DE69619899T2

DE69619899T2 - Herstellungsverfahren für Elemente von schwimmenden, starren Mikrostrukturen und Vorrichtung, die mit solchen Elementen ausgerüstet ist

Info

Publication number: DE69619899T2
Application number: DE69619899T
Authority: DE
Inventors: Michel Vilain
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1995-07-13
Filing date: 1996-07-11
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2016-07-12
Also published as: US5930594A; EP0753671A1; FR2736654A1; DE69619899D1; US5949119A; EP0753671B1; JPH0943061A; FR2736654B1

Description

Gebiet der Technik

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren von schwimmenden bzw. frei beweglichen Mikrostrukturelementen und auf eine mit solchen Elementen ausgestattete Vorrichtung.
Unter "schwimmender" bzw. frei beweglicher Mikrostruktur versteht man einen Teil einer mikromechanischen Vorrichtung, die aufgehängt oder frei in Bezug auf ein Substrat bzw. einen Träger sind. Übrigens bezeichnet man als Mikrostrukturelement entweder die Gesamtheit der Mikrostruktur oder nur einen Teil der Mikrostruktur, wie zum Beispiel Aufhängungsträger (poutres de suspension) die sie mit dem Substrat verbinden.
Die Erfindung kommt allgemein auf dem Gebiet der Herstellung von mikromechanischen Vorrichtungen, die auf den Substraten bearbeitet werden, wie zum Beispiel Mikromotoren, Mikromaschinen, Messfühler und insbesondere Mikro-Bolometer bzw. Strahlenmesser, zur Anwendung.

Stand der Technik

Die Mikrostrukturen werden für gewöhnlich durch Lithographie- und Gravur- bzw. Atztechniken hergestellt, die eine Formgebung einer Materialschicht oder einer Aufeinanderschichtung von Schichten, welche den Körper der Mikrostruktur bildet/bilden, ermöglichen.
Die Herstellung von Mikrostrukturen und allgemeiner von mikromechanischen Vorrichtungen umfasst, andeutungsweise und in vereinfachter Form ausgedrückt, zunächst die Herstellung einer Schichtung, in der/dem die Mikrostruktur bearbeitet wird. Diese Schichtung umfasst eine erste Trägerschicht, auf der eine Opfermaterialschicht organischer oder mineralischer Natur abgelagert oder aufgebaut wird. Danach wird/werden auf der Opferschicht eine oder mehrere Schichten ausgebildet, im Allgemeinen dünne Schichten, in denen der Körper der Mikrostruktur gebildet wird.
Die Form der Mikrostruktur wird in diesen Schichten durch die bereits erwähnten Lithographie- und Ätztechniken festgelegt. Schließlich ermöglicht die totale oder partielle Beseitigung des Opfermaterials die totale oder partielle Freilegung der hergestellte(n) Mikrostruktur(en).
Je nach der Gestaltung der Lithographiemasken, die für die Formgebung der Mikrostrukturen verwendet werden, können die Mikrostrukturelemente gänzlich "frei" sein, wie zum Beispiel die Rotoren von Mikromotoren, oder auf mehr oder minder starre Art und Weise von Membranen oder Aussparungen, die zu diesem Zweck vorgesehen sind, getragen sein.
Ein gutes Beispiel für die Mikrostrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung ist das der Mikro-Bolometer bzw. Strahlenmesser. Ein Mikro-Bolometer nach dem Stand der Technik ist im Dokument US-A-4 116 063 beschrieben. Fig. 1 stellt schematisch die Hauptbestandteile eines solchen Mikro- Bolometers dar. Dieses umfasst eine zentrale Zone 10, die mit einem strahlenempfindlichen Material versehen ist, das ein elektrisches Signal in Reaktion auf die Erfassung einer Strahlung erzeugen kann. Das Signal variiert mit der Temperatur der zentralen Zone 10, die selbst von der Absorption der Belichtungsenergie, die sie über optische Mittel (nicht dargestellt) empfängt, abhängig ist. Eine detailliertere Beschreibung der Funktionsweise und der Struktur der zentralen, sensiblen Zone 10 eines Bolometers wird beispielsweise von den Dokumenten 1 und 2 gegeben, die am Ende der vorliegenden Beschreibung aufgeführt sind.
Die zentrale Zone 10 des Mikro-Bolometers ist mit starren bzw. steifen mechanischen Halterungen 12 über Aufhängungsträger 14 verbunden. Die mechanischen Halterungen 12 sind einstückig mit dem Halterungssubstrat, das in Fig. 1 aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt ist, verbunden.
Die Aufhängungsträger haben für gewöhnlich mehrere Funktionen.
Eine erste mechanische Funktion besteht darin, die zentrale Zone 10 aufgehängt über dem Halterungssubstrat zu halten, um jeglichen direkten mechanischen Kontakt zwischen diesen Teilen zu vermeiden, der einen Verlust von Wärmeenergie hervorrufen könnte.
Zur Rolle des mechanischen Haltens der zentralen Zone 10, die durch die Träger 14 erfolgt, kommt die der präzisen Positionierung der zentralen Zone 10 in Bezug auf das Substrat hinzu. Insbesondere muss zur Verbesserung der optischen Absorptionsleistung der zentralen Zone des Bolometers die Beabstandung zwischen dieser Zone und der Oberfläche des darunter liegenden Halterungssubstrats gesteuert werden.
Eine weitere Funktion der Träger besteht darin, elektrische Verbindungen bereitzustellen, um das von den aktiven Bestandteilen der zentralen Zone 10 erzeugte elektrische Signal an periphere Lese- und Messschaltungen zu übertragen, die beispielsweise auf demselben Halterungssubstrat ausgebildet sind (nicht dargestellt).
Eine weitere Funktion oder Eigenschaft der Aufhängungsträger besteht darin, Wärmeisolatoren zwischen der zentralen Zone 10 und den mit dem Substrat einstückigen mechanischen Halterungen 12 zu bilden. Die Träger 14 müssen nämlich einen maximalen thermischen Widerstand zwischen ihren Enden 16 und 18 aufweisen, die jeweils in Kontakt mit der Zone 10 und den mit dem Substrat isothermen Halterungen 12 stehen.
Die Wärmeisolierung der zentralen Zone 10 in Bezug auf die Halterungen 12 ist unerlässlich, um deren thermische Exkursion bzw. Abweichung unter der Wirkung der Beleuchtung zu maximieren, und um zu vermeiden, dass die Wärmeenergie nicht zum Substrat hin diffundiert, das eine hinsichtlich der zentralen Zone 10 quasi unendliche thermische Masse bildet.
Gemäß der schematischen Darstellung der Fig. 1 bilden die Träger 14 nach dem Stand der Technik einfache rechteckige oder trapezförmige Abschnitte einer Dicke e und einer Breite l. Ein Schnitt II-II quer durch den Träger 14 ist in verrößertem Maßstab in Fig. 2 dargestellt, wobei diese Abmessungen präzisiert sind.
Die Träger, die selbst als "schwimmende" bzw. frei bewegliche Mikrostrukturelemente angesehen werden können, umfassen eine oder mehrere aufeinandergeschichtete Materialschichten. Ihr thermischer Widerstand Rth kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden: Rth = L/λeq·l·e), wobei λeq die Leitfähigkeit ist, die äquivalent zur Gesamtheit der verschiedenen Schichten mit ihren jeweiligen Breiten und Dicken längs der Träger, und L die Länge der Träger ist.
Um den thermischen Widerstand der Träger zu erhöhen, sind im Rahmen des Möglichen Materialien mit einer minimalen thermischen Leitfähigkeit λ zu wählen, um die Dicke e und die Breite l zu minimieren, unabhängig von der Detailgestaltung des Trägers, und die Länge L zu maximieren.
Diese mechanischen Zwänge resultieren in einer Verschlechterung der Robustheit der Mikro-Bolometer.
Die fehlende Robustheit macht sich im Wesentlichen durch eine gesteigerte Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen mechanischen Aggressionen bemerkbar, welche die Struktur während oder nach den letzten Herstellungsschritten erfahren kann, und insbesondere nach der Freilegung der schwimmenden bzw. frei beweglichen Teile durch Ätzen der Opferschicht. Die verminderte Robustheit macht sich auch durch einen geringeren Widerstand der Strukturen gegenüber Beschleunigungen und Erschütterungen bemerkbar.
Die Robustheitsmängel führen zu einer Verringerung der Fabrikationsleistung und damit zu höheren Kosten der Vorrichtungen des Bolometers und einer Begrenzung ihrer Leistungen hinsichtlich des Rauschverhältnisses und hinsichtlich der Lebensdauer.
Übrigens ist es bei der Herstellung der aufgehängten Mikrostrukturen oft nötig, mit einer definierten Präzision die geometrische Position der verschiedenen frei beweglichen Elemente in Beziehung aufeinander zu steuern. Die Steuerung setzt während der Herstellungsvorgänge die Kenntnis des Zustands der von den die Mikrostruktur bildenden Materialschichten erfahrenen Belastungen voraus.
Insbesondere besteht das Risiko, wenn eine Mikrostruktur in einer aus mehreren aus verschiedenen Materialien gebildeten Schichtung bearbeitet wird, dass eine Erwärmung der Struktur einen Bimetallstreifen-Effekt erzeugt, der zu Verformungen, Wölbungen bzw. Verwerfungen oder einem mechanischen Anhaften führt, die schädlich für die sensiblen Teile der Mikrostruktur sind. Andererseits werden beim Entfernen der Opferschicht die in den anderen Schichten enthaltenen Spannungen bzw. Belastungen frei und können dabei die gleichen Wirkungen erzeugen.
Wenn die Mikrostruktur ein Träger der Länge L ist, ist der Biegewiderstand durch die Durchbiegung (fléche) am Ende des Trägers unter Einwirkung einer Kraft F am freien Ende des Trägers senkrecht zu seiner Länge gekennzeichnet, wobei das andere Ende, das mit dem Substrat einstückig ist, starr festgehalten wird. Je nachdem, ob die Kraft F senkrecht oder parallel zur Ebene des Substrats aufgebracht wird, ist die senkrechte (fn) oder parallele (fp) Durchbiegung von folgender Form:
fn = F·L³/3M·In
fp = F·L³/3M·Ip
wobei M das Young'sche Biegemodul des den Träger bildenden Materials ist, das aus Vereinfachungsgründen als homogen angenommen wird, und wobei In und Ip jeweils die Trägheitsmomente des geraden Abschnitts des Trägers (beispielsweise 14 in Fig. 1) in Bezug auf zur Ebene des Substrats, die durch die geometrische Achse des Trägers hindurchgeht, jeweils senkrechte und parallele Achsen sind.
Im Fall eines Trägers von rechteckigem Querschnitt der Dicke e und der Breite l werden die Trägheitsmomente durch In = l·e³/12 und Ip = e·l³/12 ausgedrückt. Die Durchbiegungen weisen also folgende Form auf:
fn = 4F/M·L³/l·e³
und
fp = 4F/M·L³/e·l³
Im Fall eines Mikro-Bolometers werden gleichzeitig eine gute Steifigkeit bzw. Starrheit der Träger und ein starker thermischer Widerstand gesucht.
Die Biege- und Bruchfestigkeit der halternden Träger verringern sich also sehr stark, wenn versucht wird, den thermischen Widerstand zu maximieren, das heißt, wenn man versucht, die Breite und/oder Dicke der Träger zu verringern und/oder ihre Länge zu vergrößern.
Eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren von schwimmenden bzw. frei beweglichen und starren Mikrostrukturelementen vorzuschlagen, welche die oben genannten Einschränkungen nicht aufweisen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine mikromechanische Vorrichtung mit einer von Trägern gehaltenen schwimmenden Struktur vorzuschlagen, wobei die Träger verbesserte Starrheits- bzw. Steifigkeitseigenschaften aufweisen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, Träger für die Aufhängung der empfindlichen Zone eines Mikro-Bolometers vorzuschlagen, die eine gute Steifigkeit und eine gute Torsionsfestigkeit aufweisen, die elektrisch leitend sind, um Signale zu übertragen, und die einen erhöhten thermischen Widerstand Rth aufweisen.

Abriss der Erfindung

Um die oben genannten Aufgaben zu erfüllen, ist es im Einzelnen Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren mindestens eines starren "schwimmenden" bzw. frei beweglichen Mikrostrukturelements bereitzustellen, das in einem Substrat gefertigt wird, welches einen Stapel bzw. eine Schichtung einer Trägerschicht, mindestens einer Opfermaterialschicht und mindestens einer sogenannten Strukturschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst:
a) Ausbilden mindestens einer Reliefstruktur mit seitlichen Flanken durch Ätzen der Strukturschicht und durch Ätzen mindestens eines Teils der Opfermaterialschicht gemäß einem Ätzmuster, das dem schwimmenden bzw. frei beweglichen Mikrostrukturelement entspricht,
b) Ausbilden einer Versteifungsmanschette oder starren Umfassung an den seitlichen Flanken,
c) Entfernen des Opfermaterials von jeder Reliefstruktur, um die frei bewegliche Mikrostruktur, welche die Strukturschicht und die Versteifungsmanschette umfasst, freizulegen.
Das Mikrostrukturelement besteht also aus der/den Strukturschicht(en) und der Versteifungsmanschette, die deren Biege- und Torsionsfestigkeit erhöht. Die erhöhte Steifigkeit des Mikrostrukturelements ermöglicht die Reduzierung der Dicke und/oder Breite insbesondere der Strukturschicht(en) und damit die Erhöhung von deren thermischem Widerstand.
Nach einer Variante des Herstellungsverfahrens eines Mikrostrukturelements in einem Substrat, das ferner eine zweite Opfermaterialschicht und eine zweite Strukturschicht aufweist, die in dieser Reihenfolge zwischen die Trägerschicht und die erste Opfermaterialschicht geschichtet sind, umfasst das Ausbilden einer Reliefstruktur mit seitlichen Flanken außerdem das Ätzen der zweiten Strukturschicht und mindestens eines Teils der zweiten Opfermaterialschicht, wobei die erste Strukturschicht nach dem Ausbilden der Versteifungsmanschette an den seitlichen Flanken entfernt wird.
Nach einer weiteren Variante des Verfahrens für die Herstellung eines Mikrostrukturelements in einem Substrat mit alternierenden zwei Strukturschichten und zwei Opfermaterialschichten nach obiger Angabe kann das Verfahren außerdem zwischen den Schritten a) und b) das Ätzen der zweiten Strukturschicht und das Ätzen mindestens eines Teils der zweiten Opfermaterialschicht gemäß dem Muster, das der Anordnung der Träger entspricht, gefolgt von dem Entfernen der ersten Strukturschicht, umfassen.
Nach einer Variante des bereitgestellten Verfahrens und gemäß der Struktur des Substrats ist es möglich, verschiedene starre bzw. steife Mikrostrukturtypen herzustellen, die sich insbesondere durch die Anordnung der Versteifungsmanschette in Bezug auf die Strukturschicht unterscheiden.
Desgleichen ist es möglich, je nachdem, ob die Ätzung der ersten oder der ersten und der zweiten Opfermaterialschicht anisotrop oder isotrop ist, die Form der Versteifungsmanschette zu modifizieren und damit ihre mechanischen Eigenschaften zu beeinflussen.
Die vorliegende Erfindung sieht also die verschiedenen Fälle vor, in denen die Ätzungen der ersten Opfermaterialschicht und der zweiten Opfermaterialschicht isotrop oder anisotrop sind. Nach einem besonderen Aspekt der Erfindung ist es möglich, vor dem Schritt a) des Verfahrens eine das Ätzmuster festlegende Maske auszubilden. Diese Maske kann beispielsweise vor der Ausbildung der Versteifungsmanschette eliminiert werden. Auf vorteilhafte Weise ist es auch möglich, nur die Maske nach der Ausbildung der Versteifungsmanschette zu eliminieren. In letzterem Fall bildet die Maske einen Teil der Reliefstruktur, an deren Flanken die Versteifungsmanschette ausgebildet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine mikromechanische Vorrichtung mit einem tragenden Substrat, einer "schwimmenden" bzw. frei beweglichen Struktur, die vom Substrat getrennt ist, und mindestens einem Aufhängungsträger, der die frei bewegliche Struktur mit dem Substrat verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger Seitenränder aufweist, die mit Versteifungsmanschetten versehen sind, welche sich entlang der Ränder des Trägers und über die Ränder hinaus in Richtungen erstrecken, die im wesentlichen senkrecht zur Achse des Trägers sind. Der mit den Manschetten versehene Träger weist so einen im wesentlichen U- bzw. H-förmigen Querschnitt auf, der ihm eine bessere Steifigkeit verleiht.
Nach einem besonderen Aspekt der Ausführung einer solchen Vorrichtung kann der Träger eine alternierende Schichtung aus mindestens einer Schicht aus elektrisch leitendem Material und mindestens einer Schicht aus elektrisch isolierendem Material umfassen.
In einer besonderen Anwendung der Erfindung ist die schwimmende bzw. frei bewegliche Struktur der Vorrichtung der empfindliche Teil eines Mikro-Bolometers.
Diese schwimmende bzw. frei bewegliche Struktur kann auch an ihren Seitenrändern mit Versteifungsmanschetten, beispielsweise in Form eines Versteifungsrahmens, versehen sein. Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen näher aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor, die der Veranschaulichung dienen und nicht einschränkend sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Die schon beschriebene Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf ein Mikro-Bolometer eines bekannten Typs;
Die schon beschriebene Fig. 2 einen Schnitt II-II in größerem Maßstab eines Aufhängungsträgers des empfindlichen Erfassungsteils des Mikro-Bolometers der Fig. 1;
Fig. 3 bis 4A, 5A, 6A und 7A Schnittansichten der Herstellungsschritte eines Mikrostrukturelements gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4B, 5B, 6B und 7B Schnittansichten der Herstellungsschritte eines Mikrostrukturelements gemäß einer Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 8, 9A, 10A, 11A, 12A und 13A Schnittansichten der Herstellungsschritte eines Mikrostrukturelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 9B, 11B, 12B und 13B Schnittansichten der Herstellungsschritte eines Mikrostrukturelements gemäß einer Variante der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 14 bis 18 Schnittansichten der Herstellungsschritte eines Mikrostrukturelements gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 19 bis 23 Schnittansichten der Herstellungsschritte eines Mikrostrukturelements gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 24 bis 27 Schnittansichten der Herstellungsschritte eines Mikrostrukturelements gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 28 bis 32 Schnittansichten der Herstellungsschritte eines Mikrostrukturelements gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung

In der folgenden Beschreibung werden identischen oder ähnlichen Elementen oder Teilen der verschiedenen Figuren gleiche Bezugsziffern zugeordnet.

Beispiel 1

Ein erstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens der Erfindung ist durch die Fig. 3 bis 7 veranschaulicht. Zwei sehr ähnliche Varianten der Ausführungsform des Verfahrens werden im Rahmen des Beispiels 1 erläutert. Sie werden durch die Figurennummern unterschieden, die mit A bzw. B enden. Die Figurennummern, die weder mit A noch mit B enden, werden ohne Unterschied auf beide Varianten angewandt.
Fig. 3 zeigt die Herstellung eines Substrats für die Ausführung des Verfahrens der Erfindung gemäß einer ersten Ausführungsform. Auf einer Trägerschicht 100 wird eine erste Opfermaterialschicht 102 und dann eine oder mehrere Materialschichten aufgebracht, die eine erste Schicht 104, eine sogenannte "Strukturschicht" bilden, in die nachfolgend die Mikrostruktur(en) eingearbeitet wird/werden. Die Schicht 104 kann beispielsweise eine Siliziumschicht, eine Siliziumoxidschicht, eine Siliziumnitridschicht, eine Metallschicht oder eine Übereinanderlagerung der vorgenannten Materialschichten sein.
Die Trägerschicht 100 kann auch als Substrat für die Herstellung einer Schaltung oder von Elementen einer mikroelektronischen Schaltung dienen, deren Funktion, beispielsweise der Messung, der mikromechanischen Struktur zugeordnet ist, die in der Schicht 104 realisiert ist. Diese Messschaltung ist in den Figuren aus Klarheitsgründen nicht dargestellt.
Die Opferschicht 102 kann aus einem Material wie zum Beispiel Siliziumoxid oder einem organischen Material wie zum Beispiel Polyimid hergestellt sein.
Ein folgender Schritt des Verfahrens ist die Formgebung der Schicht 104 nach einem Ätzmuster. Das Muster bzw. das Motiv kann beispielsweise an die Form des empfindlichen Teils eines Mikro-Bolometers mit Trägerarme genannten Trägern, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, angepasst sein.
Das Ätzmuster ist durch eine auf die Schicht 104 aufgebrachte Harzmaske 106 festgelegt. Die nicht von der Maske 106 geschützten Teile der Schicht 104 werden dann durch den Ätzvorgang entfernt.
Die Opfermaterialschicht wird ebenfalls einem Ätzvorgang unterzogen, während dem ihre nicht von der Maske 106 oder von der Restschicht 104 geschützten Teile zum Teil entfernt werden. Dieser Schritt ist in den Fig. 4A und 4B veranschaulicht. Dadurch erhält man eine Reliefstruktur 108 gemäß dem Ätzmuster, das heißt, gemäß dem Muster des Mikrostrukturelements, das man herstellen will. Die Reliefstruktur 108 weist eine oder mehrere seitliche Flanken 110A, 110B auf.
Die Fig. 4A und 4B zeigen die Reliefstruktur 108, die jeweils mit einer anisotropen Ätzung der Opfermaterialschicht 102 und mit einer isotropen Ätzung dieser Schicht erhalten wurde. Im Fall der Fig. 4B weisen die Flanken 110a und 110b Vertiefungen bzw. Ausnehmungen auf, die sich lokal unter der Schicht 104 erstrecken.
Wenn die Schicht 102 aus Siliziumoxid gefertigt ist, kann eine isotrope Ätzung durch eine Ätzung mit Fluorwasserstoffsäure FH in wässriger oder Dampfphase vorgenommen werden. Eine anisotrope Ätzung kann eine reaktive Ionenätzung RIE (Reactive Ion Etching) sein, beispielsweise mit gasförmigem Fluorkohlenwasserstoff vom Typ CHF&sub3;, C&sub2;F&sub6;.
Wenn die Opferschicht 102 aus einem organischen Material besteht, beispielsweise aus Polyimid, kann eine isotrope Ätzung mittels eines Sauerstoffplasmas oder durch Aussetzen der Schicht gegenüber Ozon vorgenommen werden. Eine anisotrope Ätzung kann eine reaktive Ätzung, ebenfalls vom RIE-Typ mit O&sub2;-Gas oder mit einem Gemisch O&sub2;+SF&sub6; sein. Es ist anzumerken, dass im Fall einer isotropen oder anisotropen Ätzung der Opfermaterialschicht unter den obigen Bedingungen die Harzmaske 106 ebenfalls zumindest teilweise beseitigt wird.
Nach der Beseitigung der Maske 106 wird/werden, wie in den Fig. 5A und 5B gezeigt ist, eine (oder mehrere) Materialschicht(en) 112 ausgebildet, die insbesondere die Flanken 110a und 110b der Reliefstruktur bedeckt/bedecken. Die Schicht 112 bedeckt die Gesamtheit der freien Oberflächen auf die angepassteste und gleichmäßigste Art und Weise.
Es handelt sich dabei beispielsweise um eine Schicht aus Silizium, Siliziumoxid SiO oder Siliziumnitrid SiN, die bei niedriger Temperatur gemäß einer plasma-aktivierten Ablagerungstechnik vom Typ PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) erhalten wird. Eine Siliziumnitridschicht kann ebenfalls durch chemische Ablagerung in der Dampfphase mit Unterdruck gemäß einer Technik vom Typ LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) ausgebildet werden. Eine solche Ablagerung wird mit höherer Temperatur von 600ºC bis 750ºC mit Gemischen von Ammoniak und Dichlorsilan vorgenommen. Die LPCVD-Technik kann ebenfalls angewendet werden, um eine Schicht 112 aus Siliziumoxid zu bilden. In diesem Fall kann die Ablagerung bei Temperaturen von 850ºC bis 950ºC mit Gemischen von Dichlorsilan und Stickstoffmonoxid ausgeführt werden, oder bei Temperaturen von 600ºC bis 750ºC mit Vorgänger des "TEOS"-Typs (Tetraethoxysilan). Diese Materialien weisen außerdem, insbesondere wenn sie durch LPCVD gebildet werden, eine gute Anpassung der Abdeckung der Reliefstruktur auf.
Die Schicht 112, welche die Reliefstruktur bedeckt, kann auch eine Siliziumschicht sein. Das Silizium kann gemäß der sogenannten LPCVD-Technik bei einer Temperatur von 250ºC bis 500ºC mit einer Disilanquelle oder bei einer Temperatur von 550ºC bis 700ºC mit einer Silanquelle ausgebildet werden. Das Silizium kann beispielsweise durch Beimengung von Diboran oder Phosphin während seiner Ausbildung dotiert werden oder auch nicht. Wenn das Silizium mit niedriger Temperatur aufgebracht wird, das heißt mit einer Temperatur unter 560 ºC, ist die Schicht 112 amorph; über 600ºC ist die Schicht 112 polykristallin.
Wenn ein Mikrostrukturelement mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit hergestellt werden soll, wird die Schicht 112 vorzugsweise aus amorphem, nicht-dotiertem Silizium hergestellt.
Das Siliziumoxid SiO und das Siliziumnitrid SiN weisen gute thermische Isoliereigenschaften auf. Ihre Leitfähigkeit bzw. ihr Leitwert liegt in der Größenordnung von 2 bis 3 W/m·K.
Wenn ein Mikrostrukturelement hergestellt werden soll, das metallische Eigenschaften aufweist, wird die Schicht 112 beispielsweise aus Wolfram, Titan oder Titannitrid beispielsweise durch LPCVD-Ablagerung hergestellt.
Die Schicht 112 kann aus einem einzigen Material bestehen oder eine Kombination mehrerer Unterschichten verschiedener Materialien sein, wobei die Materialien je nach den mechanischen oder elektrischen Eigenschaften ausgewählt werden, die für das herzustellende Mikrostrukturelement gesucht sind. Die Schicht 112 kann beispielsweise eine dielektrische Unterschicht aus Siliziumoxid und eine Unterschicht aus Silizium aufweisen.
Im vorliegenden Beispiel besteht die Schicht 112 aus einem Material, das auf Harz aufgebracht werden kann. Seine Ablagerungstemperatur muss dabei unter 180ºC liegen.
Wie die Fig. 6A und 6B zeigen, ermöglicht eine anisotrope Ätzung ohne Maske die Beseitigung desjenigen Teils der Schicht 112, der die Schicht 104 und die Teile 114 der Opferschicht auf beiden Seiten der Reliefstruktur bedeckt.
Während dieses Ätzvorgangs werden nur die Teile der Schicht 112, welche die Flanken 110a und 110b der Reliefstruktur bedecken, bewahrt. Diese Teile werden im folgenden als "Versteifungsmanschetten" ("garnitures de regidité") bezeichnet und tragen die Bezugsziffer 116.
Das Opfermaterial der Schicht 102 wird danach eliminiert, wie die Fig. 7A und 7B zeigen.
Das Mikrostrukturelement wird auf diese Weise in Bezug auf das Substrat 100 freigelegt. Es besteht aus der Schicht 104 und der Versteifungsmanschette 116.

Beispiel 2

Eine Variante der Ausführungsform ist durch die Fig. 8 bis 13 veranschaulicht.
Diese Ausführungsform der Erfindung betrifft die Herstellung einer schwimmenden bzw. frei beweglichen Mikrostruktur in einem Substrat mit zwei Strukturschichten und zwei Opfermaterialschichten.
Wie Fig. 8 zeigt, wird ein Substrat durch sukzessives Ablagern auf einer Trägerschicht 100 einer Materialschicht 122 gebildet, die als "zweite Opfermaterialschicht" bezeichnet wird, eine Schicht 124 aus Strukturmaterial, die als "zweite Strukturschicht" bezeichnet wird, eine Opfermaterialschicht 102, die als "erste Opfermaterialschicht" bezeichnet wird, sowie eine Strukturschicht 104, die als "erste Strukturschicht" bezeichnet wird.
Wie im Fall von Beispiel 1 können die Opferschichten 102, 122 beispielsweise aus Siliziumoxid oder Polyimid hergestellt sein. Die Strukturschichten 104, 124 bestehen beispielsweise aus Siliziumoxid.
Nach der Ausbildung einer Ätzmaske 106, welche die Form der herzustellenden Mikrostruktur festlegt, werden nacheinander eine anisotrope Ätzung der ersten Strukturschicht 104 und der ersten Opfermaterialschicht 102 in den nicht von der Maske 106 geschützten bzw. abgedeckten Bereichen ausgeführt.
Dadurch erhält man eine Reliefstruktur 108 gemäß den Darstellungen der Fig. 9A und 9B.
In den nicht-abgedeckten Bereichen wird die Schicht 104 gänzlich eliminiert und die Schicht 102 wird entweder gänzlich (Fig. 9B) oder teilweise (Fig. 9A) beseitigt.
Die anisotrope Ätzung der ersten Opferschicht 102 kann, wie Fig. 10A zeigt, durch eine isotrope Ätzung der Schicht 102 erfolgen. Dies hat die Ausbildung von Vertiefungen bzw. Ausnehmungen zur Folge, die sich längs der Flanken 110a und 110b der Struktur 108 erstrecken.
Nach der Beseitigung der Maske 106, wie im Fall von Beispiel 1, werden die, so erhaltenen Reliefstrukturen 108 mit einer Schicht 112 oder mehreren Schichten 112 bedeckt. Die Ausbildung der Schicht 112, die in den Fig. 11A und 11B zu erkennen ist, erfolgt gemäß der für Beispiel 1 gegebenen Beschreibung.
Eine anisotrope Ätzung ohne Maske beseitigt die Schicht 112 über der ersten Strukturschicht 104 und über den Teilen 114 der Opferschicht. Die Schicht 112 wird nur an den Flanken 110a und 110b beibehalten, wo sie die Versteifungsmanschette 116 bildet. Wie die Fig. 12A und 12B zeigen, ist bzw. wird die zweite Strukturschicht 124 ebenfalls geätzt. Diese Ätzung ist nicht notwendigerweise eine selektive Ätzung. So kann die Schicht 122, wie die Fig. 12A und 12B zeigen, ebenfalls leicht geätzt werden. Während dieser Ätzung dient die erste Schicht 104 als Ätzmaske.
Vorzugsweise wird eine anisotope Ätzung ausgeführt, die gleichzeitig die Formgebung der Versteifungsmanschetten und die Ätzung der Schicht 124 gestattet. Nach der Beseitigung der ersten Strukturschicht wird auch das restliche Material der ersten und zweiten Opferschichten 102 und 122 beseitigt, um ein schwimmendes bzw. frei bewegliches Mikrostrukturelement mit einem U-förmigen Querschnitt gemäß einer der Fig. 13A oder 13B zu erhalten. Dieses weist einen Teil der Schicht 124 auf, der beispielsweise einen Aufhängungsträger des empfindlichen Teils eines Mikro- Bolometers bildet, sowie die Versteifungsmanschetten 116. Je nachdem, ob eine isotrope Ätzung der ersten Opferschicht 102 ausgeführt wurde oder nicht, erhält man eine Versteifungsstruktur mit einem geformten (Fig. 13A) oder geraden (Fig. 13B) Querschnitt.

Beispiel 3

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist durch die Fig. 14 bis 18 veranschaulicht. Das in diesem Beispiel verwendete Basissubstrat ist, wie Fig. 14 zeigt, identisch mit dem im Fall von Beispiel 2 verwendeten Substrat.
Dieses umfasst eine Trägerschicht 100, eine (erste) Opfermaterialschicht 102, eine (erste) Strukturschicht 104, eine (zweite) Opfermaterialschicht 122 und eine (zweite) Strukturschicht 124.
Nach Ausbildung einer Maske 106, welche die Form des Mikrostrukturelements festlegt, das hergestellt werden soll, werden ein oder mehrere Ätzvorgänge ausgeführt, um außerhalb des von der Maske abgedeckten Bereichs die erste und zweite Strukturschicht 104 bzw. 124, die erste Opfermaterialschicht 102 und mindestens einen Teil der zweiten Opfermaterialschicht 122 zu ätzen, um eine Abstufung zu bilden.
Nach der Ätzung erhält man eine Reliefstruktur 108 mit seitlichen Flanken 110a, 110b, wie sie Fig. 15 darstellt.
Nach der Beseitigung der Maske wird eine (oder mehrere) Schicht(en) 112 ausgebildet, welche die Reliefstruktur (Fig. 16) abdeckt/abdecken. Wie im Fall der Beispiele 1 und 2 erfährt die Schicht 112 eine anisotrope Ätzung ohne Maske, um an den Flanken der Reliefstruktur Versteifungsmanschetten 116 auszubilden, wie Fig. 17 darstellt.
In einem letzten Schritt wird die erste Strukturschicht und das Opfermaterial der Schichten 102 und 122 beseitigt. Auf diese Weise wird ein Mikrostrukturelement mit einem H- förmigen Querschnitt gemäß Fig. 18 erhalten.
Der Mittelsteg des H-förmigen Querschnitts wird durch die zweite Strukturschicht 124 und die zum Mittelsteg senkrechten Stege durch die Versteifungsmanschette 116 gebildet.

Beispiel 4

Die Fig. 19 bis 23 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des von einem Substrat ausgehenden Verfahrens, das den Fig. 8 oder 14 gleicht.
Fig. 19 entspricht der Fig. 10A des Beispiels 2, in der die erste Strukturschicht 104 und die erste Opfermaterialschicht 102 gemäß einem Muster ausgebildet werden, das dem herzustellenden Mikrostrukturelement entspricht. Die Ätzung der Opfermaterialschicht ist eine isotrope Ätzung.
Die Ausbildung einer Reliefstruktur 108 erfolgt gemäß Fig. 20 durch anisotrope Ätzung der zweiten Strukturschicht 124 und mindestens eines Teils der zweiten Opferschicht 122 gemäß dem Ätzmuster. Bei dieser Ätzung dient die erste Strukturschicht als Maske. Wie im Fall von Beispiel 3 erfolgt die Herstellung des Mikrostrukturelements durch Ausbildung einer Schicht 112 (Fig. 21), die Formgebung dieser Schicht, um Versteifungsmanschetten 116 an den Flanken der Reliefstruktur zu erhalten (Fig. 22), sowie die Beseitigung der ersten Strukturschicht und dann des restlichen Opfermaterials der Schichten 102 und 122.
Man erhält ein Mikrostrukturelement mit einem im wesentlichen H-förmigen Querschnitt, wie Fig. 23 darstellt.

Beispiel 5

Die dem Beispiel 5 entsprechende Ausgangsstruktur ist in Fig. 24 dargestellt. Außer der Ätzmaske, die beseitigt wird, entspricht diese Figur der bereits beschriebenen Fig. 15, und für die Herstellungsschritte der Reliefstruktur, die diese Figur zeigt, ist auf Beispiel 3 Bezug zu nehmen.
Vor der Ausbildung einer Abdeckschicht 112 an den Flanken 110a, 110b der Reliefstruktur 108 werden die Flanken, wie Fig. 25 zeigt, einer isotropen Ätzung unterzogen, um die Teile 102 und 122 der Opfermaterialschicht unter die Strukturschichten zurückzusetzen.
Die Fig. 26 und 27 zeigen jeweils die anisotrope Ätzung der Schicht 112 zur Ausbildung der Versteifungsmanschetten 116 (Fig. 26) sowie die Eliminierung der ersten Strukturschicht 104 und des restlichen Materials der Opferschichten 102 und 122 (Fig. 27). Auch hier erhält man ein Mikrostrukturelement mit einem im wesentlichen H-förmigen Querschnitt, dessen seitliche Stege ausgebildet sind.

Beispiel 6

In den Beispielen 1 bis 5 ist die die Maske bildende Harzschicht kein eigentlicher Teil der Reliefstruktur, wie sie für die Herstellung der Versteifungsmanschetten verwendet wird. Die Maske wird vor der Ausbildung der Schicht 112 beseitigt.
In einer den Fig. 28 bis 32 entsprechenden Ausführungsform wird die Harzmaske dagegen genutzt. Wie Fig. 29 zeigt, wird ein Substrat durch sukzessives Ablagern einer Opfermaterialschicht 102, einer Strukturschicht 104 und einer Harzschicht 105 auf einer Trägerschicht 100 gebildet. Für die Wahl der Materialien der Schichten 100, 102 und 104 ist auf Beispiel 1 Bezug zu nehmen. Die Harzschicht dient zur Herstellung einer bereits beschriebenen Ätzmaske.
Fig. 29 zeigt die Formgebung einer Reliefstruktur 108 durch Ätzung der Strukturschicht 104 und die teilweise Ätzung der Opfermaterialschicht 102 gemäß dem Muster einer in der Harzschicht 105 hergestellten Ätzmaske 106. Die Ätzung der Schicht 102 erfolgt isotrop. Nach dieser Ätzung wird die Maske 106 beibehalten; sie bildet einen Teil der Reliefstruktur 108.
Wie Fig. 30 zeigt, wird eine Abdeckschicht um die Reliefstruktur 108 herum gebildet. Danach wird diese Schicht geätzt, um die in Fig. 31 erkennbaren Versteifungsmanschetten 116 zu bilden. Bei diesem Ätzvorgang wird das die Maske 106 bildende Harz freigelegt.
Das Harz der Maske 106 sowie das Material der Opferschicht 102 werden schließlich beseitigt, um ein Mikrostrukturelement freizulegen, das in Fig. 32 dargestellt ist.
Unabhängig vom gewählten Beispiel kann das Mikrostrukturelement beispielsweise ein Teil einer mikromechanischen Vorrichtung sein, wie zum Beispiel eine zentrale Zone 10 und die Aufhängungsträger 14 eines Mikro- Bolometers, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.
Dennoch kann das hergestellte Mikrostrukturelement gemäß der Erfindung nur ein Teil einer solchen Vorrichtung sein. Dabei handelt es sich beispielsweise um die Aufhängungsträger.
Die erfindungsgemäß hergestellten Aufhängungsträger, das heißt, Träger mit Versteifungsmanschetten, die sich längs ihrer seitlichen Ränder erstrecken, weisen eine zufriedenstellende Starrheit bzw. Steifigkeit auf und verwinden sich nicht. Andeutungsweise sind die Seitenränder der Träger mit der Bezugsziffer 130 in Fig. 1 dargestellt. Die Träger weisen einen U-förmigen oder H-förmigen Querschnitt mit geraden oder eventuell gerippten seitlichen Versteifungsmanschetten auf. Verschiedene mögliche Abschnitte sind in den Fig. 7A, 7B, 13A, 13B, 18, 27 und 32 dargestellt.
Andererseits ist im Fall von Mikro-Bolometern der zentrale Teil (siehe Bezugsziffer 10 in Fig. 1) eine Membran, wobei es ebenfalls von Interesse ist, sie mit seitlichen Versteifungsmanschetten auszustatten, die an ihrem Umfang einen Rahmen bilden. Ein solcher Rahmen ermöglicht es, Verformungen und insbesondere Verwerfungen oder Verwindungen des zentralen Teils einzuschränken.
In speziellen Ausführungen solcher Träger kann die Strukturschicht beispielsweise eine oder mehrere elektrisch leitende Materialschicht(en) umfassen, welche die Rolle einer Elektrode übernehmen, um elektrische Signale von dem zentralen Teil eines Bolometers auf periphere Messschaltkreise zu übertragen.
In dem Fall, in dem der zentrale Teil des Trägers (Strukturschicht) aus zwei elektrisch leitenden Materialschichten besteht, die durch ein Isoliermittel getrennt sind, kann es zu elektrischen Streuverlusten zwischen den beiden leitenden Materialien kommen. Diese Streuverluste können vermieden werden, indem eine Versteifungsmanschette gefertigt wird, welche Teile aus isolierendem Material zumindest in den Zonen aufweist, die in Kontakt mit den leitenden Materialien sind.

Claims

1. Herstellungsverfahren mindestens eines starren "schwimmenden" bzw. frei beweglichen Mikrostrukturelements (104, 116), das in einem Substrat gefertigt wird, welches einen Stapel bzw. eine Schichtung einer Trägerschicht (100), mindestens einer Opfermaterialschicht (102) und mindestens einer sogenannten Strukturschicht (104) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Schritte umfaßt:

a) Ausbilden mindestens einer Reliefstruktur (108) mit seitlichen Flanken (110a, 110b) durch Ätzen der Strukturschicht (104) und durch Ätzen mindestens eines Teils der Opfermaterialschicht (102) gemäß einem Ätzmuster, das dem frei beweglichen Mikrostrukturelement entspricht,

b) Ausbilden einer sog. Versteifungsmanschette oder starren Umfassung (garniture de rigidité) (116) an den seitlichen Flanken (110a, 110b).

c) Entfernen des Opfermaterials von jeder Reliefstruktur (108), um die frei bewegliche Mikrostruktur, welche die Strukturschicht (104) und die Versteifungsmanschette (116) umfaßt, freizulegen.

2. Herstellungsverfahren einer frei beweglichen Mikrostruktur nach Anspruch 1 in einem Substrat, das ferner eine zweite Opfermaterialschicht (122) und eine zweite Strukturschicht (124) aufweist, die in dieser Reihenfolge zwischen die Trägerschicht (100) und die erste Opfermaterialschicht geschichtet sind, wobei das Ausbilden einer Reliefstruktur (108) mit seitlichen Flanken (110a, 110b) außerdem das Ätzen der zweiten Strukturschicht und mindestens eines Teils der zweiten Opfermaterialschicht (122) umfaßt, und wobei die erste Strukturschicht (104) nach dem Ausbilden der Versteifungsmanschette (116) an den seitlichen Flanken (110a, 110b) entfernt wird.

3. Verfahren zur Herstellung einer frei beweglichen Mikrostruktur nach Anspruch 1 in einem Substrat, das ferner eine zweite Strukturschicht (124) und eine zweite Opfermaterialschicht (122) aufweist, die in dieser Reihenfolge zwischen die Trägerschicht (100) und die erste Opfermaterialschicht (102) geschichtet sind, wobei das Verfahren ferner zwischen den Schritten a) und b) das Ätzen der zweiten Strukturschicht (124) und das Ätzen mindestens eines Teils der zweiten Opfermaterialschicht (122) gemäß dem Muster, das dem frei beweglichen Mikrostrukturelement entspricht, gefolgt von dem Entfernen der ersten Schicht (104) der Struktur, umfaßt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen der Opfermaterialschicht (102) ein anisotroper Ätzvorgang ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen der zweiten Opfermaterialschicht (124) ein anisotroper Ätzvorgang ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen der Opfermaterialschicht (102) ein isotroper Ätzvorgang ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen der zweiten Opfermaterialschicht ein isotroper Ätzvorgang ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schritt a) auf der Strukturschicht (104) eine das Ätzmuster festlegende Maske (106) ausgebildet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (106) vor der Bildung der Versteifungsmanschette (116) entfernt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (106) nach der Bildung der Versteifungsmanschette (116) entfernt wird, wobei die Maske einen Teil der Reliefstruktur (108) mit seitlichen Flanken (110a, 110b) bildet.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung der Versteifungsmanschette (116) das Aufbringen mindestens einer Materialschicht (112), welche jede Reliefstruktur (108) bedeckt, und das anisotrope Ätzen ohne Maskierung dieser Schicht (112) umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bildung der Versteifungsmanschette (116) mindestens eines von folgenden Materialien gewählt wird: Siliziumnitrid, Siliziumoxid und Silizium oder ein Metall.

13. Verfahren zur Herstellung von Hängeträgern eines aufgehängten Abschnitts einer mikromechanischen Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Hängeträger gemäß dem Verfahren des Anspruchs 1 gefertigt werden.

14. Mikromechanische Vorrichtung mit einem tragenden Substrat (100), einer "schwimmenden" bzw. frei beweglichen Struktur, die vom Substrat getrennt ist, und mindestens einem Hängeträger, der die frei bewegliche Struktur mit dem Substrat verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger Seitenränder (130) aufweist, die mit Versteifungsmanschetten (116) versehen sind, welche sich entlang der Ränder des Trägers und über die Ränder hinaus in Richtungen erstrecken, die im wesentlichen senkrecht zur Achse des Trägers sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die frei bewegliche Struktur auch mit Versteifungsmanschetten versehene Seitenränder aufweist, wobei die Versteifungsmanschetten einen Rahmen bilden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger mindestens eine Materialschicht umfaßt, die aus den folgenden Materialien ausgewählt ist: Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid und Metall.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine alternierende Schichtung aus mindestens einer Schicht aus elektrisch leitendem Material und mindestens einer Schicht aus elektrisch isolierendem Material umfaßt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungsmanschetten Abschnitte aus elektrisch isolierenden Material mindestens in den Zonen, die mit der Schicht aus elektrisch leitendem Material der Schichtung in Kontakt stehen, aufweisen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschetten bzw. Umfassungen aus einem Material gefertigt sind, das aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Silizium und den Metallen gewählt ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die "schwimmende" bzw. frei bewegliche Struktur der sensible Teil eines Mikro-Bolometers ist.