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Dokumentenidentifikation DE102006016811A1 11.10.2007
Titel Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Weber, Heribert, 72622 Nürtingen, DE;
Schelling, Christoph, 72762 Reutlingen, DE;
Weiss, Stefan, 72070 Tübingen, DE;
Ulbrich, Nicolaus, 72766 Reutlingen, DE;
Schlosser, Roman, 72762 Reutlingen, DE
DE-Anmeldedatum 10.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006016811
Offenlegungstag 11.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.10.2007
IPC-Hauptklasse B81C 1/00(2006.01)A, F, I, 20060410, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B81B 3/00(2006.01)A, L, I, 20060410, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements vorgeschlagen, wobei das Bauelement (10) eine Membran (11), eine feststehende Platte (7) mit mindestens einer Durchgangsöffnung (9) und einen Hohlraum (12) zwischen der Membran (11) und der Platte (7) aufweisen soll. Die Membran (11) wird in einem Schichtaufbau (2) über einem Substrat (1) realisiert, und die Platte (7) wird aus dem Substrat (1) herausstrukturiert, wobei von der Rückseite des Bauelements (10) ausgehend eine Kaverne (6) im Substrat (1) erzeugt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach zu realisieren und ermöglicht eine präzise Strukturierung der Durchgangsöffnungen (9) in der Platte (7) unabhängig von etwaigen Durchgangsöffnungen in der Membran (11).
Dazu wird zumindest der die Rückseite der Platte (7) bildende Boden der Kaverne (6) mit mindestens einer Maskierschicht (8) versehen, die zum Erzeugen der mindestens einen Durchgangsöffnung (9) strukturiert wird. Dann wird das Substratmaterial im Bereich der Durchgangsöffnung (9) von der Rückseite der Platte (7) ausgehend entfernt.

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einer Membran, mit einer feststehenden Platte, die mindestens eine Durchgangsöffnung aufweist, und mit einem Hohlraum, der zwischen der Membran und der Platte ausgebildet ist. Die Membran dieses Bauelements wird in einem Schichtaufbau über einem Substrat realisiert. Die Platte wird aus dem Substrat herausstrukturiert. Dazu wird von der Rückseite des Bauelements ausgehend eine Kaverne im Substrat erzeugt.

Die Mikromechanik eröffnet die Möglichkeit Mikrofone mit kleinsten Abmessungen herzustellen. Diese Bauelemente umfassen eine Membran, deren Auslenkungen unter Schalleinwirkung erfasst und in elektrische Signale umgewandelt werden. In der europäischen Patentanmeldung EP 1 441 561 A2 wird beschrieben, wie unter einer akustisch aktiven Membran, die gitter- oder netzartig mit Durchgangsöffnungen ausgebildet ist, eine Platte mit Durchgangsöffnungen erzeugt werden kann. Diese Platte dient zum einen als Gegenelektrode, mit deren Hilfe die Auslenkungen der Membran kapazitiv erfasst werden können. Zum anderen kann die Membran über die Durchgangsöffnungen in der Platte und eine Kaverne in der Rückseite des Bauelements von unten/hinten belüftet werden.

Gemäß einer ersten in der EP 1 441 561 A2 beschriebenen Verfahrensvariante wird zunächst eine Kaverne in der Rückseite des Substrats erzeugt, um so die Rückseite der Platte freizulegen. Anschließend wird die Oberseite der Membran im Schichtaufbau über dem Substrat freigelegt. Dabei werden auch bereits die Durchgangsöffnungen in der Membran erzeugt. Die so strukturierte Membran wird dann zum Erzeugen von Durchgangsöffnungen in der Platte maskiert. Das Substratmaterial im Bereich dieser Durchgangsöffnungen wird nämlich in einem anisotropen Ätzangriff entfernt, der von der Oberseite des Bauelements ausgehend über die Durchgangsöffnungen der Membran erfolgt. Nachdem die Maskierschicht auf der Membran entfernt worden ist, wird ein Hohlraum unter der Membran erzeugt, wobei die Oberseite der Platte freigelegt wird. Dies erfolgt in einem isotropen Ätzschritt, bei dem der Ätzangriff ebenfalls von der Oberseite des Bauelements ausgehend über die Durchgangsöffnungen der Membran erfolgt.

Da der Ätzangriff zum Erzeugen der Durchgangsöffnungen in der Platte über die Durchgangsöffnungen der Membran erfolgt, ist die Position der Durchgangsöffnungen in der Platte an das Raster der Durchgangsöffnungen in der Membran gebunden.

Gemäß einer zweiten in der EP 1 441 561 A2 offenbarten Verfahrensvariante wird die Rückseite des Substrats mit einer ersten Maskierschicht versehen, die entsprechend der Anordnung und Geometrie der zu erzeugenden Kaverne strukturiert wird. Über dieser ersten strukturierten Maskierschicht wird eine zweite Maskierschicht aufgebracht, die lediglich im Bereich der zu erzeugenden Kaverne strukturiert wird, und zwar entsprechend der Anordnung und Geometrie der Durchgangsöffnungen in der Platte, deren Rückseite beim Erzeugen der Kaverne freigelegt werden soll. Die so maskierte Rückseite des Substrats wird nun einem anisotropen Ätzangriff ausgesetzt. Dabei wird zunächst lediglich im Bereich der zu erzeugenden Durchgangsöffnungen Substratmaterial entfernt, bis die zweite Maskierschicht vollständig weggeätzt worden ist. Dann wird auch Substratmaterial im übrigen Bereich der zu erzeugenden Kaverne weggeätzt, solange bis die Rückseite der Platte freigelegt worden ist. Nach dieser Strukturierung der Substratrückseite wird die Oberseite der Membran in einem anisotropen Ätzschritt freigelegt, wobei auch die Durchgangsöffnungen in der Membran erzeugt werden. Über diese Durchgangsöffnungen in der Membran wird dann mit Hilfe eines isotrop wirkenden Ätzmediums das Substratmaterial unter der Membran entfernt. Dabei wird die Oberseite der Platte freigelegt und die bereits in der Platte strukturierten Durchgangsöffnungen werden an den unter der Membran entstehenden Hohlraum angeschlossen.

Gemäß dieser zweiten Verfahrensvariante werden die Kaverne und die Durchgangsöffnungen in der Platte in einem gemeinsamen anisotropen Ätzschritt erzeugt, wobei der Ätzangriff von der Rückseite des Bauelements ausgeht. Die hierfür erforderliche Maskierung der Substratrückseite ist relativ aufwändig, da mit den beiden Maskierschichten unterschiedliche Maskenformen realisiert werden müssen, die sehr genau zueinander ausgerichtet werden müssen. Zusätzlich müssen die beiden Maskierschichten jeweils eine definierte Dicke aufweisen, da die Topographie der bei diesem Ätzangriff erzeugten Ausnehmung – sowohl im Bereich der Durchgangsöffnungen als auch im übrigen Bereich der Kaverne – einzig von der Dicke der Maskierschichten und der Dauer des Ätzangriffs abhängt. Außerdem treten bei längeren Ätzangriffen häufig Unregelmäßigkeiten in den Randbereichen der Ätzausnehmungen auf, so dass die zweite Verfahrensvariante in der Praxis problembehaftet ist.

Vorteile der Erfindung

Davon ausgehend wird mit der vorliegenden Erfindung eine Verfahrensvariante vorgeschlagen, bei der die Strukturierung der Durchgangsöffnungen in der Platte unabhängig von etwaigen Durchgangsöffnungen in der Membran erfolgt. Die erfindungsgemäße Verfahrensvariante ermöglicht zudem eine präzise Strukturierung der Durchgangsöffnungen und ist einfach zu realisieren.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass zumindest der die Rückseite der Platte bildende Boden der Kaverne mit mindestens einer Maskierschicht versehen wird, die zum Erzeugen der mindestens einen Durchgangsöffnung strukturiert wird, und dass das Substratmaterial im Bereich der Durchgangsöffnung dann von der Rückseite der Platte ausgehend entfernt wird.

Die Durchgangsöffnungen in der Platte werden erfindungsgemäß also von der Rückseite des Bauelements ausgehend erzeugt, wobei ausgenutzt wird, dass diese Rückseitenstrukturierung unabhängig ist von der Realisierung der Membran. Im Unterschied zu der zweiten in der EP 1 441 561 A2 beschriebenen Verfahrensvariante wird erfindungsgemäß vorgeschlagen die Rückseitenstrukturierung zu entzerren, indem in einem ersten Ätzschritt nur eine Kaverne erzeugt wird, um die Rückseite der Platte freizulegen, und indem in einem davon unabhängigen zweiten Ätzschritt die Durchgangsöffnungen in der Platte erzeugt werden. In diesem Fall muss die Kaverne nicht unbedingt in einem anisotropen Ätzschritt erzeugt werden. Vielmehr kommt auch ein isotropes Ätzverfahren für den ersten Ätzschritt in Frage. Dasselbe trifft auch für den zweiten Ätzschritt zu. Aufgrund dieser Freiheit bei der Wahl der Ätzverfahren kann das erfindungsgemäße Verfahren gut in unterschiedliche Herstellungsprozesse integriert werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Entzerrung der Rückseitenstrukturierung eröffnet zudem eine größere Freiheit bei der Anordnung, Dimensionierung und Geometrie der Durchgangsöffnungen in der Platte.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren muss die im ersten Ätzschritt strukturierte Rückseite des Bauelements maskiert werden. Da sich die Kaverne in der Regel über einen beträchtlichen Teil der Dicke des Substrats erstreckt, muss die Maskierschicht also auf eine Topographie mit relativ großen Niveauunterschieden aufgebracht werden. In diesem Zusammenhang erweist es sich als besonders vorteilhaft eine Fotolackschicht als Maskierschicht vorzusehen, da sie durch Sprühbelackung auf die strukturierte Rückseite des Bauelements und insbesondere auch auf den Boden und die Seitenwandung der Kaverne aufgebracht werden kann. Durch Sprühbelackung lassen sich nämlich auch Oberflächen mit großen Niveauunterschieden sehr gleichmäßig beschichten.

Zur Strukturierung wird die so erzeugte Fotolackschicht zunächst zumindest im Bodenbereich der Kaverne belichtet, wozu vorteilhafterweise ein Projektionsbelichter eingesetzt werden kann. Zum anschließenden Entwickeln eignet sich besonders ein Sprühentwicklungsverfahren, weil so das Entwicklungsmedium gut in die Kaverne eingebracht werden kann.

Wie bereits angedeutet, kann das Substratmaterial im Bereich der Durchgangsöffnungen erfindungsgemäß sowohl in einem anisotropen Ätzschritt, wie z.B. durch Trenchen, entfernt werden, als auch in einem isotropen Ätzschritt, solange der Ätzangriff von der freigelegten Rückseite der Platte ausgehend erfolgt.

Die Oberseite der Platte wird vorteilhafterweise in einem isotropen Ätzschritt freigelegt, bei dem Substratmaterial oberhalb der Platte entfernt wird. Dabei wird im übrigen auch der Hohlraum zwischen der Platte und der Membran erzeugt. Wenn der Ätzangriff im Rahmen der Vorderseitenprozessierung von der Oberseite des Bauelements ausgehend über entsprechende Öffnungen in der Membran erfolgt, kann der Hohlraum auch vor der Strukturierung der Durchgangsöffnungen in der Platte erzeugt werden. In diesem Fall müssen die Durchgangsöffnungen dann nicht gesondert gegen einen Angriff des isotropen Ätzmediums und ein dadurch bedingtes Aufweiten geschützt werden. Alternativ kann der Ätzangriff auch von der Rückseite des Bauelements ausgehend über die Durchgangsöffnungen in der Platte erfolgen. Dies erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn die Durchgangsöffnungen in der Platte zusammen mit dem Hohlraum zwischen der Membran und der Platte in einem gemeinsamen Prozess, d.h. auf einer Anlage, erzeugt werden können. Dies führt zu einer deutlichen Zeitersparnis im Fertigungsprozess und zu einer Reduzierung der Herstellungskosten für das Bauelement nicht zuletzt auch aufgrund einer besseren Anlagennutzung.

Zeichnungen

Wie bereits voranstehend ausführlich erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.

Die 1a bis 1f zeigen ein mikromechanisches Bauelement in den einzelnen Stadien des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.

Die 2a bis 2c zeigen eine erfindungsgemäße Variante des in den 1a bis 1f dargestellten Verfahrens.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In 1a ist ein CMOS Wafer 10 dargestellt, der mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens strukturiert werden soll. Der CMOS Wafer 10 umfasst ein Siliziumsubstrat 1, auf dem sich ein Schichtaufbau 2 bestehend aus mehreren metallischen und dielektrischen Schichten befindet, die hier mit Ausnahme der gitterartig ausgebildeten Metallschicht 3 nicht näher erörtert werden sollen. Zwischen der Metallschicht 3 und dem Substrat 1 befindet sich eine dielektrische Schicht 4, durch die die Metallschicht 3 gegenüber dem Substrat 1 elektrisch isoliert ist.

1b zeigt den CMOS Wafer 10, nachdem die Rückseite mit einer Lack- und/oder Oxidmaske 5 zur Durchführung eines Tieftrenchs versehen worden ist. In diesem anisotropen Ätzschritt wird eine Kaverne 6 in der Rückseite des Substrats 1 erzeugt, die sich nur über einen Teil der Dicke des Substrats 1 erstreckt. Der Boden der Kaverne 6 bildet so die Rückseite einer Platte 7, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem Substrat 1 herausstrukturiert werden soll.

Dazu wird die Rückseite des Substrats 1 mit einer Fotolackschicht 8 versehen, die sich auch über den Boden und die Seitenwandung der Kaverne 6 erstreckt. Dazu wird ein Sprühbelackungsverfahren verwendet, da sich so eine relativ gleichmäßige Bedeckung auch im Bodenbereich der Kaverne 6 erzielen lässt. Wie in 1c dargestellt, wird die Fotolackschicht 8 im Bodenbereich der Kaverne 6 strukturiert, um in einem anschließenden von der Rückseite des Substrats 1 ausgehenden anisotropen Ätzschritt Durchgangsöffnungen 9 in der Platte 7 zu erzeugen. Zur Strukturierung wird die Fotolackschicht 8 zunächst belichtet. Für die Belichtung im Bodenbereich der Kaverne 6 eignet sich besonders ein Projektionsbelichter. Anschließend wird die Fotolackschicht 8 entwickelt, wobei vorteilhafterweise ein Sprühentwickler verwendet wird, da derartige Entwickler auch in der Tiefe der Kaverne 6 angreifen können.

1d zeigt den CMOS Wafer 10, nachdem die Struktur der Fotolackschicht 8 auf die Platte 7 übertragen worden ist und das Substratmaterial im Bereich der Durchgangsöffnungen 9 mit einem Trencher von der Rückseite der Platte 7 ausgehend entfernt worden ist. Außerdem wurde die Fotolackschicht von der Wandung der Kaverne 6 entfernt.

Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt nun ein Ätzangriff von der Oberseite des CMOS Wafers 10 ausgehend, was durch die Pfeile in 1e angedeutet wird. Dabei wird im Bereich über der Kaverne 6 die Metallschicht 3 freigelegt, die die oberste Schicht einer gitterartigen Membran 11 bildet. Außerdem werden die Durchgangsöffnungen 13 in dieser Membran 11 erzeugt.

Schließlich wird in einem isotropen Ätzschritt ein Hohlraum 12 erzeugt, indem Substratmaterial aus dem Bereich zwischen der Membran 11 und der Platte 7 entfernt wird. Dabei werden zum einen die Unterseite der Membran 11 und die Oberseite der Platte 7 freigelegt. Zum anderen wird die Kaverne 6 über die Durchgangsöffnungen 9 an den Hohlraum 12 angeschlossen. 1f zeigt den CMOS Wafer 10 nach diesem isotropen Ätzangriff, der sowohl von oben, über die Durchgangsöffnungen 13 in der Gitterstruktur der Membran 11 erfolgen kann als auch von der Substratrückseite ausgehend über die Kaverne 6 und die Durchgangsöffnungen 9.

Nachfolgend wird anhand der 2a bis 2c eine Variante des in den 1a bis 1f dargestellten Verfahrens erläutert.

Auch diese Verfahrensvariante geht von einem CMOS Wafer 20 aus, wie er in 1a dargestellt ist. Analog zu 1b wird auch hier zunächst die Substratrückseite maskiert, um eine Kaverne 6 in der Rückseite des Substrats 1 zu erzeugen und so die Rückseite einer Platte 7 freizulegen. An dieser Stelle sei nochmals angemerkt, dass das Substratmaterial im Bereich der Kaverne 6 sowohl in einem anisotropen als auch in einem isotropen Ätzprozess entfernt werden kann. Wie in 1c dargestellt wird die nun bereits strukturierte Rückseite des Substrats 1 abermals maskiert, und zwar insbesondere im Bodenbereich der Kaverne 6, wo Durchgangsöffnungen 9 in der Platte 7 erzeugt werden sollen.

Im Unterschied zu der in Verbindung mit den 1a bis 1f beschriebenen Verfahrensvariante erfolgt die Strukturierung der Durchgangsöffnungen 9 hier zusammen mit der Ausbildung eines Hohlraums 12 über der Platte 7 in einem Prozessschritt, der in einem Trencher durchgeführt wird. Zunächst werden die Durchgangsöffnungen 9 als Flachtrench, also in einem anisotropen Ätzverfahren, realisiert. Der letzte Ätzzyklus im Trencher wird dann allerdings isotrop ausgeführt. Dabei wird auch Substratmaterial aus dem Bereich zwischen dem Schichtaufbau 2 und der Platte 7 entfernt. 2a zeigt den CMOS Wafer 20 nach diesem Prozessschritt. Insbesondere die Detailansicht von 2a verdeutlicht, dass neben den Durchgangsöffnungen 9 und einem Hohlraum 12 über der Platte 7 auch eine frei bewegliche Membran 21 im Schichtaufbau 2 entstanden ist. Demnach könnte das in 2a dargestellte Bauelement schon nach diesem Prozessschritt beispielsweise als Absolutdruck- oder Relativdrucksensor eingesetzt werden.

2b zeigt eine Detailansicht des CMOS Wafers 20, nachdem eine Druckausgleichsöffnung 22 in der Membran 21 erzeugt worden ist. Das hier dargestellte Bauelement kann beispielsweise als Mikrofon genutzt werden.

2c entspricht im wesentlichen 1f und zeigt den in 2a dargestellten CMOS Wafer 20, nachdem auch die Oberseite der Membran 21 freigelegt worden ist. Dazu wurden die dielektrischen Schichten über der Membran 21 in einem von der Oberseite des Bauelements ausgehenden Trockenätzprozess entfernt.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements (10)

– mit einer Membran (11),

– mit einer feststehenden Platte (7), die mindestens eine Durchgangsöffnung (9) aufweist, und

– mit einem Hohlraum (12), der zwischen der Membran (11) und der Platte (7) ausgebildet ist,

wobei die Membran (11) in einem Schichtaufbau (2) über einem Substrat (1) realisiert wird, und wobei die Platte (7) aus dem Substrat (1) herausstrukturiert wird, wobei von der Rückseite des Bauelements (10) ausgehend eine Kaverne (6) im Substrat (1) erzeugt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass zumindest

der die Rückseite der Platte (7) bildende Boden der Kaverne (6) mit mindestens einer Maskierschicht (8) versehen wird, die zum Erzeugen der mindestens einen Durchgangsöffnung (9) strukturiert wird, und dass das Substratmaterial im Bereich der Durchgangsöffnung (9) dann von der Rückseite der Platte (7) ausgehend entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Rückseite des Bauelements (10) zumindest im Bereich der Kaverne (6) durch Sprühbelackung mit einer Fotolackschicht (8) als Maskierschicht versehen wird, und dass die Fotolackschicht (8) zur Strukturierung belichtet und entwickelt wird. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Belichtung der Fotolackschicht (8) im Bodenbereich der Kaverne (6) ein Projektionsbelichter eingesetzt wird und dass zum Entwickeln ein Sprühentwickler verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substratmaterial im Bereich der Durchgangsöffnung (9) in einem anisotropen Ätzschritt, insbesondere durch Trenchen, entfernt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substratmaterial im Bereich der Durchgangsöffnung (9) in einem isotropen Ätzschritt entfernt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (12) zwischen der Membran (11) und der Platte (7) in einem isotropen Ätzschritt erzeugt wird, bei dem Substratmaterial aus dem Bereich über der Platte (7) entfernt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzangriff zum Erzeugen des Hohlraums (12) von der Rückseite des Bauelements (10) ausgehend über die Durchgangsöffnung (9) in der Platte (7) erfolgt. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnung (9) in der Platte (7) und der Hohlraum (12) zwischen der Membran (21) und der Platte (7) in einem gemeinsamen Ätzschritt erzeugt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzangriff zum Erzeugen des Hohlraums (11) von der Oberseite des Bauelements (10) ausgehend über entsprechende Öffnungen (13) in der Membran erfolgt. Mikromechanisches Bauelement (10), dessen Bauelementstruktur in einem Substrat (1) mit einem Schichtaufbau (2) realisiert ist, umfassend

– eine im wesentlichen ganzflächig geschlossene Membran (11), die mindestens eine Metallschicht (3) und mindestens eine dielektrische Schicht umfasst, wobei die Metallschicht (3) durch die dielektrische Schicht gegen das Substrat (1) elektrisch isoliert ist,

– eine elektrisch leitfähige feststehende Platte (7), die mindestens eine Durchgangsöffnung (9) aufweist und aus dem Substrat (1) herausstrukturiert ist,

– einen Hohlraum (12), der zwischen der Membran (11) und der Platte (7) ausgebildet ist, und

– eine Kaverne (6) in der Rückseite des Substrats (1), durch die die Rückseite der Platte (7) freigelegt ist,

wobei es in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt worden ist.






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