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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein mikro-elektro-mechanisches Bauelement
und ein Verfahren zur Herstellung von integrierten mikroelektromechanischen
Bauelementen.
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Mikro-elektro-mechanische
Systeme MEMS, mit denen physikalische Größen wie Druck, Kraft, Beschleunigung,
Durchfluss etc. in ein elektrisches Signal umgewandelt werden können, sind
bekannt. Umgekehrt ist es auch bekannt, elektrische Signale beispielsweise
durch Auslenkung einer freitragenden Membran in mechanische Bewegung
umzusetzen. Die Herstellung von unterschiedlichen Bauteilen wie Sensoren,
mikromechanischen Schaltern oder Schallquellen ist unter Verwendung
der Technik, wie sie bei der Halbleiterherstellung verwendet wird,
bekannt.
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Igal
Ladabaum, et al. in IEEE Transactions an Ultrasonics, Ferroelectrics,
and Frequency Control, vol. 45, no. 3, May 1998 Seite 678–690 offenbart beispielsweise
ein Verfahren, bei dem zunächst
auf eine p-dotierte Siliziumschicht beidseitig eine Oxidschicht
von ca. 1 μm
mittels eines Nassprozessschritts aufgebracht wird. Dann erfolgt
beidseitig eine Abscheidung (LPCVD) einer Nitridschicht mit einer Dicke
von 350 nm. Danach werden die Ätzöffnungen mittels
eines elektronenstrahllithographischen Prozesses in die Nitridschicht übertragen.
Anschließend wird
das Nitrid mittels eines Plasmaprozesses geätzt und die Oxidschicht, welche
als Opferschicht dient, mittels Flusssäureätzung HF entfernt. Danach wird eine
zweite Nitridschicht mit einer Dicke von 250 nm auf die mit Öffnungen
versehene erste Nitridschicht aufgebracht, wodurch die geätzten Löcher in
der Oxidschicht unter Vakuum verschlossen werden. Anschließend werden
eine Chromschicht und eine 50 nm dicke Goldschicht auf den Wafer
aufgedampft. Nach der Vereinzelung der Bauelemente werden die Deckelektrode
und auch die untere Elektrode kontaktiert.
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Auch
die
US 6563106 B1 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS Bauteils unter Ausnutzung
von Standardherstellungsprozessen der Halbleiterindustrie. Bei diesem
Verfahren werden zur elektrischen Kontaktierung der Bodenplatte
die Rückseite
des Substrats strukturiert und Elektroden umgeben von einer Oxidschicht,
die als Isolierung dienen soll, hergestellt.
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Aus
der
DE 689 23 589
T2 ist eine monolithisch integrierte Matrix aus Bolometern
für die
Erfassung von Strahlung in einem Spektralbereich bekannt. Die Matrix
enthält
eine Matrix aus Widerständen,
wobei jeder Widerstand einen Abstand von einer Fläche eines
Substrats hat und zum Empfangen von Strahlung ausgerichtet ist.
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Aus
der
WO 99/05723 A1 ist
ein Pixel einer Matrix mit einer Doppelfunktion bekannt zur Detektion
von sichtbarem Licht und Infrarotstrahlung durch dasselbe Oberflächengebiet
des Pixels. Aus der
DE 100
58 861 A1 ist ein Infrarotsensor für hochauflösende Infrarot-Detektoranordnungen
und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem
mikro-elektro-mechanische Bauelemente möglichst einfach und kostengünstig hergestellt
und möglichst
gemeinsam mit den zur Signalaufbereitung und Signalverarbeitung
nötigen
Schaltungskomponenten in Standardfertigungsprozesse integriert werden
können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Günstige Ausgestaltungsformen
sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung von mikro-elektro-mechanischen Bauelementen
werden nacheinander folgende Schritte ausgeführt. Zunächst wird auf einer ersten
Isolatorschicht eine erste leitfähige
Schicht hergestellt. Diese erste leitfähige Schicht kann aus Mono-
oder Polysilizium bestehen. Anschließend wird die erste leitfähige Schicht
mittels bekannter Verfahren strukturiert, wobei hier durch die Tiefe
der Strukturierung bereits der Abstand der freitragenden Membran
zur Bodenplatte im mikro-elektro-mechanischen
Bauelement bestimmt wird. Bei der Strukturierung wird die erste
Isolatorschicht nicht entfernt und auch nicht angegriffen, um die
Isolation gegenüber
einer gegebenenfalls darunter liegenden Trägerschicht sicherzustellen.
Anschließend
wird auf die strukturierte erste leitfähige Schicht eine zweite Isolatorschicht
als Opferschicht abgeschieden. Die zweite Isolatorschicht, die beispielsweise
aus SiO2 besteht, isoliert die leitenden
Bereiche voneinander.
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Auf
der zweiten Isolatorschicht wird wiederum eine zweite leitfähige Schicht
und im Anschluss daran mindestens eine Ätzöffnung hergestellt, durch die
die zweite Isolatorschicht wenigstens teilweise unterhalb der zweiten
leitfähigen
Schicht zur Herstellung wenigstens eines Hohlraums geätzt wird.
Im Anschluss an die Herstellung der Ätzöffnung wird wenigstens ein
Teil der ersten leitfähigen
Schicht und der zweiten leitfähigen
Schicht elektrisch kontaktiert. Durch die Tiefe der Strukturierung
der ersten leitfähigen
Schicht wird der Abstand einer zu bildenden freitragenden Membran
zur Bodenplatte des wenigstens einen Hohlraumes festgelegt.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung wird die Ätzöffnung, die zur Herstellung
des Hohlraums in der zweiten Isolatorschicht dient, in der zweiten
leitfähigen
Schicht hergestellt.
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Als
besonders vorteilhaft hat sich ein Verfahren erwiesen, bei dem die
wenigstens teilweise Ätzung
der zweiten Isolatorschicht unterhalb der zweiten leitfähigen Schicht
nach der elektrischen Kontaktierung der ersten und zweiten leitfähigen Schichten erfolgt.
Um die Herstellung von MEMS vollständig in einen Standardprozess
zur IC-Herstellung, beispielsweise SOI-(Silicon on Insulator Technologie,
integrieren zu können,
werden die MEMS während
der Herstellung von anderen Bauelementen durch Oxid-Trenches separiert.
Die Prozessabfolge ist so gewählt,
dass erst alle anderen Bauelemente inklusive der Leitbahn-Verdrahtung
hergestellt werden und erst anschließend die Ätzung der zweiten Isolatorschicht
zur Herstellung eines Hohlraums erfolgt. Da die zweite leitfähige Schicht
nach der Herstellung der Hohlräume
einer Membran entspricht, bestünde
ansonsten die Gefahr, dass die Membran bei einer Weiterprozessierung
beschädigt
wird. Durch den Ätzvorgang
wird in wenigstens Teilbereichen der zweiten Isolatorschicht der
mindestens eine Hohlraum hergestellt, dessen Struktur und Form durch
die Wahl des Materials der zweiten Isolatorschicht sowie der Ätzlösung und
der Ätzzeit
bestimmt wird. Möglich
ist es auch, eine nicht durch die Ätzzeit terminierte Ätzung vorzunehmen,
bei der die Ätzung
vertikal und lateral durch die strukturierte erste leitfähige Schicht
gestoppt wird.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens
eine Ätzöffnung wieder
verschlossen wird, um das Eindringen unerwünschter Stoffe in den Hohlraum
zu vermeiden.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die erste
Isolatorschicht auf einer Trägerschicht
hergestellt wird.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Strukturieren der ersten
leitfähigen
Schicht in mehreren, gestaffelten Schritten, beispielsweise durch
ein Ätzverfahren.
Bei einer so genannten gestaffelten Rückätzung wird erst ein Teil einer
so genannten Maske beispielsweise mit Hilfe eines Litho graphieschrittes
entfernt und anschließend
eine erste Ätzung
durchgeführt.
In einem weiteren Schritt wird dann ein weiterer Teil der verbliebenen
Maske entfernt, so dass eine neue Fläche für eine zweite Ätzung freigegeben
wird. Bei der zweiten Ätzung
vertiefen sich gleichzeitig, die aus der ersten Ätzung entstandenen Gräben um den
Betrag der zweiten Ätztiefe.
Aus dieser Abfolge ergibt sich eine stufenförmige Topographie der ersten
leitfähigen
Schicht, die für
unterschiedlichste mikro-elektro-mechanische Strukturen und Bauelemente
genutzt werden kann.
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Eine
andere Weiterbildung sieht vor, dass das Strukturieren der ersten
leitfähigen
Schicht diese in Teilbereichen ihrer gesamten Stärke bis zur ersten Isolatorschicht
erfasst. Durch das Strukturieren eines tiefen Grabens (deep trench),
der bis zu der unter der ersten leitfähigen Schicht vergrabenen ersten
Isolatorschicht hinunterreicht, können Teilbereiche der aktiven
ersten leitfähigen
Schicht voneinander getrennt und somit auch elektrisch voneinander
isoliert werden.
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Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Herstellen der zweiten
Isolatorschicht in mehreren Teilschritten erfolgt. Hierbei bestimmt
die Gesamtdicke der abgeschiedenen Schicht im Wesentlichen die Höhe des Hohlraumes
unter der freitragenden Struktur. Falls beim Strukturieren der ersten
leitfähigen
Schicht Gräben
bis hinunter zur ersten Isolatorschicht hergestellt wurden, werden
diese nun mit der Isolatorschicht gefüllt. Dadurch entstehen elektrisch
voneinander isolierte Teilbereiche. Dies ist insbesondere dann von
Vorteil, wenn gemeinsam mit den mikro-elektro-mechanischen Bauelementen, welche
häufig
hohe Betriebsspannungen benötigen, weitere
Schaltungskomponenten integriert werden sollen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die erste leitfähige Schicht
aus einem dotierten oder hochdotierten Halbleitermaterial bestehen.
Hierbei kann bereits dotiertes Material verwendet werden oder die
Dotierung des Halbleitermaterials kann in einem weiteren Prozessschritt
erfolgen, nachdem das Material für
die erste leitfähige Schicht
auf der ersten Isolator schicht aufgebracht worden ist. Weiterhin
kann, um leitfähige
Strukturen zu erzeugen, die Dotierung des Materials für die erste leitfähige Schicht
auch nach dem Strukturieren erfolgen. Somit kann eine untere Elektrode
erzeugt werden. Alternativ dazu ist es auch möglich, nach dem Strukturieren
eine leitfähige
Schicht aus einem anderen leitungsfähigen Material, wie beispielsweise
Metall abzuscheiden, die dann eine untere Elektrode formt. Auch
hier ist es möglich,
einzelne voneinander getrennte Segmente zu erzeugen, die elektrisch
voneinander isoliert und daher auch separat kontaktiert werden können.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die Oberfläche der
zweiten Isolatorschicht nach dem Herstellungs- oder Abscheidevorgang
einzuebnen. Hierzu eignet sich ein chemisch-mechanisches Verfahren.
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Eine
andere Ausgestaltung sieht vor, dass vor dem Abscheiden der zweiten
leitfähigen
Schicht eine Isolatorschicht abgeschieden wird, die die zweite leitfähige Schicht
zumindest in Teilbereichen überdeckt,
also eine größere flächige Abmessung
hat. Beim späteren Ätzen wird
die Isolatorschicht angegriffen und es entstehen in diesen Teilbereichen
unter der zweiten leitfähigen
Schicht Kanäle.
Dadurch muss die zweite leitfähige
Schicht, die eine obere Abdeckschicht darstellt, nicht strukturiert
werden, sondern die Ätzlösung dringt
seitlich unterhalb der zweiten leitfähigen Schicht in die Isolatorschicht
ein, legt die Kanäle
frei und greift die zweite Isolatorschicht zur Herstellung eines
Hohlraums auf diese Weise an.
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Als
besonders vorteilhaft, hat es sich erwiesen, das Ätzen der
zweiten Isolatorschicht so zu unterbrechen, dass an den umgebenden
Wänden
des entstandenen Hohlraums noch ein Teil der Isolatorschicht zurückbleibt,
die somit eine isolierende Schicht gegenüber der ersten leitfähigen Schicht
bildet. Im Anschluss an das Ätzen
wird üblicherweise die Ätzlösung in
einem Spül- und Temperaturschritt aus
dem Hohlraum entfernt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
nach der Herstellung eines Hohlraums in der zweiten Isolatorschicht
eine Passivierung des Hohlraums durch Einleitung eines Gases oder
einer Flüssigkeit
durch die Ätzöffnungen
erfolgt. Eine derartige Passivschicht verhindert im Falle eines
mechanischen Kontakts bei verformter freitragender Membran einen
Kurzschluss zwischen der zweiten leitenden Schicht und der ersten
leitenden Schicht.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass während des Schließens der Ätzöffnungen
ein definierter Innendruck in den Hohlräumen erzeugt wird, der, da
er dort auch gehalten wird, bei Druckmessungen mit dem mikro-elektro-mechanischen Bauelement
einen definierten Referenzdruck liefert, so dass das Bauelement
als Absolutdruck-Sensor mit reproduzierbaren Eigenschaften sowohl
in Gasen als auch Flüssigkeiten
eingesetzt werden kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausbildung der Erfindung kann nach dem Schließen der Ätzöffnungen nachträglich zusätzliches
Material auf die zweite leitfähige
Schicht abgeschieden werden. Dadurch wird die Masse der freitragenden
Struktur erhöht
und das mechanische Verhalten des Bauelements kann gezielt beeinflusst
werden. So kann auch eine unbewegliche oder nahezu unbewegliche
Abdeckplatte erzeugt werden, die als Referenzstruktur zur Ermittlung
eines Differenzsignals dient, um parasitäre Effekte zu eliminieren.
Die Kapazität
einer derartig steifen Struktur hängt dann nicht oder nur kaum
von der zu messenden physikalischen Größe, wie etwa dem Umgebungsdruck
ab.
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Weiterhin
umfasst die Erfindung auch ein mikro-elektro-mechanisches Bauelement
mit wenigstens zwei Isolatorschichten, einer ersten Isolatorschicht
und einer zweiten Isolatorschicht und wenigstens zwei leitfähigen Schichten,
einer ersten leitfähigen
Schicht und einer zweiten leitfähigen
Schicht. Die erste leitfähige
Schicht ist auf der ersten Isolatorschicht angeordnet.
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Die
zweite leitfähige
Schicht ist auf der zweiten Isolatorschicht angeordnet. Zusätzlich ist
wenigstens eine Membran vorgesehen, die über wenigstens einem Hohlraum
vorgesehen ist, wobei der Hohlraum wenigstens teilweise in der zweiten
Isolatorschicht angeordnet ist. Die erste leitfähige Schicht weist eine stufenförmige Topographie
auf.
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Vorteilhafterweise
ist die Membran großflächig und
beweglich ausgebildet. Mit Hilfe der unteren Elektrode, die ebenfalls
großflächig ausgebildet
sein kann, kann die Membran dann entweder ausgelenkt werden, um
beispielsweise als Ultraschallquelle zu fungieren oder eine Membranauslenkung
ka pazitiv detektiert werden. Im letzteren Fall kann das mikro-elektro-mechanische Bauelement
beispielsweise als Druck- und Schallsensor eingesetzt werden.
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Als
besonders vorteilhaft für
die Integration in Standardherstellungsprozesse hat es sich erwiesen, dass
die elektrische Kontaktierung der beiden leitfähigen Schichten, also der oberen
und unteren Elektrode von derselben Seite, vorzugsweise von der Oberseite
des Wafers aus erfolgt.
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Um
ein ausreichend großes
Summensignal zu erhalten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
mehrere mikro-elektro-mechanische Bauelemente zu einem Array zu
verschalten. Dazu sind in den leitfähigen Schichten Verbindungen
vorgesehen, die die einzelnen Bauelemente gitterartig vernetzen.
Dabei sind unterschiedliche geometrische Formen, beispielsweise
quadratische oder hexagonale Gitter möglich. Auch die Form der einzelnen
Elektroden ist variabel, so dass Ausführungen in runder, quadratischer,
sechs- oder achteckiger Form möglich
sind.
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MEMS-Bauelemente
eignen sich besonders als Schall- und Ultraschallwandler, die bei
Abstandsmessungen einen breiten Anwendungsbereich auf den unterschiedlichsten
technischen Gebieten finden. Sie können für abbildende Verfahren in der
Medizintechnik, zur Insassendetektion in Kraftfahrzeugen, in Mikrofonen,
bei Durchflussmessungen in Rohren oder bei zerstörungsfreien Materialprüfungen,
um nur wenige Möglichkeiten
zu nennen, eingesetzt werden.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Anhand
der Figuren soll die Erfindung näher beschrieben
werden.
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1a bis 1g zeigen jeweils in einer Schnittdarstellung
eine Abfolge von Prozessschritten zur Herstellung von mikro-elektro-mechanischen
Bauelementen gemäß einer
ersten Ausführungsform.
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2a bis 2g zeigen
jeweils in einer Schnittdarstellung eine Abfolge von Prozessschritten zur
Herstellung von mikro-elektro-mechanischen Bauelementen gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
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3a bis 3f zeigen
jeweils in einer Schnittdarstellung eine Abfolge von Prozessschritten zur
Herstellung von mikro-elektro-mechanischen Bauelementen gemäß einer
dritten Ausführungsform.
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4a bis 4i zeigen jeweils in einer Schnittdarstellung
eine Abfolge von Prozessschritten zur Herstellung von mikro-elektro-mechanischen
Bauelementen gemäß einer
vierten Ausführungsform.
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5 zeigt
eine Draufsicht auf ein mikro-elektro-mechanisches Bauelement gemäß einer fünften Ausführungsform
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6 zeigt
einen Schnitt durch ein mikro-elektro-mechanisches Bauelement gemäß der Ausführungsform
nach 5
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7 zeigt
eine Draufsicht auf mehrere mikro-elektromechanische Bauelemente,
die zu einem Array verschaltet sind.
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1a zeigt
einen Schnitt durch ein Halbleitermaterial mit einer ersten vergrabenen
Isolatorschicht 1. Auf einer Trägerschicht 2 ist die
erste Isolatorschicht 1 beispielsweise aus SiO2 aufgebracht, auf
der wiederum eine erste leitfähige
Schicht 3 abgeschieden wurde. Wie in 1b und 1c gezeigt,
wird die erste leitfähige
Schicht 3 durch strukturierendes Rückätzen wieder teil weise entfernt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
erfolgt das Rückätzen in
mehreren gestaffelten Schritten. Zunächst wird ein Teil einer so
genannten Maske (nicht dargestellt) beispielsweise mittels eines
Lithographieschrittes entfernt. Danach erfolgt eine erste Ätzung bis
der in 1b gezeigte Zustand der ersten leitfähigen Schicht 3 erreicht
ist. Anschließend
wird in einem weiteren Schritt ein weiterer Teil der verbliebenen
Maske entfernt und somit eine neue Fläche der ersten leitfähigen, Schicht 3 zur Ätzung freigegeben. Bei
dem zweiten Ätzschritt
vertiefen sich gleichzeitig die aus der ersten Ätzung entstandenen Gräben 4 um
den Betrag der zweiten Ätztiefe.
Aus dieser Staffelung mehrerer Ätzvorgänge, ergibt
sich eine stufenförmige
Topographie. Sofern für
die erste leitfähige Schicht 3 kein
dotiertes Material verwendet worden ist, kann dieses auch noch an
dieser Stelle im Prozess dotiert werden. Alternativ kann zu diesem
Zeitpunkt auch noch ein anderes leitfähiges Material beispielsweise
eine Metallschicht abgeschieden und strukturiert werden, um oberhalb
der ersten Isolatorschicht 1 eine leitfähige Schicht zu erzeugen.
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Anschließend wird,
wie in 1d gezeigt, ein zweite Isolatorschicht 5,
die als Opferschicht dient, auf die strukturierte erste leitfähige Schicht 3 abgeschieden.
Dies kann in mehreren Teilschritten erfolgen. Danach wird, wie in 1e ersichtlich,
eine zweite leitfähige
Schicht 6, die hier die obere Abdeckschicht darstellt,
auf der zweiten Isolatorschicht 5 abgeschieden. Diese kann
aus einem dotierten, auch hochdotierten Halbleitermaterial bestehen.
Vorteilhafterweise handelt es sich hierbei um ermüdungsfreies,
einkristallines Material. Allerdings ist auch die Verwendung von
polykristallinen Materialien möglich.
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Anschließend erfolgt
die Strukturierung der zweiten leitfähigen Schicht 6, bei
der Ätzöffnungen 7 hergestellt
werden, die das Ätzen
der unterhalb der zweiten leitfähigen
Schicht 6 liegenden zweiten Isolatorschicht 5 ermöglichen.
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1f zeigt
einen Prozessschritt, in welchem bereits ein Hohlraum 8 in
der zweiten Isolatorschicht 5 durch den Ätzprozess
entstanden ist und die Ätzöffnungen 7 wieder
mit einer dritten Schicht 9 verschlossen sind. Bei der Ätzung wurde
darauf geachtet, dass an den Seitenwänden des Hohlraums 8 noch
eine isolierende Schicht 10 zur strukturierten ersten leitfähigen Schicht 3 verblieben
ist.
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Im
Anschluss daran erfolgt, wie in 1g gezeigt,
die elektrische Kontaktierung 11 der oberen Elektrode 12,
die aus der zweiten leitfähigen
Schicht 6 und der unteren Elektrode 14, die aus
der ersten leitfähigen
Schicht 3 besteht. Üblicherweise
sind hierbei die Metallisierungsschichten, die die elektrische Kontaktierung 11 bilden,
an der Oberfläche
von einer Abdeckschicht aus Oxid, Nitrid, Polyimid oder ähnlichem
umgeben.
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Die 2a bis 2g zeigen
die gleiche Standardprozessabfolge wie bei der Herstellung des Bauelements
in den 1a bis 1g.
Allerdings werden, wie in 2c ersichtlich,
bei der gestaffelten Rückätzung der
ersten leitfähigen
Schicht 3 tiefe Gräben 13 (deep
trenches) bis hinunter zur ersten Isolatorschicht 1 geätzt. Diese
tiefen Gräben 13 werden beim
Abscheiden der zweiten Isolatorschicht 5 wieder aufgefüllt. Wie
aus der 2g ersichtlich, wird durch die
Gräben 13 die
untere Elektrode 14, die aus der strukturierten ersten
leitfähigen
Schicht 3 hervorgegangen ist, in separate elektrisch isolierte
Segmente 15 geteilt, die auch separat elektrisch kontaktierbar
sind.
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Auch
die 3a bis 3d zeigen
die aus den vorgenannten Figuren bekannte Prozessabfolge. Allerdings
wird, wie aus 3e ersichtlich, vor dem Abscheiden
der zweiten leitfähigen
Schicht 6 auf der zweiten Isolatorschicht 5 in
Teilbereichen eine weitere dünne
Isolatorschicht 16 abgeschieden. Beim Aufbringen der zweiten
leitfähigen
Schicht 6 wird darauf geachtet, dass diese die dünne Isolatorschicht 16 nicht
vollkommen überdeckt,
sondern beispielsweise einen seitlichen Zugang ermöglicht. Beim
anschließenden Ätzvorgang
wird die dünne Isolatorschicht 16 in
Teilbereichen zuerst geätzt,
so dass zwischen zweiter leitfähiger
Schicht 6 und zweiter Isolatorschicht 5 dünne Kanäle 17 geformt
werden, die das Eindringen der Ätzlösung unter
die zweite leitfähige
Schicht 6 ermöglichen,
wodurch zum einen ein Hohlraum 8 und zum anderen aus der
zweiten leitfähigen
Schicht 6 eine Mem bran entsteht. Wie aus 3f ersichtlich,
erfolgt das Verschließen
der Kanäle 17 nach
dem Ätzen
eines Hohlraums 8 durch Abscheidung einer Verschlussmasse 18,
beispielsweise eines Isolators, am Rand der Abdeckschicht 6.
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Aus
einem in den 4a bis 4 i
dargestellten Ausführungsbeispiel
wird ersichtlich, dass die spätere
Membran nicht nur wie in den 1e, 2e und 3e gezeigt,
aus der leitfähigen
Schicht 6, sondern auch aus einer weiteren Passivierungs-
oder Isolatorschicht 19 bestehen kann. 4f zeigt,
dass zur Herstellung der oberen Elektrode und deren elektrischer
Kontaktierung 11 eine weitere leitfähige Schicht 6 auf
die Passivierungs- oder Isolatorschicht 19 aufgebracht
werden muss. Zur Herstellung der Ätzöffnungen 7 werden
anschließend
sowohl die leitfähige
Schicht 6 als auch die Passivierungs- oder Isolatorschicht 19 strukturiert
geätzt.
Danach kann die Herstellung der elektrischen Kontaktierung 11,
wie in 4g gezeigt, jedoch vor der Ätzung des
Hohlraums 8 erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass das Verfahren
in einen Herstellungsprozess integriert werden kann, ohne dass auf
eine bewegliche Membran geachtet werden müsste, die sonst während der
weiteren Prozessschritte beschädigt
werden kann. Wie in 4h zu sehen, kann die Ätzung den
kompletten Bereich unterhalb der späteren Membran erfassen, da
durch die Passivierungs- oder Isolatorschicht 19 eine ausreichende
elektrische Isolierung zu den Seitenwänden und der unteren Elektrode 14 des
mikro-elektro-mechanischen Bauelements gewährleistet ist.
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Alternativ
zu einer zusätzlichen
Passivierungs- oder Isolatorschicht 19 kann auch die zweite Isolatorschicht 5 so
dick ausgeführt
werden, dass sie die strukturierte erste leitfähige Schicht 3 überdeckt. Dann
kann die Herstellung des Hohlraums 8 durch kontrolliertes Ätzen der
zweiten Isolatorschicht 5 mit Ätzstopp so erfolgen, dass über dem
Hohlraum 8 eine beweglich aufgehängte Membran aus der zweiten
Isolatorschicht 5 zurückbleibt.
Auch in diesem Fall muss zur Herstellung der oberen Elektrode eine weitere
leitfähige
Schicht 6 auf der späteren
Membran abgeschieden werden.
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5 zeigt
eine Draufsicht auf ein mikro-elektro-mechanisches Bauelement. Die
gezeigte Ausprägung
des MEMS-Bauelements ist mit einer beweglichen Membran, die aus
der zweiten leitfähigen
Schicht 6 besteht, versehen. Das MEMS-Bauelement kann beispielsweise
als Ultraschallquelle (CMUT capacitive micromechanic ultrasonic
transducer) dienen, indem eine Membranauslenkung hervorgerufen wird.
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Um
eine Membranauslenkung kapazitiv zu detektieren, beispielsweise
für einen
Druck- oder Schallsensor, ist es von Vorteil beim Sender, auch die untere
Elektrode 14, die aus der ersten leitfähigen Schicht 3 besteht,
großflächig auszubilden,
da das kapazitive Signal flächenabhängig ist
und bei größeren Elektroden
bei gleichem Druck eine höhere
Signalausbeute erfolgen kann als bei kleinen Elektroden.
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6 zeigt
einen Schnitt durch ein mikro-elektro-mechanisches Bauelement gemäß einer Ausführungsform
nach 5. Für
die elektrische Kontaktierung 11 der unteren Elektrode 14 ist
die leitfähige
Schicht 3 ringförmig
an die Oberfläche
des Halbleiterbauelementes geführt,
wo dann beispielsweise mittels Metallbahnen eine elektrische Kontaktierung 11 stattfindet.
Alternativ dazu ist es auch möglich,
säulenförmige Abschnitte
der ersten leitfähigen Schicht 3 zu
strukturieren und mit deren Hilfe die Verbindung zur unteren Elektrode 14 herzustellen.
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7 zeigt
in einer Draufsicht mehrere zusammengeschaltete MEMS-Bauelemente, die
ein Array 20 bilden und daher ein Summensignal erzeugen
können.
Die einzelnen MEMS-Bauelemente sind über die Metallisierungsschicht,
die auch die elektrische Kontaktierung 11 bildet, miteinander
vernetzt. Im Gegensatz dazu wäre
jedoch auch eine Vernetzung der oberen Elektroden 12 über die
zweite leitfähige
Schicht 6 denkbar. Nicht dargestellt ist die Ebene der
unteren Elektroden 14, die in gleicher Weise miteinander
vernetzt sind. Grundsätzlich
können
die Elektroden 12, 14 in beliebiger Form, beispielsweise kreisförmig, quadratisch,
rechteckig oder achteckig hergestellt werden. Auch die Vernetzung
der Elektroden 12, 14 kann in unterschiedlichen
Gittern, beispielsweise quadratisch oder hexagonal erfolgen.
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- 1
- Erste
Isolatorschicht
- 2
- Trägerschicht
- 3
- Erste
leitfähige
Schicht
- 4
- Graben
- 5
- Zweite
Isolatorschicht
- 6
- Zweite
leitfähige
Schicht
- 7
- Ätzöffnung
- 8
- Hohlraum
- 9
- Verschluss
der Ätzöffnung
- 10
- Halbleitermaterial
- 11
- Elektrische
Kontaktierung
- 12
- Obere
Elektrode
- 13
- Tiefer
Graben
- 14
- Untere
Elektrode
- 15
- Segment
- 16
- Dünne Isolatorschicht
- 17
- Kanal
- 18
- Verschlussmasse
- 19
- Passivierungs-
oder Isolatorschicht
- 20
- Array
- 21
- Abdeckschicht