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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung, einem mikromechanischen Sensor und einem Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche.
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Es ist beispielsweise aus der
DE 102 10 335 A1 oder aus der
DE 42 15 722 A1 ein Membransensor bekannt, bei dem durch Abscheidung der Membranmaterialien, beispielsweise aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Polysilizium oder aus Metallen auf einem Siliziumwafer und anschließende lokale nass- oder trockenchemische Ätzung des Siliziums von der Rückseite bis zur Membran ein Sensor zur Erfassung einer Zustandsgröße eines Fluids hergestellt wird, bei dem die Membran in Kontakt mit dem Fluid vorgesehen ist.
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Bei diesen Sensortypen mit einem direkten Medienkontakt, wie den eingangs erwähnten Luftmassesensoren oder Luftgütesensoren, ist die Membran mit einer Dicke im Mikrometerbereich und lateralen Dimensionen von einigen hundert Mikrometern bis zu mehreren Millimetern direkt dem strömenden Fluid, also z. B. dem Medium Luft, ausgesetzt, so dass trotz der Verwendung von Filtern Partikel, wie z. B. Staub, zur Beschädigung der Membran führen können. Die Stabilität der Membranen gegen Partikelbeschuss wird durch die statistische Lebensdauer in einer Luftströmung mit einer definierten Staubmenge bestimmt. Dabei ließe sich zwar eine Erhöhung der Stabilität durch Erhöhung der Membrandicke erreichen, jedoch führt eine Erhöhung der Dicke zur Zunahme der Wärmeleitfähigkeit und damit zur Verschlechterung der Funktionalität des Sensors. Die in der Regel vorhandene Vorspannung der Membran kann nicht ausreichend abgesenkt werden, da die Membran unter allen Betriebsbedingungen im Zugspannungsbereich bleiben muss, um ein Aufwölben zu verhindern. Beim Stand der Technik ist die Sicherstellung der Stabilität der Membran, beispielsweise gegenüber Überdruck oder gegenüber einem direkten Beschuss mit Partikeln, was z. B. im Ansaugkanal eines Motors vorkommen kann, eine große Herausforderung. Bedingt durch das Freilegen der Membranen durch Ätzen von Silizium von der Rückseite des Wafers, entstehen beim Übergang vom Volumen-Silizium auf die Membranrückseite steile Silizium-Kanten, welche die Einspannung der Membran definieren. Diese steilen Kanten bewirken, dass die hochflexible Membran an einem unflexiblen, starren Rand verankert ist. Diese Unflexibilität der Aufhängung führt bei mechanischer Belastung, z. B. durch einen Druckstoß oder Einschläge von kleinen Teilchen an den Membranrändern, zu einem ungünstigen Abknicken der Membran und im Extremfall zur Beschädigung und zum Ausfall des ganzen Bauelements.
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Aus der Schrift
US 2002/0023487 A1 ist ein Massenflusssensor bekannt, bei dem ein Heizelement auf einer Membran erzeugt werden. Zur Fixierung der Membran auf dem Substrat werden am Membranrand von der Unterseite keilförmige Elemente vorgesehen, die die Membran am Substrat stabilisieren.
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Aus der Schrift
US 2003/0160538 A1 ist ein Halbleiteraktuator bekannt, bei dem ein bewegliches Element mittels flexibler Randbereiche oberhalb einer Hohlraums angeordnet ist. Die flexiblen Randbereiche sind dabei über thermische Isolationsbereiche mit dem den Hohlraum einschließenden Substrat verbunden.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung, das Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung und der mikromechanische Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass die Membran eine erheblich größere Stabilität bei vorausgesetzten gleichen sonstigen Bedingungen wie thermische Leitfähigkeit der Membran und dergleichen gegenüber den Membransensoren des Standes der Technik aufweist. Es ist hierdurch möglich, mikromechanische Vorrichtungen bzw. einen mikromechanischen Sensor, insbesondere Luftmassensensor, Luftgütesensor oder CO2-Sensor, mit einer vergrößerten Lebensdauer herzustellen, was von großem Vorteil ist. Besonders bevorzugt ist, dass die Membran im wesentlichen aus einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten, insbesondere eine aus Halbleiteroxid- und Halbleiternitrid bestehenden Schichtenfolge, aufgebaut ist, was den besonderen Vorteil einer geringen thermischen Leitfähigkeit der Membran bewirkt, wodurch bei gleicher vorausgesetzter thermischer Leitfähigkeit die Membran vergleichsweise dick und damit mechanisch stabil und mit einer großen Lebensdauer ausgestattet werden kann. Es ist ferner bevorzugt, dass die Verstärkungsschicht im wesentlichen aus vergleichsweise duktilem Material, insbesondere Metall, vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, mit einem besonders einfachen Herstellungsverfahren die Verstärkungsschicht in die erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung zu integrieren, so dass das Herstellungsverfahren erfindungsgemäß besonders einfach und kostengünstig ist. Ferner ist bevorzugt, dass eine Änderung der Dicke der Verstärkungsschicht im Bereich des Membranrands im Vergleich zur Dicke der Membran allmählich vorgesehen ist, was bedeutet, dass der Übergangsbereich von „keiner Verstärkungsschicht” auf die volle Dicke der Verstärkungsschicht in einem Bereich erfolgt, der jedenfalls nicht deutlich kleiner ist als die Dicke der Membran, sondern der erfindungsgemäß im Bereich der Membrandicke liegt oder sogar deutlich größer sein kann als die Membrandicke.
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Weitere Gegenstände der vorliegenden Erfindung sind ein mikromechanischer Sensor mit einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Vorrichtung, wobei ein solcher Sensor insbesondere als Luftmassesensor, Luftgütesensor oder CO2-Sensor vorgesehen ist. Weiterhin ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Vorrichtung, wobei besonders bevorzugt ist, dass zur Realisierung eines vergrößerten Übergangsradius zwischen dem Membranmaterial und dem Substratmaterial eine isotrope Ätzung des Substratmaterials durchgeführt wird. Besonders bevorzugt ist ferner, dass zur Herstellung der Verstärkungsschicht diese zunächst ganzflächig aufgebracht und anschließend wenigstens im Inneren der Membran im wesentlichen gemäß dem in der Halbleiter-Mikroelektronik bekannten LOCOS-Prozess (local oxidation of silicon) umgewandelt und entfernt wird, insbesondere mittels eines thermischen Schrittes oxidiert und das Oxid entfernt wird. Mit diesen Maßnahmen ist es mit besonders einfachen Mitteln und damit herstellungstechnisch kostengünstig möglich, sowohl einen vergrößerten Übergangsradius durch die isotrope Ätzung zu erreichen, als auch eine im Vergleich zur Dicke der Membran allmählichen Übergang von der vollen Dicke der Verstärkungsschicht auf einen Bereich der Membran, in dem die Verstärkungsschicht nicht mehr vorhanden ist, zu erzielen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1 einen Querschnitt einer mikromechanischen Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik nach der Erzeugung der Membran durch einen anisotropen Ätzschritt,
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2 die Vorrichtung gemäß 1 bei mechanischer Belastung,
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3 den Querschnitt durch eine erfindungsgemäße mikromechanische Struktur gemäß einer ersten Ausführungsform nach dem abschließenden isotropen Ätzschritt,
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4 die Vorrichtung gemäß 3 bei mechanischer Belastung,
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5 den Membranrandbereich einer mikromechanischen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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6 eine Vorläuferstruktur der Vorrichtung gemäß 5,
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7 und 8 mikromechanische Strukturen gemäß einer dritten und vierten Ausführungsform der Erfindung.
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In den
1 und
2 ist eine Vorläuferstruktur gemäß dem Stand der Technik abgebildet, wobei in an sich bekannter Weise auf einem Substrat
10 eine Membran
20 erzeugt wird, wobei die Membran
20 aus einer Mehrzahl von in den
1 und
2 lediglich angedeuteten Schichten, insbesondere dielektrischen Schichten, besteht, wobei eine zur Freilegung der Membran
20 in das Substratmaterial
10, insbesondere von der Rückseite des Substratmaterials
10, eingebrachte Kaverne
11 mittels eines nasschemischen Ätzverfahrens hergestellt wird. Ein solches Ätzverfahren ist aus den hiermit als Referenz eingeführten Schriften
DE 42 15 722 A1 bzw.
DE 102 10 335 A1 bekannt. Bei einem solchen Ätzverfahren ergeben sich auf der dem Substratmaterial
10 zugewandten Seite der Membran
20 Flanken
12 mit einer charakteristischen Neigung von 54° gegenüber der Membran
20. An der in den
1 und
2 mit einem Pfeil und einem Kreis bezeichneten Übergangsbereich zwischen dem Substratmaterial
10 und der Membran
20 gibt es hierbei einen vergleichsweisen spitzen Winkel, d. h. vergleichsweise kleine Übergangsradien zwischen der Membran
20 und dem Substratmaterial
10. An dieser Stelle können Kerbwirkungen zu einem Verschleiß führen, der sich auf die Lebensdauer der Membran
20 und damit des gesamten Sensors bzw. der gesamten mikromechanischen Vorrichtung
1 nachteilig auswirkt. Ein solcher mechanischer Stress ist in der
2 mittels eines Pfeils in der Mitte der Membran
20 angedeutet. Ebenso ist in der
2 die Reaktion der Membran
20 auf den mechanischen Stress angedeutet, nämlich mit einem Abknicken der vergleichsweise leicht auslenkbaren Membran
20 in ihrem Randbereich
30.
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In den 3 und 4 ist eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt, bei der nach dem in den 1 und 2 dargestellten anisotropen Ätzschritt ein nachfolgender isotroper Ätzschritt erfolgt ist, was zu einer Abrundung des Übergangsbereichs zwischen der Membran 20 und dem Substratmaterial 10 führt. Bei einem in 4 angedeuteten mechanischen Stress (Pfeil in der Mitte der Membran 20) kommt es im Bereich des Membranrandes 30 erfindungsgemäß nicht zu einem Knick, sondern zu einem allmählichen Übergang bzw. zu einer allmählichen Krümmung der Membran, so dass lokale Spannungsspitzen und damit lokale Ermüdungserscheinungen bei lang andauerndem Betrieb bzw. Gebrauch der Membran vermieden werden bzw. ein solcher Verschleiß hinausgezögert wird.
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Als Substratmaterial
10 kommt erfindungsgemäß insbesondere ein Halbleitermaterial, besonders bevorzugt Silizium, in Frage, und als Membranmaterial
20 kommt erfindungsgemäß eine dielektrische Membran bzw. eine Membran
20 aus dielektrischen Materialschichten in Frage. Diese haben den Vorteil einer sehr geringen thermischen Leitfähigkeit, was für die erfindungsgemäß bevorzugten Anwendungen wie Luftmassensensoren, Luftgütesensoren und dergleichen von besonderem Vorteil ist. Die
1 bis
4 sind lediglich schematisch zu verstehen, wobei auf die Darstellung sämtlicher Sensorbereiche, die beispielsweise als Widerstände einer Temperatursensierung auf der Membran bzw. als Heizelemente auf der Membran vorgesehen sind, entsprechend verzichtet wurde. Solche Sensorbereiche bzw. Sensorelemente sind erfindungsgemäß auf der dem Substratmaterial
10 abgewandten Seite der Membran
20 auf dieser aufgebracht. Im Hinblick auf weitere Details der erfindungsgemäßen mikromechanischen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der mikromechanischen Vorrichtung wird auf die Offenbarungen der bereits zitierten Schriften
DE 102 10 335 A1 bzw.
DE 42 15 722 A1 verwiesen, verwiesen, die hiermit als Referenz eingeführt werden.
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In den 5 und 6 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Vorrichtung 1 dargestellt, wobei der Einfachheit halber lediglich einer der lateralen Membranränder 30 der Membran 20 zusammen mit einem Teil des Substratmaterials 10 dargestellt ist. In 6 ist eine Vorläuferstruktur der in der 5 dargestellten zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Vorrichtung 1 dargestellt. Der Aufbau von Membransensoren in der Technologie der Siliziummikromechanik beruht im Allgemeinen auf einer definierten Abfolge von dielektrischen Schichten, z. B. Siliziumoxid oder Siliziumnitrid. Optional kann bei der Herstellung der Membran 20 auch Silizium und optional Materialien zur Widerstandsmessung, wie z. B. Platin, Nickel, Polysilizium oder dergleichen, Verwendung finden. Die Schichtenabfolge in der Membran ist zum einen bestimmt durch die Anforderung des Produkts, beispielsweise bezüglich der Wärmeleitfähigkeit oder der Wärmekapazität, und zum anderen durch die Anforderung an die mechanische Stabilität der Membran 20. Erfindungsgemäß soll die Stabilität von Membranen 20 gegenüber bekannten Membransensoren gegenüber sowohl statischer als auch dynamischer Belastung der Membran 20 erhöht werden.
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Bei der zweiten Ausführungsform der mikromechanischen Vorrichtung 1, wie sie in 5 abgebildet ist, umfasst die Membran 20 beispielhaft eine Abfolge aus einer ersten Schicht 21 aus Siliziumnitrid, einer zweiten Schicht 22 aus Siliziumoxid, einer dritten Schicht 23 aus Siliziumnitrid und einer vierten Schicht 24 aus Siliziumoxid. Im Randbereich 30 der Membran 20 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist es nun gemäß der zweiten Ausführungsform vorgesehen, dass zwischen der ersten Schicht 21 und der zweiten Schicht 22 eine Verstärkungsschicht 31 eingeführt ist, die erfindungsgemäß insbesondere aus Polysilizium besteht. Selbstverständlich ist es erfindungsgemäß möglich, dass die Schichten 21 bis 24 aus anderen Materialien bestehen bzw. dass anstelle von vier Schichten lediglich drei Schichten vorgesehen sind bzw. dass die Verstärkungsschicht 31 nicht zwischen der ersten und zweiten Schicht 21, 22, sondern zwischen der zweiten und dritten 22, 23 oder zwischen der dritten und vierten Schicht 23, 24 oder sowohl zwischen der zweiten und dritten als auch zwischen der dritten und vierten Schicht angeordnet ist.
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In 6 ist die Vorläuferstruktur zur Herstellung der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt. Auf die erste Schicht 21 wird ganzflächig die Verstärkungsschicht 31 beispielhaft in Polysilizium aufgebracht. Anschließend wird eine Maskierungsschicht 26 aufgebracht, die lediglich den Randbereich 30 der Membran 20 abdeckt. In einem nachfolgenden thermischen Schritt wird der nicht von der Maskenschicht 26 abgedeckte Bereich der Verstärkungsschicht 31, beispielsweise thermisch oxidiert (beispielsweise mittels des sogenannten LOCOS-Prozesses). Anschließend wird mittels Ätzverfahren sowohl die Maskierungsschicht 26, die beispielsweise aus Siliziumnitrid besteht, als auch der oxidierte Bereich 27 bzw. das Oxid 27 weggeätzt, so dass auf der ersten Schicht 21 der Membran 20 lediglich noch die Verstärkungsschicht 31 verbleibt, worauf die zweite, dritte und vierte Schicht 22, 23, 24 der Membran 20 abgeschieden werden kann. Hierbei bildet der oxidierte Bereich 27 in der in 6 abgebildeten Vorläuferstruktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 einen sogenannten inversen Vogelschnabel (vgl. den Pfeil mit dem Bezugszeichen S in der 6), wodurch ein allmählicher Übergangsbereich 33 gebildet wird, in welchem die Dicke der Verstärkungsschicht 31 von ihrer maximalen Dicke 32 auf null zurückgeht. Dieser Übergangsbereich 33 weist erfindungsgemäß eine Ausdehnung in lateraler, d. h. in Richtung der Ebene der Membran 20 verlaufenden, Richtung auf, die zumindest nicht wesentlich geringer als die Dicke der Membran 20 ist. Der Übergangsbereich 33 entspricht daher zumindest einem Drittel der Membrandicke, bevorzugt jedoch wenigstens die Membrandicke oder sogar ein Vielfaches der Membrandicke. Hierdurch kommt es im Bereich der Verstärkungsschicht 31 nicht zu abrupten Dickenänderungen des Materials, so dass sich mechanischer Stress, der im Randbereich 30 in die Membran 20 eingekoppelt wird, über einen größeren lateralen Bereich der Membran 20 verteilt und somit die Lebensdauer der Membran 20 erhöht.
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In den 7 und 8 ist eine dritte Ausführungsform bzw. eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Vorrichtung 1 dargestellt, wobei wiederum auf dem Substratmaterial 10 die Membran 20 vorgesehen ist, wobei die Membran 20 eine Funktionsschicht 25 aufweist ist, in welcher sich die Sensorbereiche des Membransensors, d. h. beispielsweise die Heizelemente oder die Temperatursensoren oder dergleichen, befinden. Die Funktionsschicht 25 ist oberhalb einer mit dem Bezugszeichen 29 versehenen sogenannten ONO-Schicht (Oxid-Nitrid-Oxid-Schicht), beispielsweise einer Kombination aus mehreren Schichten ähnlich der zweiten, dritten und vierten Schicht 22, 23, 24 vorgesehen, wobei die ONO-Schicht Teil der Membran 20 ist.
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Auf der Funktionsschicht 25 der Membran 20 ist bei der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 (7) eine Passivierungsschicht 34 und die Verstärkungsschicht 31 im Bereich des Membranrandes 30 vorgesehen, woran sich eine Deckschicht 36 der Membran 20, insbesondere aus Siliziumoxid, anschließt.
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In der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die in 8 dargestellt ist, ist auf der Funktionsschicht 25 zunächst die Deckschicht 36, vorzugsweise aus Siliziumoxid, angeordnet und sodann im Randbereich 30 der Membran 20 die Verstärkungsschicht 31 und lokal darüber die Passivierungsschicht 34 angeordnet.
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Bei der Verstärkungsschicht 31 der dritten und vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich erfindungsgemäß insbesondere um ein Metall, bevorzugt um Aluminium, die Randverstärkungen im Bereich des Membranrandes 30 realisiert. In diesen Ausführungsformen der Verstärkungsschicht 31 ist es möglich, abruptere Übergänge der Dicke 32 der Verstärkungsschicht 31 (als bei der zweiten Ausführungsform) zu akzeptieren, weil die vergleichsweise große Duktilität des Materials der Verstärkungsschicht 31, insbesondere Metall, dafür sorgt, dass Spannungen im Bereich des Membranrandes 30, die durch auftreffende Fluidpartikel hervorgerufen werden, weitgehend abgefedert werden.
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Ein nachfolgender isotroper Ätzschritt kann weiterhin dafür sorgen, dass im Bereich des Übergangs zwischen dem Substratmaterial 10 und der Membran 20 die Übergangsradien 35 vergrößert werden.
