Titel

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

Stand der Technik

Herkömmliche kapazitive ME MS-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 DRI E-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 W020078541 beschreibt einen nanoelectric drive (NED)-Aktor, dessen Herstellung jedoch sehr herausfordernd ist. Bedingt durch die erreichbaren Aspektverhältnisse beim DRI E-Ätzen lassen sich solche NED-Aktoren mit Elektrodenabständen von ~2,5pm herkömmlich nur bis zu einer Höhe von weniger als ca. 75pm 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-Elektro- denspalten mit einem über den bisherigen Stand der Technik hinausgehenden Aspektverhältnis von >30:1 (Ätztiefe : Ätzgraben breite). 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 NED-Akto- ren, 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 Figur 1 zeigt schematisch eine mikromechanische Vorrichtung mit anisotrop geätzten Strukturen im Stand der Technik.

Die Figuren 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 Figuren 3a bis c zeigen das erfindungsgemäße Verfahren in einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Figur 4 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung mit einer mikromechanischen Struktur mit hohem Aspektverhältnis.

Figur 5 zeigt eine alternative Ausführung des Verfahrensschrittes von Figur 2c.

Beschreibung der Figuren und weiterer Ausführungsbeispiele

Figur 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 pm. Mittels eines anisotropen DRI E-Ätzprozesses (DRIE - deep reactive ion etch) sind in die mikromechanische Funktionsschicht schmale Gräben von ~2,5 pm 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 pm und Elektrodenspalte 35 mit einer Breite von 2,5 pm auf.

Die Figuren 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.

Figur 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 pm und einer mikromechanischen Funktionsschicht 30 mit einer Dicke von 20-800 pm. 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 (Figur 2b). Die Funktionsschicht hat eine Dicke von > 75 pm, und die Ausnehmung hat eine Breite von < 8 pm. 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 (Figur 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 (Figur 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.

Figur 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 (Figur 2f). Auch können die zuvor aufgebrachten Schichten der Zwischenschichtfolge strukturiert werden, um zum Beispiel Opferschichtbereiche einzugrenzen, eine elektrische Kontaktierung zu ermöglichen, etc.

Figur 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 (Figur 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 Figur 2i). Dies kann zum Beispiel ein HF-Gasphasenätzen sein. Durch die vorangegangene Entfernung der Zwischenschicht 44 ist ein Hohlraum entstanden, der einen sofortigen HF-Gas- phasenätzangriff an der gesamten Hohlraumoberfläche auch bei großen Unterätzweiten ermöglicht, was die Freistellung erheblich vereinfacht. Mit dem Verfahren lassen sich also ca. >75...800 pm hohe Elektrodenpaare mit ca. 100 nm- 10 pm Elektrodenspalt darstellen, während sich mit dem Verfahren nach Stand der Technik nur <75 pm hohe und >2,5 pm breite Elektrodenspalte herstellen lassen.

Alternative Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sind durchführbar.

Nach Ätzen der Ausnehmung in der Funktionsschicht (Figur 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. AI2O3/SiO2 mittels ALD (atomic layer deposition) abgeschieden werden, um die Oberfläche zu schützen. (Figur 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. Figur 5 zeigt dazu eine alternative Ausführung des Verfahrensschrittes von Figur 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 Figur 2d gezeigt, kann es zum Einschluss von Lunkern kommen.

Die Figuren 3a bis c zeigen das erfindungsgemäße Verfahren in einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei Lunker entfernt oder vermieden werden.

Figur 3a zeigt dabei analog zu Figur 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 (Figur 3b).

Nachfolgend wird eine weitere Lage der Verfüllschicht 50 abgeschieden. Die Lunker 55 werden dabei verfüllt und verschwinden (Figur 3c).

Zusammengefasst zeigt Figur 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 ME MS- 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