Beschreibung Mikromechanisches Bauelement mit verschlossenen Membranö.f- nungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements, vorzugsweise eines mikromecha- nischen Sensors, sowie ein mikromechanisches Bauelement um- fassend einen Wafer, einen oberhalb des Wafers liegenden Hohlraum mit einer darüberliegenden Membran, mindestens eine als Auflagefläche für die Membran dienende Opferschicht und mindestens eine im Bereich des Hohlraums liegende Membranöff- nung, welche mit einem Verschlußdeckel verschlossen ist, so- wie dessen Verwendung in Sensoren, wie beispielsweise Druck- sensoren in Mikrofonen oder Beschleunigungssensoren.

Ein mikromechanischer Sensor mit Öffnungen in der Membran- schicht für Druckmessungen ist aus der EP-A 0 783 108 be- kannt. Dieser Drucksensor weist einen Hohlraum auf, der ober- halb des Hohlraums im wesentlichen durch eine aus einer elek- trisch leitfähigen Schicht gebildeten Membran begrenzt ist.

Die Membranschicht, welche beispielsweise aus dotiertem poly- kristallinen Silizium oder Metall bestehen kann, bildet ge- meinsam mit einer auf der Unterseite des Hohlraums angeordne- ten Gegenelektrode eine elektrische Kapazität, welche zur Messung der zeitlichen Volumenänderung des Hohlraums herange- zogen werden kann. Die Gegenelektrode kann beispielsweise durch einen dotierten Bereich in dem zugrundeliegenden Wafer gebildet sein. Es ist auch moglich, daß in das Membranmateri- al piezoresistive Elemente eingebaut sind, die Bewegungen der Membranfläche registrieren.

Der bekannte mikromechanische Sensor besteht im wesentlichen aus Materialien, die üblicherweise bei der Halbleiterherstel- lung eingesetzt werden. Hierdurch ist eine Anordnung des Sen- sors gemeinsam mit einer integrierten Ansteuer- bzw. Auswer- teelektronik auf dem Chip des Sensors möglich.

Gemäß der EP-A 0 783 108 wird zur Herstellung des mikromecha-

nischen Sensors zunächst eine Opferschicht auf ein geeignetes Wafermaterial aufgebracht. Daran schließt sich eine Beschich- tung mit einem Membranmaterial unter Verwendung einer Maske an. Aufgrund der Maske entstehen in der Membranfläche Öffnun- gen, durch die in einem darauffolgenden Schritt durch selek- tiv gegenüber Substrat- und Membranmaterial ein Hohlraum ge- ätzt wird. Gegenüber einer Atzung des Hohlraums über laterale Kanäle ist die Vorgehensweise über ein Atzverfahren von der Oberseite aufgrund einer verringerten Atzzeit vorteilhaft.

Nach Herstellung des Hohlraums müssen die Öffnungen in der Membran wieder verschlossen werden. Hierzu wird eine Schicht aus Borphosphorsilikatglas (BPSG) aufgebracht, deren Dicke so gewählt ist, daß über den Öffnungen in der Membran nach dem Abscheiden höchstens ein schmaler Spalt verbleibt. Im An- schluß daran wird eine Temperaturbehandlung bei etwa 1000°C durchgeführt, bei der die BPSG-Schicht zerfließt und die Lö- cher verschlossen werden. Auf der Oberseite und Unterseite der Membran bleibt eine Schicht aus dem Verschlußmaterial in Form einer Haut bestehen. Hierdurch entsteht ein Membranver- bund, welcher aus zwei unterschiedlichen Materialien besteht.

Aufgrund des unterschiedlichen Membranmaterials ergeben sich als Folge der unterschiedlichen Materialeigenschaften mecha- nische Belastungen sowie nicht reproduzierbare Eigenschaften des mikromechanischen Sensors. Ein weiterer Nachteil ist die Empfindlichkeit des zum Verschluß der Membranöffnungen einge- setzten Oxidmaterials gegenüber äußeren Umwelteinflussen, wie beispielsweise Luftfeuchtigkeit.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile von bekannten mikromechanischen Bauelementen, vorzugsweise mikro- mechanischen Sensoren, mit verschlossenen Öffnungen in der Membranfläche zu überwinden. Eine weitere Aufgabe der Erfin- dung ist die Bereitstellung eines mikromechanischen Bauele- ments, vorzugsweise eines mikromechanischen Sensors, mit ei- ner verbesserten Beständigkeit gegenüber außeren Umweltein- flüssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements nach Anspruch 1.

Bei der Entfernung von Material auf der Oberseite der ersten Membranschicht wird vorzugsweise das bei der Herstellung der Verschlußdeckel benötigte Material entfernt.

Die Freilegung der Öffnungen erfolgt bevorzugt durch Ausmas- kierung von Bereichen während der Membranherstellung. Dabei ist die Form der Öffnungen beliebig und richtet sich nach der Anwendung des mikromechanischen Bauelements. Die Bereiche können beispielsweise rund, eckig oder streifenförmig sein.

Es ist auch möglich, daß die Bereiche die Form von ringförmig geschlossenen Streifen haben.

Die Entfernung des Materials der Opferschicht wird vorzugs- weise durch ein an sich bekanntes Atzverfahren, welches se- lektiv gegenüber der Membran und dem Wafer ist, durchgeführt.

Das Aufbringen der zweiten Membranschicht auf die erste Mem- branschicht wird zum Schutz der verschlossenen ersten Mem- branschicht gegen außere Einflüsse durchgeführt. Insbesondere werden durch die zweite Membranschicht die in der ersten Mem- branschicht angeordneten Verschlußdeckel gegen äußere Ein- flüsse geschützt.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Un- teransprüchen beschrieben.

Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch ein mi- kromechanisches Bauelement, vorzugsweise einen mikromechani- schen Sensor, nach Anspruch 4.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Verschlußdeckel nach einem Verfahren verschlossen, wel- ches die Schritte a) Aufbringen eines Oxidmaterials auf der

ersten Membranschicht und b) Temperaturerhöhung, so daß das aufgebrachte Oxidmaterial zerfließt und die Offnungen verschließt, umfaßt. Je nach eingesetztem Material zum Ver- schluß der Öffnungen kann es während der Temperaturbehandlung durch Oberflächeneffekte zu einer Benetzung der mit dem auf- gebrachten Material in Kontakt stehenden Oberflächen kommen.

Diese Benetzung führt zur Bildung einer Haut aus dem Oxidma- terial. Erfindungsgemäß befindet sich auf der Oberseite der ersten Membranschicht keine derartige Oxidhaut.

Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelemente für Sensoren, insbesondere Drucksensoren, Mikrofone und Be- schleunigungssensoren.

Vorzugsweise erfolgt die Herstellung von verschlossenen Mem- branen durch Aufbringen einer Abdeckschicht aus einem dotier- ten Glas gemäß EP-A 783 108 oder durch Aufdampfen oder Auf- sputtern eines geeigneten Materials. Ein Verfahren zum Auf- dampfen oder Aufsputtern einer Schicht zur Herstellung einer verschlossenen Membran ist in der DE-A 43 32 843 beschrieben.

Das mikromechanische Bauelement gemäß der vorliegenden Erfin- dung kann auch eine in die Membran einstrukturierte bewegli- che Anordnung aufweisen, welche zur Aufnahme von Signalen bei Beschleunigungen dient. Entsprechende Strukturen sind aus dem Stand der Technik bekannt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Membranschicht sehr viel dünner ausgebildet, als die erste Membranschicht. Die Dicke der zweiten Membran- schicht liegt dann insbesondere in einem Bereich von etwa 3 nm bis etwa 1 um.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren und der Auf- bau eines mikromechanischen Bauelements gemäß der Erfindung

anhand eines in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausfüh- rungsbeispiels näher erläutert.

Figur 1 zeigt einen halbfertigen mikromechanisches Bauelement fur einen Sensor mit unverschlossenen Öffnungen 4 in der ersten Membranschicht 5.

Figur 2 zeigt ein mikromechanisches Bauelement gemäß der Er- findung für einen Sensor mit einer verschlossenen Membranstruktur.

Der in Figur l gezeigte halbfertige mikromechanische Sensor kann nach dem Verfahren gemäß EP-A 0 783 108 hergestellt wer- den, oder auch nach einem anderen im Stand der Technik übli- chen Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren mit in der Membranfläche angeordneten Öffnungen 4. Zunächst wird auf einen Wafer 1 eine Opferschicht 2, vorzugsweise aus Siliziumoxid, aufgebracht. Anschließend erfolgt eine Be- schichtung der Opferschicht mit polykristallinem Silizium, wobei im Bereich der Offnungen 4 eine Atzmaske aufgebracht ist. Es entstehen sogenannte Freiätzlöcher in der Membran.

Die Dicke der ersten Membranschicht 5 beträgt lum. Die erste Membranschicht kann alternativ auch aus einkristallinem Sili- zium bestehen. Mit Hilfe eines isotropen Atzprozesses wird nun die Opferschicht 2 bis zum Wafer 1 geätzt, so daß ein Hohlraum 3 unterhalb der ersten Membranschicht entsteht.

Des Weiteren wird nun nach einem üblichen Verfahren eine BPSG-Schicht auf die erste Membranfläche aufgebracht. Es kann neben BPSG auch jedes andere geeignete Material eingesetzt werden, wobei jedoch ein Oxidmaterial, wie insbesondere do- tiertes Glas, Siliziumdioxid oder mit Bor und/oder mit Phos- phor dotiertes Glas, bevorzugt eingesetzt wird. Es folgt ein thermischer Verfließprozeß bei etwa 800 bis 1100 °C, welcher zur Bildung einer Haut auf der ersten Membranschicht 5 führt.

Nach dem Verfließprozeß sind die Öffnungen 4 mit Verschluß- deckeln 7 aus BPSG verschlossen. Es ist jedoch auch möglich, daß die Öffnungen bereits ohne einen Verfließprozeß bereits

hinreichend verschlossen sind, beispielsweise wenn die Off- nungen klein sind oder die Schicht von ausreichender Dicke ist. Die Größe der Öffnungen 4 wird so gewählt, daß ein Ver- schluß der Öffnungen durch das BPSG-Material erfolgt. Wird ein Verfließprozeß durchgeführt, so richtet sich die maximale Größe der Öffnungen im wesentlichen nach der Oberflächenspan- nung des Beschichtungsmaterial bei der verwendeten Verfließ- temperatur und der Dicke der ersten Membranfläche. Aufgrund von Oberflacheneffekten bildet sich oberhalb der ersten Mem- branfläche eine Haut aus Verschlußmaterial mit einer Dicke, welche bevorzugt im Bereich von etwa 0, 1 um bis etwa 1 um liegt. Wie in Figur 2 gezeigt, wird nun ein Rückätzprozeß durchgeführt, bei dem die auf der ersten Membranschicht be- findliche Haut aus Verschlußmaterial restlos entfernt wird.

Es entsteht eine ebenflächige erste Membranschicht 5. Ver- schlußmaterial bleibt lediglich in den Öffnungen 4 zurück.

Der Rückätzprozeß kann naßchemisch oder trocken durchgeführt werden, wobei sich die Atzzeit nach der Dicke der zum Ver- schluß aufgebrachten Schicht richtet. Wird die Atzzeit zu groß gewählt, so entsteht keine ebenflächige erste Membran- schicht. Wird die Atzdauer dagegen zu kurz gewählt, so ver- bleiben unerwünschte Reste des zum Verschluß eingesetzten Ma- terials auf der Membran. Im Anschluß an die Rückätzung wird eine zweite Membranschicht 6 auf die erste Membranschicht ab- geschieden. Das Material für die zweite Membranschicht wird dabei bevorzugt so gewählt, daß die mechanischen Eigenschaf- ten mit den mechanischen Eigenschaften der ersten Membran- schicht weitestgehend übereinstimmen. Als Material für die zweite Membranschicht ist dann polykristallines Silizium be- sonders bevorzugt. Es ist jedoch auch denkbar, daß die zweite Membranschicht aus einem Metall besteht.

Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement verhält sich gegenüber äußeren Einflüssen, wie Luftfeuchtigkeit neutral, d. h. daß sich seine Eigenschaften, wie beispielsweise die Sensoreigenschaften und die Sensorkennlinie, nach längerer Einsatzdauer praktisch nicht ändern.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements ist es, daß die Oberfläche der Membranstruktur bestehend aus erster und zweiter Membranflache ebenflachig ausgebildet werden kann. Dies ist insbesondere bei der Monta- ge des mikromechanischen Bauteils in einem Gehause eines Sen- sors von Vorteil.

Das Verfahren der Erfindung ermöglicht vorteilhafterweise ei- ne freie Wahl der zweiten Membranschicht. In Verbindung mit der ersten Membranschicht lassen sich daher die Materialei- genschaften der Membranstruktur gezielt einstellen.