专利摘要:
DieErfindung betrifft ein mikrostrukturiertes Bauelement und ein Verfahrenzu dessen Herstellung, das mindestens folgende Schritte aufweist:Ausbildenund Strukturieren einer ersten Maskenschicht (2) mit ersten Öffnungen(3) auf einem Substrat (1),Ätzenvon Makroporen (4) in dem Substrat durch die ersten Öffnungen,Ausbildenvon Porenwandschichten (5) in dem Substrat (1) um die Poren (4)herum,Ausbilden einer zweiten Maskenschicht (6) auf der ersten Maskenschicht(2) und Strukturieren von gegenüberden ersten Öffnungen(3) lateral versetzten zweiten Öffnungen (7)durch die erste Maskenschicht (2) und die zweite Maskenschicht (6)bis zu dem Substrat (1),Gasphasenätzen eines Freiraums (8) indem Substrat (1) durch die zweiten Öffnungen (7) mit einem diePorenwandschichten (5) nicht ätzenden Ätzgas (ClF3), derartig, dass der Freiraum (8) die Porenwandschichten(5) in zumindest derem oberen Bereich umgibt.Erfindungsgemäß können aufeiner geringen lateralen Substratfläche dünne, mechanisch stabile, mitgeringer Wärmeleitfähigkeitan das Substratmaterial angekoppelte Membranen ausgebildet werden.
公开号:DE102004024285A1
申请号:DE200410024285
申请日:2004-05-15
公开日:2005-12-01
发明作者:Ando Feyh;Sabine Nagel
申请人:Robert Bosch GmbH;
IPC主号:B81B3-00
专利说明:
[0001] DieErfindung betrifft ein mikrostrukturiertes Bauelement und ein Verfahrenzu dessen Herstellung.
[0002] MikrostrukturierteBauelemente werden insbesondere im Automotiv-Bereich, aber auch z. B. in der Medizintechnikund anderen Bereichen in Messanordnungen und Sensoranordnungen verwendet,da sie in großenStückzahlenund kostengünstighergestellt werden könnenund sichere, genaue und reproduzierbare Messungen ermöglichen.Für Gasdetektoren,Strahlungsdetektoren, Druck- oder Masseflusssensoren werden oftmalsBauelemente mit einer thermisch entkoppelten Membran verwendet.
[0003] Diethermisch entkoppelte Membran wird im Allgemeinen durch einen anisotropen Ätzprozessmit Kaliumhydroxid (KOH)-Ätzenhergestellt, wobei ein Wafer von der Rückseite her geätzt wirdund der Ätzvorgangbei Ausbilden einer hinreichend dünnen Membran an der Vorderseitedes Bauelementes gestoppt wird. Um mit diesem Prozess eine z. B.1 μm dickeSilizium-Membranherzustellen, müssenbei einer Waferdicke von z. B. 360 μm somit 359 μm geätzt werden. Da der Ätzprozessauch die Seitenwände derim Allgemeinen pyramidenstumpfartig ausgebildeten Kaverne angreift,ist der notwendige Flächenanteildeutlich größer alsdie eigentliche Membranfläche.Das Verhältnisder prozesstechnisch erforderlichen Fläche zur tatsächlich benötigten Membranfläche wirdmit zunehmender Waferdicke somit immer schlechter.
[0004] AusJournal of Electrochemical Society, Vol. 140 (1993), S. 2836 bis2843 und Thin Solid Films, Vol. 297 (1997), S. 13 bis 17 sind Prozessezum fotounterstütztenelektrochemischen Ätzenin einem verdünntenFlusssäureelektrolytenbekannt, bei denen durch Anpassung der elektrischen Stromdichte einegezielte Prozessführungzur Ausbildung gewünschterbauchförmigerPorenformen beschrieben ist.
[0005] Daserfindungsgemäße mikrostrukturierte Bauelementund das erfindungsgemäße Verfahren zudessen Herstellung weisen gegenüberbekannten mikrostrukturierten Bauelementen und deren Herstellungsverfahreninsbesondere den Vorteil auf, dass dünne Membranen ausgebildet werdenkönnen, diemechanisch übereine spezifische Struktur aus Makroporen mit geringer Wärmeleitfähigkeitan das Substratmaterial angekoppelt sind.
[0006] Dieerfindungsgemäß ausgebildeteMembranen weisen hierbei vorteilhafterweise eine hohe Elastizität und Stabilität auf. Dadie Membran nicht durch Ätzendes Substratmaterials ausgebildet wird, sondern durch Auftrageneiner oder mehrerer Schichten, kann eine hohe Gleichmäßigkeitin der Dicke der Membran erreicht werden.
[0007] DerErfindung liegt der Gedanke zu Grunde, die Membran auch außerhalbihrer seitlichen Anbindungsbereiche von unten her zu stützen, indemwährenddes Herstellungsprozesses in dem Substratmaterial vertikal verlaufendeStrukturen ausgebildet werden. Diese Strukturen werden als Porenwandschichtenvertikaler Poren in dem Substratmaterial ausgebildet, wobei dasdie Porenwandschichten außenumgebene Substratmaterial nachfolgend selektiv weggeätzt wird.
[0008] Erfindungsgemäß ist hierbeieine Ausbildung und Strukturierung von der Vorderseite des Wafers, d.h. von oben her, möglich.Die Ausbildung der im Wesentlichen vertikal verlaufenden Poren kannvorteilhafterweise durch fotounterstütztes elektrochemisches Ätzen erfolgen,so dass eine gezielte, schnelle Ausbildung der Poren in einem gewünschtenRaster bzw. Muster möglichist. Die Porenwandschichten könnenz. B. durch Oxidieren, aber auch Nitridieren der die Poren umgebendenSubstratbereiche schnell ausgebildet werden; das nachfolgende selektive Ätzen kanninsbesondere durch Gasätzenschnell erfolgen, so dass insgesamt eine schnelle und sichere Herstellungmöglichist.
[0009] Erfindungsgemäß werdenMakroporen ausgebildet, die sich – im Unterschied zu im Nanometerbereichausgebildeten Mikroporen – über einegrößeren Länge vonmindestens einem Mikrometer erstrecken. Makroporen werden hierbeivorteilhafterweise elektrochemisch hergestellt, indem an der Porenspitzeeine Gleichgewichtsbedingung zwischen dem Massentransport in demElektrolyt und der Ladungszuführungvon der Elektrode vorliegt.
[0010] DieMakroporen könnenz. B. mit einer Tiefe zwischen 50 μm und 300 μm, z. B. um 100 μm hergestelltwerden. Hierbei sind lediglich Prozesszeit im Bereich von 10 bis30 Minuten erforderlich.
[0011] DiePorenform der sich vertikal erstreckenden Makroporen kann gezieltausgebildet werden. Um die Makroporen beim nachfolgenden Ausbilden derPorenwandschichten vollständigeinzuschließen, können sieinsbesondere mit einer Ausbauchung ausgebildet werden, die mit ansich bekannten elektrochemischen Ätzverfahren erreicht werdenkann.
[0012] DiePorenwandschichten könnenin einem Si-Substrat aus SiO2 oder grundsätzlich auchaus Si3N4 ausgebildet werden und somit eine hohe Wärmeisolationbzw. einen sehr geringen Wärmeübergangvon der Membran an das Substrat ermöglichen. Weiterhin besitzendie erfindungsgemäß ausgebildeteMembran und die diese tragenden Strukturen auch gute elastischeEigenschaften und eine hohe Beständigkeit.Die erfindungsgemäßen Bauele mentekönnendaher z. B. in Luftmassensensoren, insbesondere Heißfilm-Luftmassensensoren,verwendet werden, bei denen eine Membranzerstörung durch Partikelbeschussderzeit sehr problematisch ist. Weiterhin können Sie in Strahlungsdetektorenbzw. Gasdetektoren, die Gaskonzentrationen durch Absorption von Strahlung,insbesondere IR-Strahlung messen, verwendet werden.
[0013] Durchden verwendeten oberflächenmikromechanischen(OMM)-Prozess wirdweniger Substratflächefür dieMembran benötigtals bei bekannten, Bulk-mikromechanischen (BMM)-Prozessen. Daher isteine höhereIntegrationsdichte möglich.Weiterhin könnenauch sehr großeMembranen mit hoher Stabilitätausgebildet werden. Da die Ausbildung der Poren und ihrer Porenwandschichtengrundsätzlichbeliebig gestaltet werden kann, können entsprechend Membranenin gewünschterGröße und Erstreckung undmit gewünschtenmechanischen Eigenschaften hergestellt werden.
[0014] DieErfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungenan einer Ausführungsform näher erläutert. DieFiguren zeigen das erfindungsgemäße Verfahrenzur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelementes:
[0015] 1 denProzessschritt der Ausbildung und Strukturierung einer ersten Maskenschichtauf einem Substrat;
[0016] 2 einennachfolgenden Prozessschritt der Ausbildung von vertikalen Makroporenin dem Substrat;
[0017] 3 einennachfolgenden Prozessschritt der Oxidation der Porenwandschichten;
[0018] 4 einennachfolgenden Prozessschritt der Ausbildung und Struk turierung einerzweiten Maskenschicht und des Gasphasenätzens eines Freiraums;
[0019] 5 eineDraufsicht auf den Wafer zur Darstellung der Positionen der Öffnungender beiden Maskenschichten;
[0020] 6 dasdurch nachfolgendes Abscheiden einer Abdeckschicht gebildete erfindungsgemäße Bauelement.
[0021] Aufeinem Substrat 1, vorteilhafterweise einem Wafer 1 ausz. B. n-dotiertemSilizium, wird gemäß 1 ineinem ersten Prozessschritt eine Siliziumnitrid (Si3N4)-Schicht 2 ausgebildet;sie kann abgeschieden oder grundsätzlich auch durch Nitridierungdes Substrates 1 ausgebildet werden. Sie wird derartigstrukturiert, dass eine Gitterstruktur aus z.B. kreisförmigen oderrechteckigen ersten Öffnungen 3 ausgebildetwird.
[0022] Ineinem nächstenProzessschritt werden durch fotounterstütztes elektrochemisches Ätzen in einemverdünntenFlusssäureelektrolyten(1 bis 15 Gewichts-% Fluorwasserstoff (HF) mit einem Netzmittelaus z.B. Ethanol- oder Isopropanolanteil) Makroporen 4 ausgebildet,die sich im Wesentlichen vertikal in das Substrat 1 miteiner Tiefe um etwa 100 μm erstrecken;dies kann gemäß den inJournal of Electrochemical Society, Vol. 140 (1993), S. 2836 bis 2843oder Thin Solid Films, Vol. 297 (1997) S. 13 bis 17 beschriebenenVerfahren erfolgen. Durch eine gezielte Prozessführung, bei der die elektrischeStromdichte angepasst wird, werden die Makroporen 4 bauchförmig, d.h.mit einer Ausbauchung 12 ausgebildet, in der sie einengrößeren Querschnittals in weiter oben oder unten liegenden Bereichen aufweisen. DieStärkedieser Ausbauchung 12 kann exakt eingestellt werden, dabei dem elektrochemischen Ätzeneine hohe Stromdichte einen großenPorendurchmesser und eine kleine Stromdichte einen kleinen Porendurchmesserzur Folge hat. Die Tiefe der Makroporen 4 kann z. B. indem Bereich von 50 μm bis 300 μm liegen.Währenddieses Prozesses wird gleichzeitig die erste Maskenschicht 2 ausSi3N4 angegriffen und etwas abgedünnt.
[0023] Nachfolgenderfolgt gemäß 3 einethermische Oxidation der Makroporen 4. Hierbei verhindertdie erste Maskenschicht 2 eine weitere Oxidation der Oberfläche desSubstrates 1, so dass lediglich die Porenwandschichten 5 derMakroporen 4 im Substrat 1 als SiO2-Schichtausgebildet werden. Aufgrund der Volumenvergrößerung bei der Oxidation dehnensich die SiO2-Porenwandschichten 5 zum Teilin das Porenvolumen der Makroporen 4 aus. Durch gezielteAbstimmung der ersten Öffnungen 3 undder Dicke der thermischen SiO2- Porenwandschichten 5 wirderreicht, dass sich die Makroporen 4 – wie in 3 gezeigt – durchdie Oxidation vollständigschließen,d. h. die jeweilige SiO2-Porenwandschicht 5 umgibtdie betreffende Makropore 4 vollständig und verschließt die jeweiligeerste Öffnung 3.
[0024] Nachfolgendwerden gemäß 4 eine zweiteMaskenschicht 6 auf der ersten Maskenschicht 2 aufgetragenund zweite Öffnungen 7 inder zweiten Maskenschicht 6 und der darunter liegenden erstenMaskenschicht 2 strukturiert. Die zweiten Öffnungen 7 sindhierbei gemäß der Draufsichtder 5 in einer zweiten Gitterstruktur angeordnet,die gegenüberder ersten Gitterstruktur der ersten Öffnungen 3 versetztist, so dass jede zweite Öffnung 7 jeweilszwischen ersten Öffnungen 3 angeordnetist.
[0025] Nachfolgendwerden die Silizium-Bereiche des Substrates 1 zwischenden SiO2-Porenwandschichten 5 durchGasphasenätzenmittels eines Silizium-selektiv ätzendem Ätzgases,z. B. CIF3, entfernt. Gemäß 5 wirdsomit ein Freiraum 8 in dem Silizium-Substrat 1 zwischenden SiO2- Porenwandschichten 5 ausgebildet.Vorteilhafterweise erstreckt sich der Freiraum 8 nichtganz bis zu dem unteren Ende der zapfenförmigen SiO2-Porenwandschichten 5, so dass diese an ihrem unteren Endeweiterhin im Substrat 1 verankert sind. Dieser Ätzprozessbietet sehr hohe Ätzratenund ist sehr se lektiv bezüglichSilizium, ohne dass die Maskenschichten 2, 6 ausSiliziumnitrid und die SiO2-Porenwandschichten 5 angegriffenwerden. Alternativ zu CIF3 können auchandere Silizium-selektiv ätzenden Ätzgase,z. B. XeF2, verwendet werden.
[0026] Gemäß 6 wirdin einem nachfolgenden Prozessschritt eine Abdeckschicht 9 ausz. B. Si3N4 oder einem anderen Material auf die zweite Maskenschicht 6 aufgetragen,so dass sie die zweiten Öffnungen 7 verschließt.
[0027] Nachfolgendkönneneinzelne Bauelemente 10 durch Vereinzeln, d. h. Zersägen desWafers, hergestellt werden. Jedes Bauelement 10 weist somit auf: einSubstrat 1 aus Silizium; die erste Maskenschicht 2,die zweite Maskenschicht 6 und die Abdeckschicht 9,wobei diese drei Schichten in lateral äußeren Bereichen auf dem Substrat 1 ausgebildetsind und in einem lateral mittleren Bereich die Membran 11 bilden,unterhalb von der ein Freiraum 8 in dem Substrat 1 ausgebildetist, der nach unten und zu den Seiten hin von dem Substrat 1 umgebenist; weiterhin die zapfenförmigenSiO2- Porenwandschichten 5, diejeweils eine Makropore 4 umgeben, an ihrem oberen Endedie Mebran 11 stützenund an ihrem unteren Ende in dem Substrat 1 verankert sind. DieMembran 11 ist hierbei seitlich neben dem Freiraum 8 verankertund wird zusätzlichvon den SiO2- Porenwandschichten 5 getragen.
权利要求:
Claims (19)
[1] Mikrostrukturiertes Bauelement, dass mindestensaufweist: ein Substrat (1), eine Membran (11), einenunterhalb der Membran (11) in dem Substrat (1)ausgebildeten Freiraum (8), und mindestens eine imWesentlichen vertikal durch den Freiraum (8) verlaufende,eine Makropore (4) umgebende Porenwandschicht (5),die an ihrem unteren Ende in dem Substrat (1) aufgenommenist und an ihrem oberen Ende die Membran (11) stützt.
[2] Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die mindestens eine Porenwandschicht (5) aus einemOxid oder Nitrid des Substratmaterials des Substrates (1)gebildet ist.
[3] Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass die Makropore (4) eine vertikale Länge von mindestens 10 μm aufweist.
[4] Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Porenwandschicht (5) in ihremmittleren Bereich eine Ausbauchung (12) mit einem größeren Querschnittals weiter oben oder weiter unten liegende Bereiche der Porenwandschicht(5) aufweist.
[5] Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Porenwandschicht (5) und die vonder Porenwandschicht (5) eingeschlossene Makropore (4)eine rotationssymmetrische, länglicheForm aufweisen.
[6] Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Membran (11) eine erste Maskenschicht(2), eine auf der erste Maskenschicht (2) aufgebrachtezweite Maskenschicht (6) und eine Öffnungen (7) in denMaskenschichten (2, 6) schließende Abdeckschicht (9) aufweist.
[7] Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass in dem Freiraum (8) mehrere zu einanderbeabstandete Porenwandschichten (5) vorgesehen sind.
[8] Verfahren zum Herstellen eines mikrostrukturiertenBauelementes, mit mindestens folgenden Schritten: Ausbildenund Strukturieren einer ersten Maskenschicht (2) mit ersten Öffnungen(3) auf einem Substrat (1), Ätzen vonMakroporen (4) in dem Substrat (1) durch die ersten Öffnungen(3), Ausbilden von Porenwandschichten (5)in dem Substrat (1) um die Makroporen (4) herum, Ausbildeneiner zweiten Maskenschicht (6) auf der ersten Maskenschicht(2) und Strukturieren von zweiten Öffnungen (7), diesich durch die erste Maskenschicht (2) und die zweite Maskenschicht(6) bis zu dem Substrat (1) erstrecken und gegenüber denersten Öffnungen(3) lateral versetzt sind, Gasphasenätzen einesFreiraums (8) in dem Substrat (1) durch die zweiten Öffnungen(7) mit einem die Porenwandschichten (5) nicht ätzenden Ätzgas (CIF3) derartig, dass der Freiraum (8)zumindest eine Porenwandschicht (5) in zumindest derenoberem Bereich umgibt.
[9] Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,dass der Freiraum (8) derartig geätzt wird, dass untere Endbereicheder Porenwandschichten (5) in dem Substrat (1)verbleiben.
[10] Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,dass die Porenwandschichten (5) durch Oxidation oder Nitridierungdes die Poren (4) umgebenden Substratmaterials des Substrates(1) ausgebildet werden.
[11] Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet,dass die Porenwandschichten (5) derartig ausgebildet werden,dass sie die Poren (4) an deren oberen Enden verschließen.
[12] Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,dass die Porenwandschichten (5) derartig ausgebildet werden,dass sie die ersten Öffnungen(3) verschließen.
[13] Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet,dass die Makroporen (4) eine laterale Ausbauchung (12)aufweisen.
[14] Verfahren nach einem der Anspruch 8 bis 13, dadurchgekennzeichnet, dass die Makroporen (4) durch fotounterstütztes elektrochemisches Ätzen ausgebildetwerden.
[15] Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,dass das fotounterstützteelektrochemische Ätzenin einem verdünntenFlusssäureelektrolytdurchgeführtwird.
[16] Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet,dass die ersten Öffnungen(3) in einer ersten Gitterstruktur und die zweiten Öffnungen(7) in einer gegenüberder ersten Gitterstruktur lateral versetzten zweiten Gitterstrukturausgebildet werden.
[17] Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet,dass jede zweite Öffnung(7) in lateraler Richtung zwischen mehreren ersten Öffnungen(3) angeordnet ist.
[18] Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet,dass das Substrat (1) aus Silizium besteht und ein Siliziumselektiv ätzendes,die Porenwandschichten (5) und Maskenschichten (2, 6)nicht ätzendes Ätzgas durchdie zweiten Öffnungen(7) zugeführtwird.
[19] Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet,dass als Substrat (1) ein Wafer verwendet wird und nachAuftragen der Abdeckschicht (9) einzelne Bauelemente (10)aus dem Wafer durch Vereinzeln abgetrennt werden.
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同族专利:
公开号 | 公开日
DE102004024285B4|2014-05-15|
引用文献:
公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
法律状态:
2011-04-28| R012| Request for examination validly filed|Effective date: 20110208 |
2011-04-28| 8110| Request for examination paragraph 44|
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