Beschreibung

Titel

Mikromechanisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein solches Bauelement ist allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der deutschen Offen- legungsschrift DE 195 37 814 Al ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes Bauelement bekannt, bei dem die funktionellen Strukturen zwischen einem Substrat und einem Deckel angeordnet sind. Der Deckel wird nach der Freistellung der funktionalen Sensorstruktur auf den Sensorwafer ge- bondet. Die Verwendung eines Wafers als Deckel erhöht den Aufwand bei der Herstellung des mikromechanischen Bauelementes und führt zu einer großen Bauhöhe.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelementes gemäß den nebengeordneten Ansprüchen hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Dünnschichtverkappung bei vereinfachter Prozessierungsabfolge zur Herstellung des Bauelementes möglich ist und somit das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement besonders kostengünstig hergestellt werden kann. Insbesondere ist es durch ein Vorsehen einer im wesentlichen die Verkappung bildenden, auf dem Substrat aufgebrachten, permeablen Schicht, welche durch eine Ab- scheidungsschicht verschlossen ist, möglich, das Bauelement besonders kompakt zu gestalten und dennoch insbesondere die Verkappung des Bauelementes mit einer ausreichenden Stabilität zu versehen. Eine unter der permeablen Schicht angeordnete Opferschicht und/oder die mikromechanische Struktur ist vorteilhaft durch die permeable Schicht hindurch ätzbar, bevor die Abscheidungsschicht abgeschieden wird. Durch das erfindungsgemäße

Verschließen der permeablen Schicht durch eine Abscheidungsschicht findet das mikromechanische Bauelement Verwendung für eine Vielzahl von unterschiedlichen, mikromechanischen, verschlossenen bzw. verkappten, insbesondere hermetisch abgeschlossenen Bauelementen.

Gemäß der Erfindung ist vorzugsweise vorgesehen, dass die permeable Schicht resistent gegenüber einem ätzmedium zum ätzen einer Opferschicht und/oder der mikromechanischen Struktur ist, besonders bevorzugt ohne eine Vorbehandlung. Bevorzugt ist die permeable Schicht eine Dünnschichtkappe aus porösem Siliziumkarbid, SiC oder aus porösem Aluminiumoxid, AI ₂ O ₃ . Die Resistenz der permeablen Schicht gegenüber dem ätzmedium vereinfacht die Prozessführung erheblich. Dadurch, dass die permeable Schicht ohne Vorbehandlung resistent ist, entfällt die Notwendigkeit, die permeable Schicht gegen einen ätzangriff zu passivieren, beispielsweise durch Oxidation, was die Durchlässigkeit herabsetzen würde.

Die permeable Schicht, im Sinne der Erfindung, ist gasdurchlässig. Insbesondere weist die permeable Schicht Poren auf, wobei die Poren vorzugsweise Durchmesser zwischen 10 Na- nometer und 1000 Nanometer aufweisen. Die permeable Schicht ist bevorzugt durch einen elektrochemischen ätzprozess hergestellt, insbesondere erfolgt eine Porosifizierung der Schicht durch elektrochemisches ätzen mittels geeigneten Elektrolyten. Vorzugsweise ist die Opferschicht zwischen der permeablen Kappe und dem Substrat elektrisch leitend, wodurch der elektrochemische ätzprozess besonders unkompliziert durchführbar ist, da der Strom- fluss ohne weiteres über das Substrat erfolgen kann. Besonders bevorzugt ist die Opferschicht aus Siliziumgermanium (SiGe). Sofern keine elektrisch leitfähige Opferschicht zur Verfügung steht, ist eine beliebige andere elektrische Kontaktierung zwischen der permeablen Schicht und dem Substrat herstellbar. Der Fachmann erkennt, dass für das elektrochemische ätzen der permeablen Schicht, diese selbst ebenfalls vorzugsweise elektrisch leitfähig ist. Eine poröse Aluminiumoxidschicht als permeable Schicht ist vorzugsweise durch e- lektrochemisches ätzen in geeignetem Elektrolyten, wie beispielsweise Phosphorsäure, aus einer Aluminiumschicht hergestellt. Eine poröse Siliziumcarbidschicht als permeable Schicht ist vorzugsweise durch elektrochemisches ätzen in flusssäurehaltigem Elektrolyten aus p- dotiertem Siliziumcarbid hergestellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements ist zwischen der Abscheidungsschicht und dem Substrat eine vorgegebene Gasatmosphäre, insbesondere ein vorgegebener Innendruck vorgesehen. Hierdurch kann die im Inneren des mikromechanischen Bauelementes vorliegende Atmosphäre zur Optimierung der Funktion der mik-

romechanischen Struktur eingestellt und über die gesamte Lebensdauer des Bauelementes aufrecht erhalten werden. Die Abscheidungsschicht ist insbesondere durch Schichtdeposition hergestellt, wodurch die Poren auf einfache Weise dicht verschließbar sind. Die Abscheidungsschicht besteht vorzugsweise aus Siliziumkarbid, Siliziumdioxid (SiO ₂ ), Siliziumnitrid (Si ₃ N ₄ ), Siliziumgermanium oder polykristallines Silizium und ist, ebenfalls bevorzugt durch eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD, chemical vapour deposition), insbesondere plasmaunterstützt (PECVD, plasma enhanced chemical vapour deposition). Dadurch ist insbesondere eine Abscheidung bei vorteilhaft niedrigen Temperaturen von etwa 300 ⁰ C bis 400 ⁰ C möglich, bei welcher das mikromechanische Bauelement nicht beschädigt wird.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einem Substrat, mit einer mikromechanischen Struktur, wobei eine Verkappung folgende Schritte umfasst:

Erzeugen einer permeablen Schicht,

ätzen einer Opferschicht und

Verschließen der permeablen Schicht durch Abscheiden einer Abscheidungsschicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine vorteilhafterweise einfache Prozessabfolge zur Herstellung des mikromechanischen Bauelements und die Herstellung eines besonders flachen Bauelements. Ein zweiter Substratwafer zur Verkappung wird vorteilhaft eingespart. Der Fachmann erkennt, dass die mikromechanische Struktur des Substrats in beliebiger, allgemein bekannter Art und Weise erfolgen kann. über der mikromechanischen Struktur wird eine Opferschicht abgeschieden, vorzugsweise elektrisch leitend und besonders bevorzugt aus Siliziumgermanium. Durch eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der permeablen Schicht und dem Substrat wird ein elektrochemischer ätzprozess ermöglicht, bei welchem ein Stromfluss über das Substrat erfolgt. Das Substrat ist daher vorzugsweise aus p-dotiertem Silizium.

Vorzugsweise wird die permeable Schicht hergestellt, indem zunächst eine Kappenschicht aufgetragen wird und dieselbe nachfolgend porosifiziert wird. Beispielsweise besteht die Kappenschicht aus p-dotiertem Siliziumkarbid oder Aluminium. Das Porosifizieren der Kappenschicht erfolgt dann vorzugsweise durch elektrochemisches ätzen. Bei einer Kappenschicht aus Aluminium wird vorzugsweise in einem phosphorsäurehaltigen Elektrolyten elektrochemisch geätzt, so dass eine permeable Schicht aus porösem Aluminiumoxid entsteht. Bei einer Kappenschicht aus p-dotiertem Siliziumkarbid wird vorzugsweise in einem flusssäurehaltigen Elektrolyten elektrochemisch geätzt. Es entsteht so eine permeable Schicht aus porösem Siliziumkarbid. Die so hergestellte permeable Schicht ist vorteilhafterweise re-

sistent gegen ätzmedien, welche zum ätzen der Opferschicht verwendet werden, so dass ein ätzen der Opferschicht durch die permeable Schicht hindurch erfolgen kann, ohne dass die permeable Schicht dadurch beeinträchtigt wird. Vorzugsweise erfolgt das ätzen der Opferschicht durch Gasphasenätzen, besonders bevorzugt mit Chlortrifluorid (CIF ₃ ). Insbesondere eine Opferschicht aus Siliziumgermanium lässt sich durch einen Gasphasenätzprozess vorteilhaft mit hoher Selektivität entfernen. Ebenfalls bevorzugt ist, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei dem ätzen der Opferschicht gleichzeitig die mikromechanischen Struktur freizustellen. Bei Bedarf, insbesondere falls eine Oxid-Opferschicht in der mikromechanischen Struktur vorhanden ist, kann auch ein Gasphasenätzschritt mit Fluorwasserstoff (HF) erfolgen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Figuren 1 und 2 schematische Schnittdarstellungen von verschiedenen Vorläuferstrukturen des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements und Figur 3 das erfindungsgemäße Bauelement, zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.

Ausführungsform(en) der Erfindung

In den Figuren 1 und 3 sind schematische Schnittdarstellungen von verschiedenen Vorläuferstrukturen eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 10, sowie in der Figur 3 ein erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 10 zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens dargestellt.

In der Figur 1 ist schematisch eine Schnittdarstellung der ersten Vorläuferstruktur dargestellt. Auf oder in einem Substrat 1 ist eine mikromechanische Struktur 2 realisiert, wobei es sich beispielsweise um eine mikromechanische Membranstruktur handeln kann. Zur Realisierung der mikromechanischen Struktur 2 werden in bekannter Weise gegebenenfalls Schichten auf das Substrat 1 aufgebracht und strukturiert. über der mikromechanischen Struktur 2 ist eine Opferschicht 3 derart vorgesehen, dass sie die mikromechanische Struktur 2 zumindest an allen denjenigen Stellen vollständig umgibt, an denen das Bauelement 10 später eine Ver- kappung aufweisen soll. Die Opferschicht 3 überlappt die mikromechanische Struktur 2 und

ist elektrisch leitfähig mit dem p-dotierten Siliziumsubstrat 1 verbunden. Als Opferschicht 3 wird vorzugsweise Siliziumgermanium eingesetzt. Auf der Opferschicht 3 wird eine Kappenschicht 8 abgeschieden, welche später Teil der Verkappung 4 wird (siehe Figur 3). Die Kappenschicht 8 besteht vorzugsweise aus Aluminium oder p-dotiertem Siliziumkarbid. Die vorzugsweise zwischen 100 Nanometer und 10 Mikrometer starke Kappenschicht 8 der dargestellten Vorläuferstruktur ist bisher weder permeabel noch porös. Es besteht eine elektrisch leitfähige Verbindung von dem Substrat 1 über die Opferschicht 3 zu der Kappenschicht 8. Durch elektrochemisches ätzen wird nunmehr die Kappenschicht 8 porosifiziert, so dass eine permeable Schicht 5 (siehe Figur 2) entsteht.

In Figur 2 ist eine zweite Vorläuferstruktur des erfindungsgemäßen Bauelements 10 in Schnittdarstellung abgebildet. Die permeable Schicht 5 besteht vorzugsweise, je nach dem Ausgangsmaterial der Kappenschicht 8 (Figur 1), aus porösem Siliziumkarbid oder aus Aluminiumoxid. Eine permeable Schicht 5 aus Siliziumkarbid entsteht durch elektrochemisches ätzen der vorhergehenden Kappenschicht 8 aus Siliziumkarbid in einem flusssäurehaltigen Elektrolyten. Eine permeable Schicht 5 aus Aluminiumoxid entsteht durch elektrochemisches ätzen der vorhergehenden Kappenschicht 8 aus Aluminium in einem phosphorsäurehaltigen Elektrolyten. Der Fachmann versteht, dass für das elektrochemische ätzen ein Stromfluss zwischen der Kappenschicht 8 bzw. permeablen Schicht 5 und dem Substrat 1 erfolgt. Sollte dieser aus Gründen des Aufbaus des Bauelements 10 nicht über die Opferschicht 3 herstellbar sein, so wäre ein anderweitiger Substratkontakt zu realisieren.

Nach dem elektrochemischen ätzen gestattet nunmehr die permeable Schicht 5 den Zugang von gasförmigen oder flüssigen Medien zu der Opferschicht 3. Die permeable Schicht 5 ist dabei inert gegenüber dem ätzmedium zum Entfernen der Opferschicht 3, vorzugsweise Chlortrifluorid. Die Opferschicht 3, sowie gegebenenfalls die mikromechanische Struktur 2 werden in einem Gasphasenätzschritt freigestellt. Hierdurch wird die mikromechanische Struktur 2 freigelegt und damit prinzipiell funktionsfähig, wie in Figur 3 dargestellt. Gegebenenfalls kann die zur Freistellung der mikromechanischen Struktur ein Gasphasenätzschritt mit Fluorwasserstoff erfolgen.

In Figur 3 ist das erfindungsgemäße Bauelement 10 dargestellt. Nach dem Entfernen der Opferschicht 3 (Figur 2) und gegebenenfalls dem Freistellen der mikromechanischen Struktur 2 wird abschließend die permeable Schicht 5 mit einer Abscheidungsschicht 7 verschlossen. Die permeable Schicht 5 und die Abscheidungsschicht 7 bilden sodann gemeinsam eine Verkappung 4 des mikromechanischen Bauelements 10. Durch die Porengröße der permeablen Schicht 5 von etwa 10 Nanometer bis 500 Nanometer lässt sich diese vorteilhaft

mittels Schichtdeposition wieder verschließen. Dies erfolgt vorzugsweise durch Abscheidung von Siliziumkarbid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumgermanium oder polykristallinem Silizium, besonders bevorzugt im PECVD Prozess bei vorteilhaft niedrigen Temperaturen von etwa 300 ⁰ C bis 400 ⁰ C, welche das mikromechanische Bauelement nicht beschädigen. Bei der Deposition der Abscheidungsschicht 7 lässt sich vorteilhaft ein definierter Prozessdruck in dem Bauteil 10 einstellen.