a thin layer 230 and in the form of fins 220.
  • a microstructured antireflection layer 301 is provided, which consists of volumes 303 spaced apart from one another by the distance 302. The microstructured antireflection layer 301 is produced in the same way as the first fine structure 2.
  • a thin film 330 for antireflecting the optical window is arranged in an outer recess 320 of the cover 208.
  • the microcomponent 209 shown in FIG. 5 differs from that of FIG. 4 in that instead of the thin layer 330 in the recess 320, an outer microstructured antireflection layer 310 is provided, which substantially corresponds to the microstructured antireflection layer 301 arranged in the cavity.
  • FIG. 7c An exemplary sequence of the method according to the invention is illustrated by a flow chart in FIG.
  • the substrate 202 in the respective production stages is shown in FIG.
  • method step 100 recesses are produced in the substrate 202 (FIG. 7c), which form the later cavity 250 of the microcomponent.
  • the depressions are introduced into the substrate by means of the usual etching process.
  • the structure fields are generated.
  • the structure fields are preferably produced by means of an anisotropic dry etching process with reactive gases, for example CF 4, SF 6 (FIGS. 7 c, d).
  • a getter metallization is deposited, which is deposited in particular on the first fine structure (200, 201) in the form of thin layers 230 and lamellae 220 (FIG. 7g).
  • a metal frame is deposited, which forms the later sealing frame 270.
  • the deposition of the metal frame is preferably carried out by electroplating, for example, gold or gold / tin ( Figure 7h).
  • the getter patterning takes place.
  • the lateral boundaries of the applied getter material are defined, for example by a lift-off structuring (see FIGS. 7g, h).
  • a standard lithography with photoresist for covering the getter structure to be preserved and a subsequent structuring of the exposed getter material can take place.
  • this structuring can be carried out wet-chemically or dry, that is to say with reactive gases (titanium and zirconium, for example HF, HF-containing etching).
  • the component sealing takes place by bonding bottom substrate 280, sealing frame 270 and lid 208 to one another.
  • the component sealing takes place under controlled atmosphere (vacuum).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer Mikro-Oberflächenstruktur an einem Substrat, insbesondere zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Bauelements, eine derartige Mikro-Oberflächenstruktur, ein Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Bauelements mit einer derartigen Mikro-Oberflächenstruktur sowie ein solches mikroelektromechanisches Bauelement. Die Erfindung ist insbesondere relevant für Bauelemente der Mikrosystemtechnik (MST, microelectromechanical Systems MEMS) sowie die Aufbau- und Verbindungstechnik zur hermetischen Gehäusung von Mikrobauelementen, vorzugsweise unter Verwendung von Gettermaterialien.

Description

Verfahren zum Ausbilden einer Mikro-Oberflächenstruktur sowie zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Bauelements, Mikro-Oberflächenstruktur sowie mikroelektromechanisches Bauelement mit einer solchen Struktur
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer MikroOberflächenstruktur an einem Substrat, insbesondere zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Bauelements, eine derartige Mikro-Oberflächenstruktur, ein Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Bauelements mit einer derartigen Mikro-Oberflächenstruktur sowie ein solches mikroelektromechanisches Bauelement. Die Erfindung ist insbesondere relevant für Bauelemente der
Mikrosystemtechnik (MST, microelectromechanical Systems MEMS) sowie die Aufbau- und Verbindungstechnik zur hermetischen Gehäusung von Mikrobauelementen, vorzugsweise unter Verwendung von Gettermaterialien.
Für eine sichere Funktion in einer angestrebten Nutzungsdauer eines Mikrobauteils, zum Beispiel eines mikroelektromechanischen Bauelements wie Mikrosensor oder Mikroaktuator, ist die Atmosphäre in dem Bauteil der Funktion entsprechend einzustellen und zu bewahren. Bei zahlreichen Mikrobauteilen sind eindringende Gase schädlich, wenn die Funktion des Bauteils auf kontrollierten Vakuumbedingungen oder der Einhaltung eines bestimmten Drucks beruht. Ebenso kann erforderlich sein, in dem Bauteil eine Atmosphäre mit bestimmter Zusammensetzung über die gesamte Nutzungsdauer auszubilden. Insbesondere Sauerstoff, Wasserstoff und Wasserdampf sind in hermetischen Gehäusen unerwünscht. Neben dem verursachten Druckanstieg können Gase jedoch auch andere Schädigungsmechanismen aktivieren.
Es ist allgemein bekannt, die in einem Mikrobauteil herrschende Atmosphäre durch Einbringen von Funktionsmaterialien, insbesondere Gettermaterialien, einzustellen und zu bewahren. Die Menge des zum Erzeugen, Einstellen und Bewahren der Atmosphäre zu verwendenden Gettermaterials ist von dessen Absorptionskapazität abhängig. Diese wiederum hängt stark von der exponierten Oberfläche als effektive Oberfläche und Reaktionsfläche mit Gasmolekülen ab. Es ist grundsätzlich bekannt, die effektive Oberfläche durch Oberflächenstrukturierung des Substrates, poröse oder fein strukturierte Funktionsmaterial- oder Getterfilme oder auch durch kolumnare Kornstrukturen eines Getterdünnfilms zu erzielen. Mit einem integrierten Getter verzögert sich der Innendruckanstieg, weil alle aktiven Luftgase absorbiert werden, nur der eingedrungene Edelgasanteil der Luft führt zu einem Druckanstieg. Ein idealer Getter ohne Sättigungseffekt durch Aufnahme von aktiven Luftgasen begrenzt langfristig den Innendruckanstieg auf ca. 9,3 mbar (Summe aller Edelgaspartialdrücke in der Atmosphäre). Somit liegt der Innendruck um einen Faktor 100 niedriger als bei Gehäusen ohne Getter.
Eine weitere Möglichkeit hier neben einer Verwendung eines Getters eine ausreichend lange Nutzungsdauer des Mikrobauteils zu erzielen, ist beispielsweise eine Verdopplung des Gehäuseinnenvolumens. Durch eine tiefer geätzte Kavität verlangsamt sich der Druckanstieg oder die Änderung der Atmosphäre im Gehäuse z.B. auf die Hälfte. Dieser geometrische Ansatz ist jedoch aus Gründen der mechanischen Bauteilstabilität und Bauteilgröße oft nicht mehr oder nur eingeschränkt anwendbar.
Die notwendige Kapazität des Funktionsmaterials in einem hermetischen Gehäuse kann dadurch definiert werden, dass das Funktionsmaterial seine jeweilige Funktion über die gesamte Lebensdauer des Bauteils in ausreichendem Maße bewart. Im Falle eines Getters kann dessen Getterkapazität dadurch definiert werden, dass bei einer abgeprüften kritischen Luftleckrate keine Gettersättigung innerhalb der garantierten Bauteillebensdauer auftritt. Üblicherweise liegen die derzeit noch überprüfbaren Luftleckraten bestenfalls im Bereich 10"14 mbar- l/s. Bekannte Dünnschichtgetter müssen sehr großflächig in das Gehäuse integriert werden, um die notwendige
Getterkapazität bereit zu stellen. Der Trend zu immer kleineren Bauteilgeometrien steht einer ausreichend langen Funktion des Funktions- oder Gettermaterials entgegen, da z.B. keine ausreichende ebene Fläche zur Anordnung des Materials zur Verfügung steht, wodurch es zu einer kritischen Situation bei Bauteilen mit erhöhter Lebensdaueranforderung kommen kann.
Die Einbringung von Funktionsmaterialien oder Gettern in mikrotechnische Bauteile kann auf unterschiedliche Art erfolgen. In den Anfängen der miniaturisierten Vakuumgehäusung auf Waferebene wurden poröse Formteile des entsprechenden Materials in speziell dafür vorgesehene Gehäusehohlräume eingebracht. Die dabei oft verwendete seitliche Anordnung vergrößert in nachteiliger Weise das Bauteil, so dass auch die Menge des im Gehäuse zur Verfügung stehenden Funktions- oder Gettermaterials begrenzt ist. Als alternative Gehäusekonstruktion wurden
Metallträgerfilme mit gesinterten Getterschichten z.B. in Gehäusedeckel eingeschweißt oder gleich als Dickschicht in den Gehäusedeckel gedruckt und mit diesem versintert. Die vertikale Anordnung spart Platz, eventuell entstehende Partikel fallen jedoch mit Nachteil direkt auf die empfindliche Bauteilstruktur. Die Getteraktivierung erfolgt in beiden Fällen in der Regel nach dem hermetischen Gehäuseverschluss durch Temperung in einem Ofen (R. Kullberg et al., Getter for microelectonic packages, Advanced Packaging, 12/2004, Seiten 30-33). Nach Einführung der Bauteilverkappung auf Waferebene wurden Getter als NEG-Formteil in dafür vorgehaltene Kavitäten seitlich vom Resonator eingelegt, die mit diesem durch Kanäle verbunden sind. Die Entwicklung von strukturiert abscheidbaren Dünnfilmgettern direkt in Vertiefungen des Kappenwafers ermöglichte Vakuumgehäuse auf Waferebene mit Kavitätsvolumen im Bereich einiger Nanoliter (High vacuum wafer bonding technology, AuSi eutectic wafer bonding with integrated getter thin film for long term stable high vacuum, W. Reinert, MST News, Spezialausgabe über Wafer Bond Technologie, Februar 2005).
Die Integration eines Getter- oder anderen Funktionsmaterials in einen Vakuum- Waferbondprozess zur Herstellung von Mikrobauteilen stellt hohe Anforderungen an das Material selbst. Es muss sich bei Lagerung und Waferhandhabung passiv verhalten, es darf nicht zu einer Waferverbiegung durch Schichtstress führen, die Abscheidetemperatur darf nicht zu hoch sein (< 300 0C), seine Strukturierung darf den Kappenwaferprozess (die Fertigung der passiven Kappe) nicht hinsichtlich Metallauswahl und Tiefe der Kavitäten einschränken, es muss exzellent haften und darf keine Partikel emittieren, seine charakteristischen Eigenschaften dürfen sich nicht durch Waferreinigung negativ verändern, es darf während der Waferbondung kein Edelgas abgeben, seine Aktivierungstemperatur sollte nicht über der Fügetemperatur liegen und der Aktivierungsprozess zeitlich nicht zu lange dauern. Außerdem sollte ein Getter nicht schon durch die Ausgasungen während der Waferbondierung gesättigt werden und ggf. gebundenes Gas darf nicht bei üblichen Betriebstemperaturen des Bauteils wieder freigesetzt werden.
Ein weiteres im Zusammenhang mit Gettern bei deren Einsatz auftretendes Problem wird im Folgenden beschrieben. Sauerstoff sowie Stickstoff als zu absorbierende Gase werden von dem Getter chemisch gebunden und zu entsprechenden Oxiden bzw. Nitriden auf dessen Oberfläche umgesetzt. Da die gebildeten Oxide und Nitride ein größeres Volumen als das umgesetzte Gettermatehal einnehmen, ist mit der chemischen Reaktion des Getters auch die Entwicklung mechanischen Stresses verbunden, der unter Umständen ein kritisches Maß überschreiten kann und
Abplatzungen oder ähnliche Materialdefekte in der Getterstruktur hervorrufen kann. Die Ausbildung der Oxide bzw. Nitride kann allerdings auch dazu führen, dass die Reaktivität des Getters begrenzt wird, behindern doch diese Schichten die weitere Reaktion des Getters mit den Gasen. Wird eine kritische Schichtdicke überschritten, kommt die weitere Reaktion des Getters zum Erliegen, wodurch der Getter zunächst seine max. Kapazität erreicht hat.
Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei Mikrobauteilen oder Funktionsgruppen zu deren Herstellung die spezifische Kapazität verwendeter Funktionsmaterialien wie z.B. Getter besser auszunutzen, wobei die mechanische Integrität und Stabilität des Funktionsmaterials insbesondere nach längerem Einsatz sowie im Falle von Gettern nach der Reaktion und Sättigung mit aufgenommenen Gasen gewährleistet bleiben soll. Auch sollen die für das Funktionsmaterial notwendigen Volumen nicht vergrößert werden, das Funktionsmaterial mechanisch stabil angeordnet sein und die Funktion des Mikrobauteils nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt werden. Des Weiteren soll die Herstellung der genannten Mikrobauteile oder Funktionsgruppen möglichst einfach sein und nicht erschwert werden. Schließlich sollen die zuvor genannten Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden.
Verfahrensseitig besteht die Lösung der Aufgabe in einem Verfahren zum Ausbilden einer Mikro-Oberflächenstruktur an einem Substrat, insbesondere zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Bauelements, bei dem an oder in dem Substrat eine erste Feinstruktur mit wenigstens einer Erhebung und/oder Vertiefung, insbesondere mit zahlreichen Erhebungen und/oder Vertiefungen, ausgebildet wird, wobei die Erhebung(en) und/oder Vertiefung(en) eine mit dem Funktionsmaterial zu beschichtende Oberfläche aufweist bzw. aufweisen, die sich im Wesentlichen senkrecht oder schräg zur Substratebene erstreckt, die mit dem Funktionsmaterial zu beschichtende Oberfläche der ersten Feinstruktur wenigstens bereichsweise wellen- oder buckeiförmige Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweist, die als Nukleationspunkte dienen, an denen sich das Funktionsmaterial bevorzugt abscheidet und niederschlägt, und wobei das Funktionsmaterial in Form einer zweiten Feinstruktur mit sich von der zu beschichtenden Oberfläche erhebenden Volumenkörpern, vorzugsweise in Form von Lamellen und/oder Stäben, aufgebracht wird.
Die Erhebung(en) und/oder Vertiefung(en) der ersten Feinstruktur werden im Folgenden zum Zwecke einer besseren Verständlichkeit als ersten Erhebung und/oder Vertiefung bzw. ersten Erhebungen und/oder Vertiefungen bezeichnet. Diese erste(n) Erhebung(en) und/oder Vertiefung(en) der ersten Feinstruktur weist bzw. weisen eine mit dem Funktionsmaterial zu beschichtende Oberfläche auf, die sich im Wesentlichen senkrecht oder schräg zur Substratebene erstreckt. Diese mit dem Funktionsmaterial zu beschichtende Oberfläche der ersten Feinstruktur wiederum weist wenigstens bereichsweise wellen- oder buckeiförmige Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweist, welche im Folgenden als zweite buckel- oder wellenförmigen Erhebungen und/oder Vertiefungen bezeichnet werden, um sie gegenüber den ersten Erhebungen und/oder Vertiefungen der ersten Feinstruktur unterscheiden zu können. Die zweiten Erhebungen und/oder Vertiefungen der zu beschichtenden Oberfläche dienen als Nukleationspunkte, an denen sich das Funktionsmaterial bevorzugt abscheidet.
Des Weiteren wird diese Aufgabe verfahrensseitig gelöst durch ein Verfahren zur Anordnung eines Getters als Funktionsmaterial auf einem Substrat, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Gettermaterial auf eine Oberfläche an dem Substrat aufgebracht wird, die wenigstens bereichsweise wellen- oder buckeiförmige Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweist. Die wellen- oder buckeiförmigen Erhebungen und/oder Vertiefungen dienen insbesondere als Nukleationspunkte, an denen sich das Funktionsmaterial bevorzugt abscheidet. Vorrichtungsseitig besteht die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe in einer Mikro-Oberflächenstruktur, insbesondere hergestellt mit einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 9, wobei an oder in einem Substrat eine erste Feinstruktur mit wenigstens einer Erhebung und/oder Vertiefung, insbesondere mit zahlreichen Erhebungen und/oder Vertiefungen, mit einer zur Substratebene im Wesentlichen senkrechten oder schrägen Oberfläche vorgesehen ist, wobei an der Oberfläche der Erhebung(en) und/oder Vertiefung(en) ein Funktionsmaterial angeordnet ist, wobei das Funktionsmaterial in Form einer zweiten Feinstruktur mit sich von der Oberfläche der Erhebung(en) und/oder Vertiefung(en) erhebenden
Volumenkörpern, insbesondere in Form von Lamellen oder Stäben, ausgebildet ist. Die zur Substratebene im Wesentlichen senkrechte oder schräge Oberfläche der ersten Erhebungen und/oder Vertiefungen weist insbesondere wenigstens bereichsweise zweite, wellen- oder buckeiförmige Erhebungen und/oder Vertiefungen auf, die als Nukleationspunkte für das in Form der zweiten Feinstruktur angeordnete Funktionsmaterial gedient haben. Die Lösung besteht des Weiteren in einem mikroelektromechanischen Bauelement mit einer Mikro-Oberflächenstruktur nach einem der Ansprüche 10 bis 13, mit dem Substrat als Boden-, Zwischen- oder Deckelelement.
Unter einem Funktionsmaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung sind allgemein Materialien zu verstehen, die bei einem Mikrobauteil oder dessen Herstellung eine bestimmte Funktion ausüben. Beispielhaft zu nennen sind in diesem Zusammenhang Gettermaterialien im weitesten Sinne, die auf andere Substanzen anziehend oder bindend wirken. Weitere Funktionsmaterialien können optische Absorberschichten oder Antireflexbeschichtungen für optisch transparente Gehäuseelemente oder klebrige Filme als Partikelfänger sein. Auch können die Funktionsmaterialien solche mit hoher Gassättigung, z.B. mit Argon oder Wasserstoff, sein, die beispielsweise im Rahmen von Bauelementen mit Multikavitäten eingesetzt werden können, wenn die Kavitäten unterschiedliche Innendrücke aufweisen sollen. Als Getter kommen solche Materialien in Frage, die eine oder mehrere Substanzen chemisch oder physikalisch oder in anderer Weise anziehen, binden oder aufnehmen. Stickstoff beispielsweise wird an einer aktiven Stelle eines aktivierten Getters physisorbiert. Dabei findet eine chemische Bindung statt, die das Gas permanent bindet. Ein Feuchtegetter kann ein dielektrisches Material mit einer bestimmten Porosität aufweisen und vorzugsweise mit einem Metall beschichtet sein. Wassermoleküle werden aufgrund ihrer Polarität in der porösen Struktur des Feuchtegetters eingelagert. Ein Getter im Sinne der Erfindung weist die Metalle Ti, Cr, Zr, AI, V, Co, Hf, Ba, Fe, La insbesondere als Reinmetall oder eine beliebige Legierung dieser Metalle, z.B. TiAI, ZrAI, TiSi, TiZr oder ZrCo, auf. Besonders vorteilhaft ist eine Verwendung von porösen SiO2. Es ist auch möglich, zwei oder mehr Reinmetalle oder Legierungen oder eine definierte Abfolge unterschiedlicher Metallschichten einzustellen. Das Funktions- bzw. Gettermaterial kann insbesondere mit katalytisch wirksamen Bestandteilen versehen sein, wie z. B. Platin und/oder Nickel. Unter einer Beschichtung mit Funktions- oder Gettermaterial im Sinne der Erfindung ist eine ein- oder mehrlagige Anordnung des jeweiligen Materials über- oder nebeneinander vollflächig oder nur bereichsweise zu verstehen.
Eine Mikro-Oberfläche im Sinne der Erfindung ist eine mit Verfahren zur Herstellung von mikroelektromechanischen Bauelementen erzeugte Oberfläche. Sie besitzt Oberflächenstrukturen, die in der Regel eine Größe in einem Bereich zwischen 10 nm und 50 μm und eine Höhe zwischen 5nm und 600nm, vorzugsweise 30nm (Skallops) aufweisen. Weitere bevorzugte Größen sind im Nachfolgenden offenbart.
Der technologische Ansatz bei der vorliegenden Erfindung beruht auf einer ersten Feinstrukturierung eines Substrats, auf die ein Funktionsmaterial in Form einer zweiten Feinstruktur aufgebracht wird. Die erste Feinstruktur wird an dem oder in dem Substrat ausgebildet. Vorzugsweise erfolgt dieses durch ein Ätzverfahren, insbesondere durch ein Trockenätzverfahren mit reaktiven Gasen wie z.B. CF4 und SF6 im Wechsel.
Besonders gut eignet sich anisotrophes Trockenätzen oder Hochratenätzen. Die erste Feinstruktur kann außerdem mittels Lasergravur ausgebildet werden. Bei dem Ausbilden der ersten Feinstruktur werden in oder an dem Substrat Strukturen, die in der vorliegenden Beschreibung auch als erste Erhebungen und/oder Vertiefungen bezeichnet sind, mit zur Substratebene im Wesentlichen vertikalen oder schrägen Wänden, Oberflächen oder Oberflächenbereichen erzeugt. Diese stellen die mit dem Funktionsmaterial zu beschichtende Oberfläche dar. Die Geometrien dieser Strukturen sind beliebig, z.B. lineare Gräben, gewundene Gräben, Spiralen, herausgearbeitete Zylinder oder Quader oder Wabenstrukturen mit beliebig vielen Ecken oder runden Löchern, vorzugsweise in matrixartiger Anordnung. Die Strukturbreiten sind in der Regel größer 1 μm. Die Tiefe oder Höhe ist an sich beliebig, ist vorzugsweise bis zu 50 μm, bevorzugter 10 - 20 μm, noch bevorzugter 5nm bis 600nm und mit besonderem Vorteil 30nm tief. Der Abstand benachbarter Strukturen liegt bei 3 - 40 μm, besonders bevorzugt bei 4 μm. Die mit dem Funktionsmaterial zu beschichtenden Oberflächen liegen vorzugsweise in einem Winkel zwischen 45° und 135°, bevorzugter zwischen 87° und 95° relativ zur Substratebene, besonders gut eignen sich Oberflächen, die im Wesentlichen senkrecht zu Substratebene liegen.
Das Funktionsmaterial wird nach der Erfindung in Form einer zweiten Feinstruktur mit sich von der zu beschichtenden Oberfläche der ersten Feinstruktur erhebenden Volumenkörpern, vorzugsweise in Form von Lamellen und/oder Stäben, auf die entsprechenden Wände, Oberflächen oder Oberflächenbereiche aufgebracht. Die Volumenkörper sind mit Vorteil voneinander beabstandet, es handelt sich um individuelle Körper grundsätzlich beliebiger Ausgestaltung mit Zwischenräumen zwischen benachbarten Volumenkörpern. Die erfindungsgemäß vorgesehene erste und zweite Feinstruktur führt zu einer doppelten Struktur- oder Oberflächenvergrößerung des Funktionsmaterials. Die erste Feinstruktur hat eine Vergrößerung der Oberfläche des Substrats zur Folge, auf der dann mehr Funktionsmaterial angeordnet sowie alternativ oder zusätzlich das Funktionsmaterial mit größerer Oberfläche angeordnet werden kann, als das bei einer flachen Substratoberfläche der Fall ist. Zu diesem Effekt addiert sich die oberflächenvergrößernd wirkende zweite Feinstruktur des Funktionsmaterials selbst. Durch die voneinander beabstandeten Volumenkörper wird die für die gewünschte Funktion zur Verfügung stehende effektive Oberfläche abermals vergrößert. Insgesamt kann hierdurch die spezifische Funktionskapazität des Funktionsmaterials besser ausgenutzt werden. Neben der Vergrößerung der effektiven Oberfläche hat der zwischen den Volumenkörpern vorgesehene Abstand den weiteren Sinn, im Falle einer funktionsbedingten Volumenzunahme des Funktionsmaterials, z.B. eines Getters als Ausdehnungsraum für das (Getter)-Material zu dienen, das durch Gasaufnahme aufgrund der chemischen Reaktion an Volumen zunimmt. Durch die freie Ausdehnungsmöglichkeit der Volumenkörper wird ein Abplatzen teilgesättigter Getterflächen vermieden, was wiederum zu einer besseren Verlässlichkeit und längeren Lebensdauer der so hergestellten Mikrobauteile führt.
Mit besonderem Vorteil weist die zweite Feinstruktur Volumenkörper in Form von Lamellen und/oder Stäben auf. Diese Formen sind, wie im Nachfolgenden näher erläutert wird, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einfach herzustellen. Die Lamellen weisen darüber hinaus bei den bei Mikrobauteilen vorliegenden Abmessungen eine gute Festigkeit, Anbindungsfestigkeit am Substrat und Stabilität auf, während bei Stäben gegenüber Lamellen bei verringerter Stabilität die effektive Oberfläche größer ist. Die Volumenkörper können jedoch auch in anderen geometrischen Formen oder Abwandlungen ausgebildet werden. So können beispielsweise die Lamellen geradlinig oder gebogen sein. Bei kolumnar auf ebenen Flächen aufgewachsenen Getterfilmen ergibt sich als Nebeneffekt der mechanischen Kornentkopplung ein geringer mechanischer Stress in der Getterschicht, der sich auf einem geringen Niveau stabilisiert.
Die Aufbringung des Funktionsmaterials kann grundsätzlich in beliebiger weise, z.B. durch Aufdampfen oder Sputtern, erfolgen. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Abscheidung des Funktionsmaterials durch Aufdampfen, beispielsweise in einer Anlage mit Planetengetriebe. Es können dabei beliebige Verdampfungsverfahren wie thermisches Verdampfen, Elektronenstrahl-, Laserstrahl- oder Lichtbogenverdampfen angewendet werden. Bei diesen allgemein bekannten Verfahren wird das aufzudampfende Funktionsmaterial als Target verdampft. Das verdampfte Material (Atome, „Atomcluster" oder Moleküle) gelangt durch eine Vakuum- oder Unterdruckkammer zu dem kühleren Substrat. Der Funktionsmaterialdampf kondensiert am Substrat und bildet dort eine Beschichtung aus. In vorteilhafter Weise wird durch Aufdampfen eine Einlagerung von Gasen in die Funktionsmaterialschicht vermieden. Nachgelagerte Ausgasungseffekte im Funktionsmaterial eingelagerter Gase können so im Wesentlichen verhindert werden, wodurch sich so erzeugte Beschichtungen besonders gut zur Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung eines Hochvakuums in Bauteil kavitäten eignen. Die Funktionsmaterialbeschichtung kann als Reinmaterial, insbesondere als Reinmetall oder Legierung aus einem Tiegel aufgedampft werden. Es ist auch möglich, zwei oder mehr Reinmaterialien oder -metalle oder Legierungen aus jeweils unterschiedlichen Tiegeln gleichzeitig zu verdampfen (Codeposition) oder durch das Öffnen und Schließen von Abschirmblechen eine definierte Abfolge unterschiedlicher Schichten einzustellen.
Als Verfahren zum Aufbringen des Funktionsmaterials ist auch Sputtern geeignet. Dabei wird das Funktionsmaterial durch lonenbeschuss zerstäubt und geht in die Gasphase über. Aus dem Funktionsmaterial herausgelöste Atome gelangen zum Substrat, kondensieren dort und bilden eine Schicht aus. Das Verfahren wird in einer Arbeitsgasatmosphäre durchgeführt. Je nach Verhältnis des Atomgewichts der Arbeitsgase zum gesputterten Material kommt es zu einer Einlagerung des Sputtergases in der am Substrat abgeschiedenen Schicht. Bei hohen Temperaturen kann das eingelagerte Gas wieder austreten. Dies ist insbesondere für das relativ leichte Arbeitsgas Argon und die beim eutektischen AuSi Waferbonden notwendigen Fügetemperaturen während des Gehäuseverschlusses im Bereich 4000C nachteilig. Mit Vorteil wird daher nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung beim Sputtern ein schweres Edelgas als Arbeitsgas verwendet, z.B. Krypton oder Xenon. Diese werden als Arbeitsgase weniger stark in das Funktionsmaterial eingelagert bzw. von diesem erst bei sehr hohen Temperaturen über 5000C wieder abgegeben.
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung weist die mit dem Funktionsmaterial zu beschichtende Oberfläche der ersten Feinstruktur wenigstens bereichsweise wellen- oder buckeiförmige oder ähnliche Erhebungen und/oder Vertiefungen auf. Diese werden insbesondere als zweite wellen- oder buckeiförmige oder ähnliche Erhebungen und/oder Vertiefungen bezeichnet und dienen als Nukleationspunkte, an denen sich das Funktionsmaterial bevorzugt abscheidet und niederschlägt. Mit Vorteil werden die zweiten Erhebungen und/oder Vertiefungen erzeugt, indem die erste Feinstruktur durch das zuvor beschriebenen anisotrophe Trockenätzen ausgebildet wird. Dabei bildet sich eine reproduzierbare Oberflächentopographie (Wellenrelief) an den genannten vertikalen oder schrägen Wänden, Oberflächen oder Oberflächenbereichen der geätzten Strukturen der ersten Feinstruktur aus. Die Wellenberge und -täler verlaufen dabei vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Substratebene. Das Wellenrelief kann durch die Veränderung der Ätzparameter hinsichtlich Wellenabstand und Wellentiefe (Wellental) variiert werden. Diese Variation kann auch während eines Struktuherungsprozesses vorzugsweise programmiert durchgeführt werden. Der Abstand zwischen benachbarten Wellenbäuchen liegt vorzugsweise bei 60 - 400 nm, je nach Gaswechselfrequenz. Die Ausbildung der Wellenamplitude hängt mit der Konzentration des Gases zusammen. Im Falle von SF6 als reaktives Gas beträgt bei niedrigen Konzentrationen die Wellenamplitude weniger als 10 Nanometer. Die Höhe der Wellenamplitude ist jedoch in der Regel auf weniger als 50 nm beschränkt, weil sonst die Anisotrophie verloren geht.
Es ist von besonderem Vorteil, wenn das Funktionsmaterial unter einem Auftreffwinkel α zwischen 60 Grad und 80 Grad zur Substratebene auf die zuvor beschriebenen Oberflächentopographien auftrifft. Die vorgenannten zweiten Erhebungen/Vertiefungen bewirken dann einen Abschattungseffekt, wodurch sich Wachstumszonen des Funktionsmaterials im Wesentlichen nur auf den erhabenen Substratsbereichen bilden. Der genannte Auftreffwinkelbereich ist besonders vorteilhaft beispielsweise bei Verwendung einer Anlage mit Planetengetriebe zu bewirken, wobei das Substrat mit einem variierendem Winkel von ca. +- 30° zur Verdampferquelle exponiert ist. Im Falle einer mittels anisotrophen Trockenätzen ausgebildeten ersten Feinstruktur mit parallel zur Substratebene verlaufenden Wellenbergen bildet das Funktionsmaterial in den Wachstumszonen vorzugsweise in einem Winkel ß zur Substratebene schräg angeordnete Volumenkörper, insbesondere umlaufende Lamellenstrukturen, mit einer Dicke in einem Bereich zwischen 20 - 180 nm und einer Länge in einem Bereich zwischen 20 nm und einigen 1000 nm aus. Der Winkel ß hängt unter anderem von dem Winkel ab, in dem das Substrat zur Verdampferquelle oder zur Einfallsrichtung des Funktionsmaterials ausgerichtet ist, und liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 20° und 50°.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird bzw. werden die (ersten)
Erhebung(en) und/oder die Vertiefung (en) der ersten Feinstruktur vorzugsweise in oder auf dem Grund einer Kavität oder Vertiefung des Substrats ausgebildet. Hierdurch können erfindungsgemäße Mikro-Oberflächen nahezu ohne Einschränkungen für gehäuste Mikrobauteile genutzt werden. Mit Vorteil kann hierdurch das in dem Gehäuse eingeschlossen Innenvolumen vergrößert werden, wodurch gegenüber einem Gehäuse ohne Kavität ein möglicherweise vorliegender Druckanstieg verlangsamt werden kann. Anstatt die ersten Erhebung(en) und/oder Vertiefung(en) der ersten Feinstruktur in einer Kavität oder Vertiefung des Substrats auszubilden, können sie auf einem flachen Substrat oder Wafer ausgebildet werden. Die Kavität kann dann bei der Häusung des Mikrobauteils durch Zwischenlegen eines z. B. rahmenartigen Substrats oder Wafers zwischen Bodensubstrat und Deckelsubstrat ausgebildet werden.
Nach der Ausbildung der ersten Feinstruktur können deren zu beschichtende Oberflächen direkt nach der Strukturierung mit dem Funktionsmaterial oder einer Getterbeschichtung, insbesondere -metallisierung, beschichtet werden. Alternativ können sie nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung vor dem Aufbringen des Funktionsmaterials bzw. der Getterbeschichtung mit einer dielektrischen Schicht (z.B. SiO2, SiN, AIN, AI2O3) oder einer Elektrodenmetallisierung ( z.B. CrAu, TiAu, TiTiNAu, TiCu, TiPtAu etc.) für eine nachfolgende galvanische Metallaufbringung versehen werden, z.B. um einen umlaufenden Versiegelungsrahmen auszubilden.
Nach dem Aufbringen des Funktionsmaterials kann nach einer nächsten Ausführungsform abschließend eine Golddeckschicht aufgedampft werden. Mit Vorteil ist das möglich, ohne das für die Aufbringung des Funktionsmaterials notwendige Vakuum zu unterbrechen. Die Goldschicht kann als Potentialschicht für ein nachfolgendes galvanisches Aufbringen von Versiegelungsrahmen (z.B. Gold, GoldZinn) dienen sowie die Funktionsmaterialschicht vor einer unerwünschten Reaktion mit Luft oder anderen Medien schützen. Die Golddeckschicht kann später selektiv weggeätzt oder thermisch mit der Funktionsmaterial- oder Getterschicht legiert werden, während diese thermisch aktiviert wird. Die Deckschicht kann selbstverständlich aus einem anderem für den jeweils beabsichtigten Zweck geeigneten Material bestehen, insbesondere als Platindeckschicht realisiert sein. Durch eine Platindeckschicht kann mit Vorteil eine Zerlegung von größeren Molekülen bei niedrigen Temperaturen, insbesondere im Betriebstemperaturbereich bei 80 bis 1500C katalysiert und die Gettereffizienz, z.B. für Wasser, Methan, etc. verbessert werden. Zusätzlich oder alternativ zu einer Deckschicht kann Platin und/oder Nickel als Zwischenschicht in einem Schichtstapel und/oder als Minoritätslegierungselement beim Aufbringen, insbesondere Aufdampfen, von insbesondere vorgefertigten Legierungen eingesetzt werden. Platin und/oder Nickel kann/können insbesondere im Funktionsoder Gettermaterial vorliegen und dort katalytisch wirken.
Eine besondere Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass auf der der ersten Feinstruktur gegenüberliegenden Seite des Substrats eine weitere derartige oder ähnliche Feinstruktur ausgebildet wird. Von diesen beiden ersten
Feinstrukturen kann nun lediglich eine oder können beide mit dem Funktionsmaterial gemäß der Erfindung beschichtet werden. Die beiden Feinstrukturen können gleich oder unterschiedlich ausgebildet werden. Des Weiteren kann ein Teil des auf eine oder auf beide Feinstrukturen aufgebrachten Funktionsmaterials vorzugsweise durch Ätzen entfernt werden. Werden auf diese Weise auf beiden Seiten des Substrats einander gegenüberliegenden Bereiche nur mit der ersten Feinstruktur in geeigneter Ausführung ausgebildet, können diese Bereiche zum Ausbilden einer Antireflexionsstruktur für Infrarot-Strahlung dienen. Auf einer Seite oder beiden Seiten kann anstelle der Feinstruktur eine optisch entspiegelnde Dünnschicht vorgesehen sein. Die Antireflexionsstruktur in dem IR-Fenster können sowohl geordnet und definiert, aber auch rein willkürlich (sog. Black Silicon) ausgebildet sein. Mit besonderem Vorteil ist hierdurch die Ausbildung von mikroelektromechanischen Bauelementen möglich, die eine Kombination der erfindungsgemäßen Mikro-Oberfläche mit Getter- oder Funktionsmaterial mit einem IR-Fenster aufweisen. Das IR-Fenster kann insbesondere eine Antireflex-Beschichtung aus wenigstens einer Dünnschicht, vorzugsweise aus jeweils vier alternierenden Schichten Ge-ZnS aufweisen, wobei die Antireflex- Beschichtung an der zum Bauelementinneren und/oder an der zum Bauelementäußeren weisenden Seite des Substrats angeordnet sein kann. Des Weiteren kann wenigstens eine der vorgesehenen Antireflex-Beschichtungen eine erste Feinstruktur mit wenigstens einer Erhebung und/oder Vertiefung, insbesondere mit zahlreichen Erhebungen und/oder Vertiefungen, mit einer zur Substratebene im Wesentlichen senkrechten oder schrägen Oberfläche aufweisen. Benachbarte Erhebungen bzw. Vertiefungen haben voneinander vorzugsweise einen Abstand zwischen 3 μm und 40 μm, bevorzugter von 4 μm und/oder die Erhebung(en) bzw. Vertiefung(en) eine Höhe bzw. Tiefe vorzugsweise von weniger als 50 μm, bevorzugter zwischen 10 μm und 20 μm. Zwischen dem Substrat und der Antireflex-Beschichtung kann optional eine Metallschicht als Blende vorgesehen sein.
5
Nach einer weiteren Ausführungsform wird das aufgebrachte Funktionsmaterial strukturiert. Das Funktionsmaterial und insbesondere gasabsorbierende Getter müssen in jedes Bauteil individuell eingebracht werden. Hierdurch entsteht die Notwendigkeit der Getterstrukturierung, beispielsweise durch eine lithographische Lift-Off- lo Strukturierung, bei der zuerst eine Lackschicht aufgebracht, belichtet und entwickelt wird. Danach wird die Funktionsmaterial- oder Getterschicht z.B. über Sputtern oder CVD (Chemical Vapor Deposition) aufgebracht und durch Auflösen der Lackschicht strukturiert. Mit diesem Struktuherungsverfahren soll eine Kontamination der Funktionsmaterial- oder Getteroberfläche durch Lithographielackreste vermieden i5 werden. Die Strukturierung der Schicht kann aber auch schon während der
Abscheidung durch eine beispielsweise metallische Schattenmaske über dem Substrat erfolgen. Besonders bevorzugt ist jedoch, wenn auf das Funktionsmaterial eine Lackschicht, insbesondere eine Photolackschicht, aufgebracht wird und exponierte Bereiche des Funktionsmaterials nachfolgend, insbesondere naßchemisch sowie
20 trocken mit reaktiven Gasen, strukturiert werden.
Insgesamt s i n d fo l g e n d e An o rd n u n g e n d e r e rfi n d u n g sg e m ä ße n M i kroOberflächenstruktur im Zusammenhang mit Mikrosensoren denkbar:
1. Anordnung in einem Deckelelement vorzugsweise ohne andere
25 Funktionselemente, oberhalb oder seitlich zu einem darunter befindlichen Mikrobauteil. Die Kavität in dem Deckelwafer kann dabei durch Trockenätzen, naßchemisches Ätzen, einen dicken Versiegelungsrahmen oder durch einen dritten Fensterwafer als Abstandshalter gebildet werden.
2. Anordnung in einem Deckelelement neben oder um ein definiertes Feld (IR- 30 Fenster) mit Antireflexbeschichtung (Black Silicon mit willkürlicher Anordnung, definierte Mottenaugenstrukturen, Dünnschicht) für Infrarot Strahlung. Das IR Fenster kann dabei zur Substratoberfläche vertieft sein. Aus prozesstechnischen Gründen kann eine ungleiche Kombination von Antireflexschichten auf der Außen- und Innenseite Sinn machen. Z.B. kann außen eine Dünnschicht-Entspiegelung und innen Mottenaugen oder Black Silicon vorgesehen sein oder umgekehrt, wobei diese Kombination weniger vorteilhaft ist. Zusätzlich kann auf einer Seite oder beiden Seiten eine Antireflex-Mehrfachschicht aus Ge-ZnS ausgebildet sein. 3. Anordnung auf dem gleichen Substrat wie das Mikrobauteil (neben diesem oder um dieses herum angeordnet), wobei die Trägerstruktur vorzugsweise aus der materialgleichen Schicht, z.B. polykristallinem Silizium, SiliziumGermanium oder amorphen Silizium, strukturiert ist, wie die Elemente des Mikrobauteils selbst. Es ist dabei unerheblich, ob sich auf diesem Substrat eine integrierte elektronische Auswerte- oder Ansteuerungsschaltung für das oder die Mikrobauteile befindet.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der Figuren. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils einer Miko- Oberflächenstruktur quer zur Substratebene,
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines mikroelektromechanischen Bauelements mit Miko-Oberflächenstrukturen nach Fig. 1 ,
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines mikroelektromechanischen Bauelements mit Miko-Oberflächenstrukturen nach Fig. 1 ,
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform eines mikroelektromechanischen Bauelements mit Mikro-Oberflächenstrukturen nach Fig. 1 sowie einem optischen Fenster für IR-Strahlung,
Fig. 5 eine schematische Schnittansicht einer vierten Ausführungsform eines mikroelektromechanischen Bauelements mit Mikro-Oberflächenstrukturen nach Fig. 1 sowie einem optischen Fenster für IR-Strahlung in einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 6 eine Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Flussdiagramms und
Fig. 7 ein Deckelsubstrat in verschiedenen Fertigungsschritten.
In der Figur 1 ist ein Teil einer erfindungsgemäßen Mikro-Oberflächenstruktur 1 stark vergrößert und schematisch dargestellt. Die Mikro-Oberflächenstruktur 1 ist an oder auf einem Substrat 202 ausgebildet. In der starken Vergrößerung der Figur 1 ist lediglich ein Volumenkörper 200 der Mikro-Oberflächenstruktur 1 dargestellt. Dieser erhebt sich senkrecht zur Substratebene 204. Diese erstreckt sich in Richtung des in der Figur 1 dargestellten Pfeils sowie senkrecht zur Zeichnungsebene. Wie aus der Figur 1 nicht eindeutig hervorgeht, weist der Volumenkörper 200 in einem Querschnitt parallel zur Substratebene 204 im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf. Die sich senkrecht zur Substratebene 204 erstreckende Oberfläche 205 des Volumenkörpers 200 ist mit einer Wellenstruktur 210 versehen, das aus Wellentälern in 206 sowie Wellenbergen 207 besteht.
Das auf die Substratoberfläche aufgebrachte Funktionsmaterial ist im dargestellten Beispiel ein Gettermaterial 220, 230 aufweisend beispielsweise Titan. Das Gettermaterial 220, 230 wird z. B. durch Aufdampfen auf die Substratoberfläche aufgebracht. Der Auftreffwinkel α der Getter- oder Metallatome, also des Gettermaterials, ist in der Figur 1 kenntlich gemacht. Während des Aufdampfens des Gettermaterials 220, 230 wird das mit diesem zu beschichtenden Mikro-Bauteil 209 um eine zur Substratebene 204 senkrechte Rotationsachse gedreht. Durch den schräg zur Orthogonalen der Substratebene 204 ausgebildeten Auftreffwinkel α sowie die Rotation des gesamten Mikro-Bauteils 209 kommt es zu einer Abscheidung von Gettermaterial auch parallel zur Substratebene 204 ausgerichteten Oberflächen, im dargestellten Beispiel Getter- oder Titan-Dünnschichten 230 auf dem Volumenkörper 200 sowie Getter- oder Titan-Dünnschichten 230 auf der Oberfläche des Substrats 202 selbst. An der senkrecht zur Substratebene 204 ausgerichteten Oberfläche 205 des
Volumenkörpers 200 schlägt sich das Getter- oder Titanmaterial aufgrund der zuvor beschriebenen Rotation zwischen Auftreffwinkels α und Oberfläche 205 sowie der Rotation des Mikro-Bauteils 209 in Form von Lamellen 220 nieder. Anlass hierfür ist die Wellenstruktur 210 der Oberfläche 205 des Volumenkörperr 200. In der Einfallsrichtung (Auftreffwinkel α) des Getter- oder Titanmaterials 220, 230 schirmen die Wellenberge 207 das jeweils in Einfallsrichtung nachfolgende Wellental 206 vor den auftreffenden Getter- oder Titanatomen ab. Diese können sich nur im Bereich der Wellenberge 207 und hier insbesondere an der in Einfallsrichtung 211 liegenden Seite der Wellenberge 207 anlagern. Die anwachsenen Getter- oder Titananlagerungen bewirken eine fortgeführte Abschirmung der in Einfallsrichtung α nachfolgenden
Bereiche oder Wellentäler 206. Aufgrund der Rotation des Mikro-Bauteils 209 scheidet sich das auftreffende Material in Umfangsrichtung um den Volumenkörper 200 herum gleichmäßig ab, wodurch die besagten Getter- oder Titan-Lamellen 220 entstehen. Diese sind aufgrund des schrägen Einfallswinkels α um den Winkel ß gegenüber der Substratebene 204 geneigt. Aufgrund des Abstandes zwischen zwei Wellenbergen 207 sind die Lamellen 220 ebenfalls voneinander beabstandet ausgebildet und zwischen benachbarten Lamellen 220 sind die Zwischenräume 240 ausgebildet.
Die Volumenkörper 200 bilden die erste Feinstruktur 2 im Sinne der Erfindung, die Lamellen 220 die zweite Feinstruktur 3 im Sinne der Erfindung aus.
Wie insbesondere aus den Figuren 2, 3 und 4 hervorgeht, sind bei einem MikroBauteil 209 mehrere entsprechend der Figur 1 ausgebildete Volumenkörper 200 nebeneinander auf einem Substrat 202 angeordnet. Zwischen benachbarten Volumenkörpern 200 sind wiederum Freiräume 201 ausgebildet. In der in der Figur 2 dargestellten Ausführungsform sind die Volumenkörper 200 an einem Substrat 202 ausgebildet, das einen Deckel 208 für das dargestellte Mikro-Bauteil 209 ausbildet. In den den Deckel 208 bildenden Substrat 202 ist eine Vertiefung beispielsweise mittels geeigneten Ätzverfahrens eingebracht, die zusammen mit einem Bodensubstrat 280 eine Kavität 250 ausbildet. Am Boden 251 der Kavität 250 sind die zuvor beschriebenen Volumenkörper 200 angeordnet und in der zuvor beschriebenen Weise mit Funktionsmaterial oder Getter 220, 230 beschichtet.
Der Deckel 208 ist unter Zwischenlage eines Versiegelungsrahmens 270 auf dem Bodensubstrat 280 angeordnet, so dass die Kavität 250 hermetisch gegenüber der Umgebung abgedichtet ist. Auf der zum Deckel 208 weisenden Seite des Bodensubstrats 280 ist bzw. sind eine oder mehrere Mikrostrukturen 290 angeordnet. Bei diesen kann es sich beispielsweise um Vibrationselemente von Inertial- und Drehratensensoren handeln. Die mit den Mikrostrukturen 290 erfassten Messwerte werden in bekannter Weise in Messsignale umgewandelt, die über eine beispielhaft dargestellte elektrische Anschlusskontaktierung 290 abgegriffen werden können.
In der Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform eines mikroelektromechanischen Bauteils 209 mit der erfindungsgemäßen Mikrooberfläche dargestellt. Das Bauteil 209 weist einen Deckel 208 mit entsprechender Kavität 250 auf. Dieser ist über einen Versiegelungsrahmen 270 mit einem darunterliegenden Bodensubstrat 280 verbunden. Dieses an seiner dem Deckel 208 zugewandten Oberfläche mit einem Dielektrikum 295 beschichtet. Auf das Dielektrikum 295 wurde wiederum eine elektrische Leiterbahn 293 beispielsweise in Form einer Elektrodenmetallisierung, die nachfolgend bereichsweise weggeätzt wurde, aufgebracht. Über der elektrischen Leiterbahn 293 bzw. dem
Dielektrikum 295 ist ein weiteres Dielektrikum 294 angeordnet, welches auf seiner dem Bodensubstrat 280 gegenüberliegenden Seite mit dem Versiegelungsrahmen 270 verbunden ist. Die Verbindung zwischen Deckel 208, Versiegelungsrahmen 270, Dielektrika 294, 295 sowie der elektrischen Leiterbahn 293 mit dem Bodensubstrat 280 ist wiederum hermetisch dicht. Zwischen dem Bodensubstrat 280 und dem Deckel 208 ist die Kavität 250 ausgebildet, in der eine Mikrostruktur 292, beispielsweise ein Drehoszillator mit entsprechenden Bewegungserfassungselementen an dem Bodensubstrat 280 angeordnet ist. Des Weiteren ist in der Kavität 250 ein Getter in Form einer erfindungsgemäßen Mikro-Oberflächenstruktur 1 angeordnet, die, wie bereits im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschrieben wurde, aus der ersten Feinstruktur 2 in Form der Volumenkörper 200 sowie dem auf die erste Feinstruktur 2 aufgebrachten Gettermaterial 220, 230 in Form der zweiten Feinstruktur 3 besteht. Die Mikro-Oberflächenstruktur 201 ist an dem Bodensubstrat 280 bzw. der auf dieser aufgebrachten dielektrischen Schicht 295 angeordnet, die in diesem Fall als Mikro- Bauteil das Substrat 202 bilden.
Zwei weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren 4 und 5 in Form eines Mikro-IR-Detektors dargestellt. Der in der Figur 4 dargestellte Detektor weist ein Bodensubstrat 280 auf, in dessen Oberseite eine integrierte Schaltung 296 eingebracht ist. Das Bodensubstrat 280 trägt des Weiteren einen Versiegelungsrahmen 270, der seinerseits mit einem Deckel 208 verbunden ist. Bodensubstrat 280, Versiegelungsrahmen 270 und Deckel 208 bilden eine Kavität 250 aus, in der am Bodensubstrat 280 eine Mikrostruktur 297 zum Nachweis oder zur Interaktion mit optischer oder IR-Strahlung angeordnet ist. Die Kavität 250 ist ausgebildet, indem in dem den Deckel 208 bildenden Substrate 202 eine Vertiefung eingeätzt ist. In den Boden 251 der Vertiefung des Deckels 208 ist eine wie zuvor mit Bezug auf die Figuren 1 - 3 beschriebene erste Feinstruktur 2 aus Volumenkörpern 200 sowie Zwischenräumen 201 eingebracht, die mit einem Getter in Form einer zweiten Feinstruktur 3 als Dünnschicht 230 sowie in Form von Lamellen 220 beschichtet ist. Seitlich daneben ist der Deckel 208 zu einem optischen Fenster 300 ausgebildet. An der zum Bodensubstrat 280 weisenden Seite des Deckels 208 ist eine mikrostrukturierte Antireflexschicht 301 vorgesehen, die aus voneinander um den Abstand 302 beabstandeten Volumenkörpern 303 besteht. Die mikrostrukturierte Antireflexschicht 301 wird in gleicher Weise wie die erste Feinstruktur 2 hergestellt.
Auf der der mikrostrukturierten Antireflexschicht 301 gegenüberliegenden Seite des Deckels 208 ist eine Dünnschicht 330 zur Entspiegelung des optischen Fensters in einer äußeren Vertiefung 320 des Deckels 208 angeordnet.
Das in der Figur 5 dargestellte Mikro-Bauteil 209 unterscheidet sich von dem der Figur 4 dadurch, dass anstelle der Dünnschicht 330 in der Vertiefung 320 eine äußere mikrostrukturierte Antireflexschicht 310 vorgesehen ist, die im Wesentlichen der in der Kavität angeordneten mikrostrukturierten Antireflexschicht 301 entspricht.
Ein beispielhafter Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist anhand eines Flussdiagramms in der Figur 6 dargestellt. Das Substrat 202 in den entsprechenden Fertigungsstadien ist in der Figur 7 gezeigt. Im Verfahrensschritt 100 werden im Substrat 202 (Figur 7c) Vertiefungen hergestellt, die die spätere Kavität 250 des Mikrobauteils bilden. Die Vertiefungen werden mittels üblichen Ätzverfahrens in das Substrat eingebracht.
Im Verfahrensschritt 110 werden die Strukturfelder erzeugt. Unter den Strukturfeldern in diesem Sinne ist sowohl die erste Feinstruktur 2 mit Volumenkörpern 200 und
Zwischenräumen 201 als auch die mikrostrukturierten Antireflexschichten 301 , 310 zu verstehen. Die Strukturfelder werden vorzugsweise mittels eines anisotrophen Trockenätzverfahrens mit reaktiven Gasen, beispielsweise CF4, SF6, erzeugt (Figur 7c, d).
Nachfolgend wird im Verfahrensschritt 120 eine Getter-Metallisierung abgeschieden, die sich insbesondere auf der erster Feinstruktur (200, 201 ) in Form Dünnschichten 230 sowie Lamellen 220 abscheidet (Figur 7g). Im Verfahrensschritt 130 wird ein Metallrahmen abgeschieden, der den späteren Versiegelungsrahmen 270 bildet. Die Abscheidung des Metallrahmens erfolgt vorzugsweise durch galvanisches Aufbringen beispielsweise von Gold oder Gold/Zinn (Figur 7h).
Im nachfolgenden Verfahrensschritt 140 erfolgt die Getter-Strukturierung. Hierbei werden die lateralen Begrenzungen des aufgebrachten Gettermaterials definiert, beispielsweise durch eine Lift-off-Strukturierung (siehe Figuren 7g, h). Gleichfalls kann eine Standardlithographie mit Fotolack zur Abdeckung der zu bewahrenden Getter- Struktur und eine nachfolgende Strukturierung des exponierten Gettermaterials erfolgen. Diese Strukturierung kann je nach Gettermaterial nasschemisch oder trocken, das heißt mit reaktiven Gasen (bei Titan und Zirkon beispielsweise HF, HF-haltige Ätzen) durchgeführt werden.
Im Verfahrensschritt 150 erfolgt schließlich die Bauteilversiegelung durch Bonden von Bodensubstrat 280, Versiegelungsrahmen 270 und Deckel 208 miteinander. Die Bauteilversiegelung erfolgt unter kontrollierter Atmosphäre (Vakuum).
Bezugszeichenliste.
α Auftreffwinkel 30 290 Mikrostruktur ß Ausrichtungswinkel der 291 elektrische
5 Getter- oder Titanlamelle Anschlusskontaktierung
1 Mikro-Oberflächenstruktur 292 Mikrostruktur
2 erste Feinstruktur 293 elektrische Leiterbahn
3 zweite Feinstruktur 35 294 Dielektrikum
100-150 Prozessfluss 295 Dielektrikum
10 200 Volumenkörper 296 integrierte Schaltung
201 Freiraum 297 Mikrostruktur zum Nachweis
202 Substrat oder Interaktion mit optischer
40 oder IR Strahlung
203 Bereich mit Getterstrukturen
204 300 optisches Fenster in der
Substratebene
Kavität
15 205 Oberfläche des
301 mikrostrukturierte Antireflex
Volumenkörpers 200
Schicht
206 Wellental
45 302 Abstand und Tiefe der
207 Wellenberg
Antiref I exstrukturen
208 Deckel
303 Volumenkörper
20 209 Mikro-Bauteil
310 optisches Fenster außen
210 Wellenstruktur
320 Vertiefung des optischen
220 Getter- oder Titanlamelle
50 Fensters außen
230 Getter- oder
330 Dünnschicht zur
Titandünnschicht
Entspiegelung des optischen
25 240 Zwischenraum Fensters
250 Kavität
251 Boden
270 Versiegelungsrahmen
280 Bodensubstrat

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zum Ausbilden einer Mikro-Oberflächenstruktur an einem Substrat, insbesondere zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Bauelements, bei dem an oder in dem Substrat eine erste Feinstruktur mit wenigstens einer ersten Erhebung und/oder Vertiefung, insbesondere mit zahlreichen ersten Erhebungen und/oder Vertiefungen, ausgebildet wird, wobei die erste(n) Erhebung(en) und/oder Vertiefung (en) der ersten Feinstruktur eine mit dem Funktionsmaterial zu beschichtende Oberfläche aufweist bzw. aufweisen, die sich im Wesentlichen senkrecht oder schräg zur Substratebene erstreckt, die mit dem Funktionsmaterial zu beschichtende Oberfläche der ersten Feinstruktur wenigstens bereichsweise zweite wellen- oder buckeiförmige Erhebungen und/oder
Vertiefungen aufweist, welche zweiten buckel- oder wellenförmigen Erhebungen und/oder Vertiefungen der zu beschichtenden Oberfläche als Nukleationspunkte dienen, an denen sich das Funktionsmaterial bevorzugt abscheidet und wobei das Funktionsmaterial in Form einer zweiten Feinstruktur mit sich von der zu beschichtenden Oberfläche erhebenden Volumenkörpern, vorzugsweise in Form von Lamellen und/oder Stäben, aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste(n) Erhebung(en) und/oder Vertiefung(en) der ersten Feinstruktur in oder auf dem Grund einer Kavität oder Vertiefung des Substrats ausgebildet wird/werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des Funktionsmaterials eine dielektrische Schicht oder eine Elektrodenmetallisierung auf das Substrat aufgebracht wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsmaterial ein Gettermaterial, vorzugsweise für Luftgase, oder ein poröses dielektrisches Material als Feuchtegetter ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen des Funktionsmaterials eine Deckschicht, insbesondere eine Golddeckschicht aufgebracht, insbesondere aufgedampft wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Funktionsmaterial eine Lackschicht, insbesondere eine Photolackschicht, aufgebracht wird und exponierte Bereiche des Funktionsmaterials nachfolgend, insbesondere naßchemisch sowie trocken mit reaktiven Gasen, strukturiert werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des aufgebrachten Funktionsmaterials zum Ausbilden einer Antireflexionsstruktur für Infrarot-Strahlung vorzugsweise durch Ätzen entfernt wird oder das aufgebrachte Funktionsmaterial zum Ausbilden einer Antireflexbeschichtung oder -Struktur für Infrarot-Strahlung durch einen Struktuherungsprozess auf Teilbereiche innerhalb der Kavität beschränkt wird.
8. Verfahren zum Anordnung eines Getters als Funktionsmaterial auf einem Substrat, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Gettermaterial auf eine Oberfläche an dem Substrat aufgebracht wird, die wenigstens bereichsweise wellen- oder buckeiförmige Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweist, die als Nukleationspunkte dienen, an denen sich das Funktionsmaterial bevorzugt abscheidet.
9. Verfahren zum Herstellen eines Mikroelektromechanischen Bauelements, wobei eine Mikro-Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet und/oder ein Getter nach Anspruch 8 angeordnet wird.
10. Mikro-Oberflächenstruktur, insbesondere hergestellt mit einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 9, wobei an oder in einem Substrat eine erste Feinstruktur mit wenigstens einer ersten Erhebung und/oder Vertiefung, insbesondere mit zahlreichen ersten Erhebungen und/oder Vertiefungen, mit einer zur Substratebene im Wesentlichen senkrechten oder schrägen Oberfläche vorgesehen ist, welche zur Substratebene im Wesentlichen senkrechte oder schräge Oberfläche der ersten Erhebung(en) und/oder Vertiefung(en) wenigstens bereichsweise zweite, wellen- oder buckelförmige Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweist, wobei an der zur Substratebene im Wesentlichen senkrechten oder schrägen
Oberfläche der ersten Erhebung(en) und/oder Vertiefung(en) ein Funktionsmaterial angeordnet ist, wobei das Funktionsmaterial in Form einer zweiten Feinstruktur mit sich von der
Oberfläche der ersten Erhebung(en) und/oder Vertiefung(en) erhebenden
Volumenkörpern, insbesondere in Form von Lamellen oder Stäben, ausgebildet ist.
11. Mikro-Oberflächenstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte erste Erhebungen bzw. Vertiefungen voneinander einen Abstand zwischen 3 μm und 40 μm, vorzugsweise von 4 μm aufweisen und/oder die erste(n) Erhebung(en) bzw. Vertiefung(en) eine Höhe bzw. Tiefe von weniger als 50 μm, vorzugsweise zwischen 10 μm und 20 μm aufweist bzw. aufweisen.
12. Mikro-Oberflächenstruktur nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Funktionsmaterial und dem Substrat eine dielektrische Schicht, vorzugsweise aus SiO2, SiN, AIN oder AI2O3, angeordnet ist.
13. Mikro-Oberflächenstruktur nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Funktionsmaterial eine Golddeckschicht angeordnet ist.
14. Mikroelektromechanisches Bauelement mit einer Mikro-Oberflächenstruktur nach einem der Ansprüche 10 bis 13, mit dem Substrat als Boden-, Zwischen- oder Deckelelement.
15. Mikroelektromechanisches Bauelement nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen Fensterbereich mit einer Antireflexionsstruktur für Infrarot-Strahlung, wobei die Antireflexionsstruktur zahlreiche, insbesondere matrixartig angeordnete Erhebungen und/oder Senken mit vorzugsweise zur Substratebene im Wesentlichen senkrechten Oberflächen aufweist und in einer in dem Substrat ausgebildeten Kavität angeordnet ist.
16. Mikroelektromechanisches Bauelement nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch eine Antireflex-Beschichtung aus wenigstens einer Dünnschicht, vorzugsweise aus jeweils vier alternierenden Schichten Si-ZnS, wobei die Antireflex-Beschichtung an der zum Bauelementinneren und/oder an der zum Bauelementäußeren weisenden Seite des Substrats angeordnet ist.
17. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Antireflex-Beschichtung eine erste Feinstruktur mit wenigstens einer Erhebung und/oder Vertiefung, insbesondere mit zahlreichen Erhebungen und/oder Vertiefungen, mit einer zur Substratebene im Wesentlichen senkrechten oder schrägen Oberfläche aufweist, wobei benachbarte Erhebungen bzw. Vertiefungen voneinander vorzugsweise einen Mittenabstand zwischen 3 μm und 40 μm, bevorzugter von 4 μm aufweisen und/oder die Erhebung(en) bzw. Vertiefung(en) eine Höhe bzw. Tiefe vorzugsweise von weniger als 50 μm, bevorzugter zwischen 10 μm und 20 μm aufweist bzw. aufweisen.
PCT/EP2009/065293 2008-11-18 2009-11-17 Verfahren zum ausbilden einer mikro-oberflächenstruktur sowie zum herstellen eines mikroelektromechanischen bauelements, mikro-oberflächenstruktur sowie mikroelektromechanisches bauelement mit einer solchen struktur WO2010057878A2 (de)

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