DE19610782B4

DE19610782B4 - Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Strukturen

Info

Publication number: DE19610782B4
Application number: DE19610782A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr. Laermer; Andrea Schilp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2016-03-20
Also published as: DE19610782A1; US6008138A

Abstract

Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Strukturen, bei dem durch Einbringen einer Kaverne (3) in einer Siliciumplatte (1) ein Membranbereich (2) geschaffen wird, bei dem dann aus dem Membranbereich (2) durch Ätzen ein bewegliches Element (9) herausstrukturiert wird und bei dem ein Anschlag erzeugt wird, mit dem die Auslenkung des beweglichen Elements (9) beschränkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Unterseite (11) des Membranbereichs (2) eine Opferschicht (5) erzeugt wird, daß die Opferschicht (5) mit einer Versiegelungsschicht (8) für den Anschlag bedeckt wird, daß ausgehend von der Oberseite (12) Gräben (10) in den Membranbereich (2) eingebracht werden, die bis zur Opferschicht (5) reichen, und daß die Opferschicht (5) durch Beaufschlagen mit einem Ätzmedium entfernt wird.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Strukturen nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Aus der deutschen nicht vorveröffentlichten DE 195 26 903 A1 sind bereits Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Drehratensensoren bekannt, bei dem in einer Siliciumplatte durch Einätzen einer Kaverne ein Membranbereich geschaffen wird, der im Vergleich zur Siliciumplatte dünner ausgebildet ist. Durch weitere Ätzprozesse wird dann aus dem Membranbereich ein bewegliches Element herausgeätzt. Um die Auslenkung dieses beweglichen Elements zu beschränken, werden verschiedene Verfahren zur Herstellung von Anschlägen beschrieben. Diese Verfahren zur Herstellung der Anschläge weisen das gemeinsame Merkmal auf, daß jeweils mindestens eine weitere Platte, insbesondere eine Siliciumplatte, zur Ausbildung des Anschlags benötigt wird. Weiterhin muß diese Platte aufwendig mit der Siliciumplatte, aus dem das bewegliche Element herausstrukturiert ist, verbunden werden.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 569 899 A1 ist ein kapazitiver Drucksensor und das Verfahren zu seiner Herstellung bekannt. Der Sensor weist eine Membran aus dotiertem polykristallinem Silizium auf, die über einer Kavität angeordnet ist. Die Kavität erstreckt sich einem Wafer aus dotiertem einkristallinem Silizium. Aus dieser Schrift ist weiterhin bekannt, auf der Unterseite eines Membranbereichs eine Opferschicht vorzusehen, die durch Beaufschlagung mit einem Ätzmittel entfernt wird.

Aus dem US-amerikanischen Patent US 5 454 904 ist ein Herstellungsverfahren für mikromechanische Strukturen bekannt, bei dem Kavitäten durch Materialabtragung mittels Laser erzeugt werden. Hierbei wird eine Opferschicht als Maske verwendet. Die Patentschrift offenbart weiterhin das Erzeugen einer Opferschicht in Kavernen, welche ebenfalls mit einem Ätzmittel entfernt wird.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß für die Ausbildung des Anschlags keine weitere Platte benötigt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit mit besonders geringem Materialeinsatz und vergleichsweise einfachen Prozeßtechniken zu realisieren.

Durch die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Verfahrens nach dem unabhängigen Patentanspruch möglich. Die Erzeugung der Opferschicht auf der Unterseite des Membranbereichs erfolgt besonders einfach durch Eindampfen einer Kunststofflösung. Durch einen anschließenden Ätzschritt kann dann der dünne Kunststoff-Film auf den Wänden der Kaverne wieder entfernt werden, so daß eine zuverlässige Haftung des nachfolgend aufgebrachten Materials für den Anschlag auf den Wänden der Kaverne ermöglicht wird. Für das Material des Anschlags ist im besonderen Maße ein Epoxyd- oder Silicon-Kunststoff geeignet. Silicon-Kunststoff besitzt zudem den Vorteil besonders geringer mechanischer Spannungen aufgrund der Elastizität sowie seiner besonders guten Abdichtungseigenschaften. Durch die Abscheidung einer Metallisierung auf der Unterseite des Membranbereichs kann ein nahezu perfekter Ätzstop bei der Plasma-Strukturierung der Membrane erfolgen. Sofern dies gewünscht ist, kann durch eine Nachätzung die Metallschicht auf der Unterseite wieder entfernt werden. Es ist auch möglich, durch Verwendung von SOI-Wafern ein vergrabenes Oxid als Ätzstopschicht einzusetzen, das von beiden Seiten jeweils prozeßbegrenzend/stoppend wirkt. Die Strukturierung des Membranbereichs erfolgt zweckmäßigerweise mittels eines fluorhaltigen Ätzgases (gemäß der DE 42 41 045 C1 . Das Einbringen der Kaverne in die Siliciumplatte erfolgt besonders einfach durch die Verwendung einer anisotropen Ätzlösung. Durch die sich dadurch ausbildenden schrägen Wände wird zudem die Entfernung der dünnen Kunststoffschicht von den Wänden erleichtert.

Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die 1 bis 5 ein erfindungsgmäßes Herstellungsverfahren.

In der 1 wird eine Siliciumplatte 1 gezeigt, aus der durch Einbringen einer Kaverne 3 ein Membranbereich herausstrukturiert wurde. Der Membranbereich 2 weist eine deutlich geringere Dicke als der Rest der Siliciumplatte 1 auf. Die Kaverne 3 weist einen Bodenbereich 6 und Wände 7 auf. Der Bodenbereich 6 der Kaverne 3 bildet zugleich die Unterseite 11 des Membranbereichs 2.
Für das Einbringen derartiger Kavernen 3 in Siliciumplatten 1 wird üblicherweise ein Ätzprozeß verwendet, der einkristallines Silicium anisotrop ätzt. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung von basischen Ätzlösungen erfolgen. Es sind jedoch auch andere Ätzverfahren geeignet, mit denen Ausnehmungen in Siliciumplatten 1 erzeugt werden können.
Auf der Unterseite 11 des Membranbereichs 2 wird dann durch Abscheidung, insbesondere durch Aufdampfen oder Sputtern eine dünne Metallschicht, beispielsweise aus Aluminium, Chrom, Nickel oder dergleichen, abgeschieden. Wenn die Abscheidung ohne eine entsprechende Maskierung erfolgt, so werden, wie in der 2 gezeigt wird, auch die Wände 7 der Kaverne 3 und die Unterseite der Siliciumplatte 1 mit der Metallschicht 4 bedeckt. Die Metallschicht 4 dient als Ätzstop für eine spätere Strukturierung des Membranbereichs 2 und kann sehr dünn, beispielsweise in der Größenordnung von einigen zehn Nanometern ausgeführt werden. Sofern für die später erfolgende Strukturierung des Membranbereichs 2 ein Ätzprozeß verwendet wird, bei dem keinerlei Ätzstop benötigt wird, so kann das Aufbringen der Metallschicht 4 auch entfallen. Es ist auch möglich, das vergrabene Oxyd eines SOI-Wafers als beidseitigen Ätzstop zu benutzen.
In einem weiteren Prozeßschritt (siehe 2) wird nun im Bereich der Unterseite 11 des Membranbereichs 2 eine dicke Opferschicht 5 erzeugt. Für die Erzeugung der Opferschicht 5 wird die Kaverne 3 mit einer Kunststofflösung befüllt. Dabei handelt es sich beispielsweise um Kunststoffe, die aus der optischen Lithographie als Fotoresists verwendet werden, Polystyrol oder andere Kunststoffe, die in Lösungsmitteln wie beispielsweise Aceton, aromatische Lösungsmittel oder Chlorkohlenwasserstoffe gelöst werden können. Durch Eindampfen des Lösungsmittels bildet sich dann auf dem Boden 6 der Kaverne 3 ein Kunststoff-Film, dessen Dicke durch die Konzentration der Lösung und die in die Kaverne 3 eingebrachte Lösungsmenge bestimmt wird. Weiterhin bildet sich auch auf den Wänden 7 der Kaverne ein dünner Kunststoff-Film, dessen Dicke jedoch geringer ist als der im Bodenbereich 6 verbleibende Film. Um diesen dünnen Kunststoff-Film von den Wänden 7 wieder zu entfernen, wird ein nachfolgender Ätzschritt, beispielsweise ein isotroper Plasmaätzschritt in einem Sauerstoffplasma durchgeführt, der den dünnen Film von den Wänden 7 der Kaverne 3 vollständig entfernt. Aufgrund der größeren Dicke wird dabei die Opferschicht 5 im Bereich des Bodens 6 der Kaverne nur unwesentlich verringert. Man kann auch in die Kaverne eine genau dosierte Menge an Lack oder Polymermaterial einbringen, so daß jeweils nur der Boden bedeckt ist. Dies setzt eine entsprechende Lackdosiereinrichtung voraus, mit der jede Kaverne individuell mit der richtigen Lackmenge versehen wird, um eine gewünschte Höhe der Lackschicht zu erreichen.
In einem weiteren Schritt wird dann die Kaverne 3 mit einer Versiegelungsschicht 8 gefüllt. Diese Versiegelungsschicht 8 kann beispielsweise aus Epoxydharz, Silicon-Kunststoff oder anderen geeigneten Materialien bestehen. Silicon-Kunststoff weist den Vorteil auf, daß es auch nach einer Vernetzung des Kunststoffmaterials elastisch bleibt und somit besonders geringe mechanische Spannungen auf die Siliciumplatte ausübt. Nachteilig an Silicon ist, daß die Weiterbearbeitung der Siliciumplatte gegebenenfalls mit flußsäurehaltigen Ätzlösungen erfolgt, gegenüber denen Silicon-Kunststoffe nicht vollständig beständig sind.
In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt dann die Strukturierung des Membranbereichs in den Gräben 10, die ausgehend von der Oberseite 12 in den Membranbereich 2 eingebracht werden. Dieser Zustand wird in der 4 gezeigt. Für das Einätzen der Gräben kann ein Ätzprozeß verwendet werden, beispielsweise durch Verwendung eines fluorhaltigen Plasmas gemäß DE 42 41 045 C1 , welcher an der Metallschicht 4 stoppt. Die Metallschicht 4 wird hier somit als Ätzstop verwendet. Es wird so sichergestellt, daß durch den Ätzprozeß keinerlei Ätzung der Opferschicht 5 erfolgt, die eventuell eine Hinterschneidung der mikromechanischen Strukturen und einen Verlust an Strukturgenauigkeit zur Folge hat. Bei den mikromechanischen Strukturen handelt es sich hier beispielsweise um Drehratensensoren, wie sie aus der DE 195 26 903 A1 bekannt sind. Es sind jedoch auch andere mikromechanische Sensor- oder Aktuatorstrukturen vorstellbar. Ein Teil der notwendigen Prozeßschritte für die mikromechanische Struktur können bereits erfolgt sein, bevor das in den 1 bis 4 beschriebene Verfahren durchgeführt wird. Nach dem Einätzen der Gräben 10 erfolgt eine Ätzung in der Metallschicht 4, so daß die Opferschicht 5 frei liegt.
In einem weiteren Prozeßschritt wird dann die Opferschicht 5 entfernt. Dies kann beispielsweise durch Eintauchen der Siliciumplatte nach der 4 in ein Lösungsmittel erfolgen, welches die Schicht 5 auflöst. Alternativ ist es auch möglich, Plasmaätzverfahren zur Entfernung des Kunststoffmateials der Opferschicht 5 zu verwenden. In der 5 wird der dann erreichte Zustand gezeigt. Durch die Gräben 10 ist aus dem Membranbereich 2 ein bewegliches Element 9 herausstrukturiert, welches beispielsweise durch eine Beschleunigung ausgelenkt werden kann. Nach unten hin ist die Bewegung dieses beweglichen Elementes 9 durch die Versiegelungsschicht 8 begrenzt, welche als Anschlag wirkt. Durch die Prozeßfolge der 1 bis 5 ist somit mit besonders einfachen Mitteln ein Anschlag geschaffen worden. Die Metallisierungsschicht 4 kann auf der Unterseite des Membranbereichs 2 und auch auf der Unterseite des beweglichen Elementes verbleiben. Diese Metallschicht 4 kann sogar wünschenswert und nützlich sein, da sie einen niederohmigen elektrischen Massekontakt beziehungsweise eine Abschirmung bildet. Sofern es gewünscht ist, diese Metallschicht 4 zu entfernen, kann auch eine weitere Ätzung durch Eintauchen in eine für die Metallschicht 4 geeignete Ätzlösung erfolgen.
Der Abstand des beweglichen Elements 9 zur Versiegelung 8, die als Anschlag wirkt, wird durch die Dicke der Opferschicht 5 eingestellt. Typische Abmessungen liegen in der Größenordnung von einigen Mikrometern bis zu einigen zehn Mikrometern, jeweils nach Dicke des Opferlacks 5.

Claims

Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Strukturen, bei dem durch Einbringen einer Kaverne (3) in einer Siliciumplatte (1) ein Membranbereich (2) geschaffen wird, bei dem dann aus dem Membranbereich (2) durch Ätzen ein bewegliches Element (9) herausstrukturiert wird und bei dem ein Anschlag erzeugt wird, mit dem die Auslenkung des beweglichen Elements (9) beschränkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Unterseite (11) des Membranbereichs (2) eine Opferschicht (5) erzeugt wird, daß die Opferschicht (5) mit einer Versiegelungsschicht (8) für den Anschlag bedeckt wird, daß ausgehend von der Oberseite (12) Gräben (10) in den Membranbereich (2) eingebracht werden, die bis zur Opferschicht (5) reichen, und daß die Opferschicht (5) durch Beaufschlagen mit einem Ätzmedium entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Opferschicht (5) durch Eindampfen einer in die Kaverne (3) eingebrachten Kunststofflösung gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Eindampfen der Kunststofflösung ein Ätzschritt erfolgt, bei dem die auf den Wänden (7) der Kaverne (3) durch das Eindampfen geschaffene Kunststoffschicht wieder entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Versiegelungsschicht (8) ein Silicon-Kunststoff oder ein Epoxydharz verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen der Gräben (10) durch Ätzen erfolgt, daß auf der Unterseite (11) der Membranschicht (2) eine Metallisierung (4) aufgebracht wird, die als Ätzstop für den Ätzschritt dient.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierung (4) auf der Unterseite 11 des Membranbereichs (2) nach dem Entfernen der Opferschicht (5) entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen der Gräben (10) durch Ätzen mittels eines fluorhaltigen Plasmas vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaverne (3) durch anisotropes Ätzen des einkristallinen Siliciums der Siliciumplatte 1 erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorbestimmte Menge an Kunststofflösung in die Kaverne (3) eingebracht wird.