DE10054484A1 - Mikromechanisches Bauelement und entsprechendes Herstellungsverfahren - Google Patents
Mikromechanisches Bauelement und entsprechendes HerstellungsverfahrenInfo
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Abstract
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat (10) aus einem Substratmaterial mit einem ersten Dotierungstyp (p); einer in dem Substrat (10) vorgesehenen mikromechanischen Funktionsstruktur und einer Abdeckschicht zum zumindest teilweisen Abdecken der mikromechanischen Funktionsstruktur. Die mikromechanische Funktionsstruktur weist Bereiche (15; 15a; 15b; 15c; 730; 740; 830) aus dem Substratmaterial mit einem zweiten Dotierungstyp (n) auf, die zumindest teilweise von einem Hohlraum (50; 50a-f) umgeben sind; und die Abdeckschicht weist eine poröse Schicht (30) aus dem Substratmaterial auf.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches
Bauelement mit einem Substrat aus einem Substratmaterial
mit einer ersten Dotierung, einer in dem Substrat vorgese
henen mikromechanischen Funktionsstruktur und einer Abdeck
schicht zum zumindest teilweisen Abdecken der mikromechani
schen Funktionsstruktur. Die vorliegende Erfindung betrifft
ebenfalls ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Unter mikromechanische Funktion soll eine beliebige aktive
Funktion, z. B. eine Sensorfunktion, oder passive Funktion,
z. B. eine Leiterbahnfunktion, verstanden werden.
Obwohl auf beliebige mikromechanische Bauelemente und
Strukturen, insbesondere Sensoren und Aktuatoren, anwend
bar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrun
deliegende Problematik in bezug auf ein in der Technologie
der Silizium-Oberflächenmikromechanik herstellbares mikro
mechanisches Bauelement, z. B. einen Beschleunigungssensor,
erläutert.
Allgemein bekannt sind monolithisch integrierte inertiale
Sensoren in Oberflächenmikromechanik (OMM), bei denen die
empfindlichen beweglichen Strukturen ungeschützt auf dem
Chip aufgebracht sind (Analog Devices). Dadurch entsteht
ein erhöhter Aufwand beim Handling und bei der Verpackung.
Umgehen kann man dieses Problem durch einen Sensor mit der
Auswerteschaltung auf einem separaten Chip, z. B. werden da
bei die OMM-Strukturen mittels einem zweiten Kappenwafer
abgedeckt. Diese Art der Verpackung verursacht einen hohen
Anteil der Kosten eines OMM-Beschleunigungssensors. Diese
Kosten entstehen durch den hohen Flächenbedarf der Dicht
fläche zwischen Kappenwafer und Sensorwafer und aufgrund
der aufwendigen Strukturierung (2-3 Masken, Bulkmikromecha
nik) des Kappenwafers.
In der DE 195 37 814 A1 werden der Aufbau eines funktiona
len Schichtsystems und ein Verfahren zur hermetischen Ver
kappung von Sensoren in Oberflächenmikromechanik beschrie
ben. Hierbei wird die Herstellung der Sensorstruktur mit
bekannten technologischen Verfahren erläutert. Die besagte
hermetische Verkappung erfolgt mit einem separaten Kappen-
Wafer aus Silizium, der mit aufwendigen Strukturierungspro
zessen, wie beispielsweise KOH-Ätzen, strukturiert wird.
Der Kappen-Wafer wird mit einem Glas-Lot (Seal-Glas) auf
dem Substrat mit dem Sensor (Sensor-Wafer) aufgebracht.
Hierfür ist um jeden Sensorchip ein breiter Bond-Rahmen
notwendig, um eine ausreichende Haftung und Dichtheit der
Kappe zu gewährleisten. Dies begrenzt die Anzahl der Sensor-Chips
pro Sensor-Wafer erheblich. Auf Grund des grossen
Platzbedarfs und der aufwendigen Herstellung des Kappen-
Wafers entfallen erhebliche Kosten auf die Sensor-
Verkappung.
Fig. 10 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines
bekannten mikromechanischen Bauelements.
In Fig. 10 bezeichnet 10 ein Halbleitersubstrat, OS eine
Opferschicht, FE eine Funktionsebene mit einer mikromecha
nischen Funktionsstruktur (z. B. einem Beschleunigungssen
sor), SG ein Sealglas, HO ein Hohlraum und KW ein Kappenwa
fer. Wie bereits erwähnt ist der entsprechende Herstel
lungsprozess relativ aufwendig, da er zwei Wafer, nämlich
ein Substratwafer 10 und einen Kappenwafer KW, benötigt,
welche exakt aufeinander justiert werden müssen.
Aus G. Lammel, P. Renaud, "Free-standing mobile 3D micro
structures of porous silicon", Proceedings of the 13TH Eu
ropean Conference on Solid-State Transducers, Eurosensors
XIII, Den Haag, 1999, Seiten 535-536 ist es bekannt, unter
einer porösen Siliziumschicht einen Hohlraum zu erzeugen.
Das erfindungsgemässe mikromechanische Bauelement mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. das Herstellungsverfahren
nach Anspruch 15 ermöglichen eine einfache und kostengün
stige Herstellung eines mikromechanischen Bauelements, z. B.
eines Beschleunigungssensors, einer Mikropumpe, eines Strö
mungskanals, eines Rückschlagventils, einer Durchflussnor
malen etc. unter Verwendung von porösem Substratmaterial.
Durch die Verwendung von solchem porösem Substratmaterial,
insbesondere porösem Silizium, kann relativ einfach in ei
nem Prozessschritt ein Hohlraum mit einer darüber liegenden
Membran hergestellt werden. Im selben Prozessschritt können
die mikromechanischen Strukturen hergestellt werden. We
sentliche Vorteile des erfindungsgemässen mikromechanischen
Bauelements und des entsprechenden Herstellungsverfahrens
sind also:
- - die Herstellung von mikromechanischen Strukturen in ei nem
- - Hohlraum mit darüber liegender Membran in einem einzigen Prozessschritt,
- - kein Kappenwafer mit Wafer-zu-Wafer-Justage ist nötig,
- - der Einschluss eines Vakuums im Hohlraum ist möglich,
- - die Herstellung von Strukturen mit komplexen Tiefenpro filen ist möglich.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee be
steht darin, dass die mikromechanische Funktionsstruktur
Bereiche aus dem Substratmaterial mit einer zweiten Dotierung
aufweist, die zumindest teilweise von einem Hohlraum
umgeben sind, und die Abdeckschicht eine poröse Schicht aus
dem Substratmaterial aufweist. Bei der Herstellung wird
ausgenutzt, dass beim Anodisieren des Substrats die p-
dotierten Bereiche gut ätzbar, jedoch die n-dotierten Be
reiche nicht oder nur unwesentlich an der Oberfläche ätzbar
sind.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbil
dungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der
Erfindung.
Gemäss einer bevorzugten Weiterbildung ist eine Verschluss
schicht zum Verschliessen der Poren der porösen Schicht
vorgesehen. So lässt sich unter der Membran eine vorbe
stimmte Atmosphäre einstellen.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die
Verschlussschicht eine auf dem porösen Bereich gebildete
Oxidschicht auf.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist min
destens einer der Bereiche aus dem Substratmaterial mit dem
zweiten Dotierungstyp einen Stützbereich zum Stützen des
porösen Bereichs auf.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist minde
stens einer der Bereiche aus dem Substratmaterial mit dem
zweiten Dotierungstyp vollständig von seiner Umgebung los
gelöst.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst der
Hohlraum einen Strömungskanal, der durch mindestens zwei
Rückseitenöffnungen anschliessbar ist.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die
Rückseitenöffnungen über eine jeweilige Durchlassöffnung
angeschlossen, die im Bereich gebildet ist.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine
Verschlussschicht zum Verschliessen der Poren der porösen
Schicht vorgesehen und ist auf der Verschlussschicht eine
Erfassungseinrichtung zum piezoresisistiven Erfassen der
Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist inner
halb des Strömungskanals eine Rückschlagventileinrichtung
oberhalb einer entsprechenden Durchlassöffnung vorgesehen,
die mindestens einen der Bereiche aus dem Substratmaterial
mit dem zweiten Dotierungstyp aufweist, der vollständig von
seiner Umgebung losgelöst oder federnd mit dem Substratma
terial verbunden ist.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind zwei
Rückschlagventileinrichtungen unterschiedlicher Geometrie
oberhalb einer entsprechenden Durchlassöffnung vorgesehen;
wobei eine Verschlussschicht zum Verschliessen der Poren
der porösen Schicht vorgesehen ist und der poröse Bereich
mit der Verschlussschicht als Pumpenmembran betätigbar ist.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst der
Hohlraum einen kreisförmigen inneren Strömungskanal und ei
nen konzentrischen äusseren Strömungskanal, welche durch
radiale Durchgangsöffnungen in einem Trennbereich aus aus
dem Substratmaterial mit dem zweiten Dotierungstyp verbun
den sind, wobei der innere Strömungskanal durch einen Steg
unterbrochen ist und auf der einen Seite des Stegs eine
Rückseiten-Eingangsöffnung und auf der anderen Seite des
Stegs eine erste Rückseiten-Ausgangsöffnung vorgesehen
sind, und wobei im äusseren Strömungskanal eine zweite
Rückseiten-Ausgangsöffnung vorgesehen ist; so dass eine
durch die Rückseiten-Eingangsöffnung einströmendes Medium
durch die Zentrifugalkraft massenspezifisch durch die erste
und zweite Rückseiten-Ausgangsöffnung separierbar ist.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das
Substrat mindestens einen Graben auf, der teilweise mit
einem Dotierstoff des zweiten Dotierungstyp und teilweise
mit einem Füllmaterial aufgefüllt ist.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das
Substratmaterial Silizium.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die
Bereiche aus dem Substratmaterial mit dem zweiten Dotie
rungstyp in verschiedenen Tiefen im Substrat vorgesehen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er
läutert.
Es zeigen:
Fig. 1a-c eine schematische Querschnittsansicht zur Illu
stration einer Ausführungsform des erfindungsge
mässen Herstellungsverfahrens zum Herstellen ei
nes mikromechanischen Bauelements;
Fig. 2 eine Variante der Ausführungsform des erfindungs
gemässen Herstellungsverfahrens nach Fig. 1a;
Fig. 3a, b eine weitere Variante der Ausführungsform des er
findungsgemässen Herstellungsverfahrens nach Fig.
1;
Fig. 4a-d noch eine weitere Variante der Ausführungsform
des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens
nach Fig. 1;
Fig. 5a, b eine schematische Darstellung eines mikromechani
schen Bauelements gemäss einer ersten Ausfüh
rungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar
Fig. 5a in Querschnittsansicht und Fig. 5b in
Draufsicht;
Fig. 6a, b eine schematische Darstellung eines mikromechani
schen Bauelements gemäss einer zweiten Ausfüh
rungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar
Fig. 6a in Querschnittsansicht und Fig. 6b in
Draufsicht;
Fig. 7a, b eine schematische Querschnittsansicht eines mi
kromechanischen Bauelements gemäss einer dritten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
zwar Fig. 7a mit einer Mikro-Verschlusskugel und
Fig. 7b mit einer Mikro-Verschlussplatte;
Fig. 8a, b eine schematische Darstellung eines mikromechani
schen Bauelements gemäss einer vierten Ausfüh
rungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar
Fig. 9a in Querschnittsansicht und Fig. 8b in
Draufsicht;
Fig. 9a, b eine schematische Darstellung eines mikromechani
schen Bauelements gemäss einer ersten Ausfüh
rungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar
Fig. 9a in Querschnittsansicht und Fig. 9b in
Draufsicht; und
Fig. 10 eine schematische Querschnittsansicht eines be
kannten mikromechanischen Bauelements.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche
oder funktionsgleiche Komponenten.
Fig. 1a-c zeigen schematische Querschnittsansichten zur Il
lustration einer Ausführungsform des erfindungsgemässen
Herstellungsverfahrens zum Herstellen eines mikromechani
schen Bauelements.
In Fig. 1a bezeichnen 10 ein p-dotiertes Wafersubstrat aus
Silizium, 15 n-dotierte Bereiche im Substrat 10, 20 eine
Metallmaske und 21 Metallmaskenöffnungen.
Bei dem Verfahren gemäss der vorliegenden Ausführungsform
werden die n-dotierten Bereiche im Substrat 10 mit Stan
dardhalbleiterprozessen im p-dotierten Substrat 10 erzeugt.
Beispiele für solche Prozesse sind Implantationsverfahren,
bei denen durch die Einstellung der Energie die Eindring
tiefe mit einer entsprechenden Verteilung festgelegt werden
kann. Die n-dotierten Bereiche 15 sind somit in einer ge
wissen Tiefe unterhalb der Substratoberfläche und mögli
cherweise, obwohl nicht gezeigt, auch an der Substratober
fläche angeordnet.
Im darauffolgenden Prozessschritt werden Teile der Sub
stratoberfläche mit der Metallmaske 20 maskiert. An Stelle
der Metallmaske 20 könnte auch eine Nitridmaske, eine Oxi
nitridmaske u. ä. verwendet werden.
Mit Bezug auf Fig. 1b werden die durch die Maske 20 defi
nierten Bereiche des Substrats 10 durch Flusssäure (HF)
elektrochemisch porös geätzt. Die Porosität wird dabei
durch die Stromdichte gesteuert. Anfänglich wird eine ge
ringe Stromdichte angelegt, wodurch eine Schicht mit klei
ner Porosität erzeugt wird. Anschliessend wird die Strom
dichte über einen kritischen Wert erhöht. Zusätzlich kann
die Flusssäurekonzentration verringert werden oder andere
Lösungen, die eine H2-Bildung unterbinden, verwendet wer
den. Damit werden die Poren im unteren Bereich der porösen
Schicht 30 derart gross, dass das Substratmaterial voll
ständig herausgeätzt wird und sich der Hohlraum 50 unter
halb einer verbleibenden porösen Schicht 30 bildet. In die
sem Fall spricht man von Elektropolitur. Der Materialabtrag
erfolgt dabei durch die poröse Schicht 30.
Die sich so bildende Struktur in der Funktionsebene, gebil
det durch die Bereich 15, umfasst freigestellte Strukturen
60 und feststehende Strukturen 70, und insbesondere auch
Strukturelemente, welche durch einen Stützbereich 40 mit
der porösen Schicht 30 verbunden sind, also gleichsam eine
Membranstütze bilden. Je nach Breite der n-dotierten Struk
turen können die Strukturen also insbesondere auch unter
ätzt und somit freigestellt werden (siehe Bezugszeichen 60
in Fig. 1b).
Bei dem erfindungsgemässen Herstellungsverfahren gemäss
dieser Ausführungsform wird ausgenützt, dass unterschiedli
che Dotierungen, hier n und p, im Halbleitersubstrat 10 un
terschiedlich auf den elektrochemischen Ätzangriff reagie
ren. Insbesondere können die p-dotierten Bereiche im Halb
leitersubstrat 10 sehr gut anodisiert werden, die n-
dotierten Bereiche 15 wiederstehen dagegen dem Ätzangriff
sehr gut. Die vergrabenen n-dotierten Bereiche 15 werden
demnach während der Anodisierung nicht angegriffen. Ein
eventuell oberflächig gebildeter poröser Film auf den n-
dotierten Gebieten 15 kann durch Tempern in H2 oder durch
einen kurzen Dip in Silizium ätzenden Lösungen, z. B. TMAH,
oder KOH-haltigen Lösungen beseitigt werden. Die Ätzfront
läuft in diesem Fall um die n-dotierten Bereiche 15 herum.
Mit Bezug auf Fig. 1c können die Poren des porösem Sili
ziumbereichs 30, die den Hohlraum 50 nach oben begrenzen,
durch unterschiedliche Prozesse verschlossen werden. Mög
lich ist eine Schichtabscheidung mit Oxid, Nitrid, Metall,
Epitaxie oder die Aufoxidation der porösen Schicht 30 zur
Bildung der Verschlussschicht 75. Auch ein Tempern in H2
kann zu einem vakuumdichten Verschluss führen, beispiels
weise von Temperaturen oberhalb 1000°C. Die Druckverhält
nisse während des Verschliessprozesses bestimmen den sich
in Hohlraum 50 einstellenden Innendruck, wobei H2 durch
Tempern ausdiffundieren kann.
Die in Fig. 1c gezeigte Struktur könnte als Beschleuni
gungssensor dienen. In bekannter Weise können die freigestellten
Strukturen 60 bei Querbeschleunigungen schwingen,
wodurch sich periodisch der Abstand zwischen den freige
stellten Strukturen 60 und den feststehenden Strukturen 70
ändert. Die Abstandsänderung kann in bekannter Weise durch
ein Interdigitalkondensator kapazitiv ausgewertet werden.
Soll ein Vakuum unter der Verschlussmembran bestehend aus
dem porösem Bereich 30 und der Verschlussschicht 70 einge
schlossen werden, so kann diese durch die besagten Schütz
bereiche 40 stabilisiert werden.
Als Option können alle mit diesem Verfahren hergestellten
mikromechanischen Strukturen zusammen mit einer entspre
chenden integrierten Schaltung, z. B. eine Auswerteschal
tung, hergestellt werden. Dazu kann optional auf den porö
sen Bereich eine Epitaxieschicht abgeschieden werden. Die
entsprechenden Schaltungsbestandteile werden beispielsweise
in CMOS, Bipolar- oder Mischprozessen hergestellt.
Fig. 2 zeigt eine Variante der Ausführungsform des erfin
dungsgemässen Herstellungsverfahrens nach Fig. 1.
Mit Bezug auf Fig. 2 bezeichnet Bezugszeichen 200 eine Do
tierungsmaske und 201 eine Dotierungsmaskenöffnung. Im Un
terschied zu der Metallmaske 20 gemäss Fig. 1a-c wird bei
dieser Ausführungsform eine n-Dotierung als Maske 200 ver
wendet. Selbstverständlich ist auch die Kombination einer
n-Dotierung als Maske und einer zusätzlichen Maskenschicht
auf der dotierten Substratoberfläche, z. B. Nitrid, möglich.
Fig. 3a, b zeigen eine weitere Variante der Ausführungsform
des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens nach Fig. 1.
Bei der Variante gemäss Fig. 3 sind die n-dotierten Berei
che 30 in verschiedenen Tiefen vorgesehen. Dies ist insbe
sondere durch Wahl verschiedener Implantationsenergien mög
lich. Dadurch können auch Strukturen mit sehr komplexen
Tiefenprofilen hergestellt werden. In Fig. 3a, b darge
stellten Beispiel sind zwei verschiedene Implantationen zur
Erstellung der oberen Funktionsebene mit den n-dotierten
Bereichen 15a und zur Herstellung der Funktionsebene mit
den n-dotierten Bereichen 15b durchgeführt worden. Anson
sten verlaufen die Verfahrensschritte, wie bereits mit Be
zug auf Fig. 1a-c ausführlich beschrieben.
Eine weitere Möglichkeit, die zweite Funktionsebene einzu
bringen, ist nach der Implantation der ersten Funktionsebe
ne eine Epitaxieschicht aufzubringen, in die die zweite
Funktionsebene implantiert wird.
Fig. 4a-d zeigen noch eine weitere Variante der Ausfüh
rungsform des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens
nach Fig. 1.
In Fig. 4a bezeichnet 80 zusätzlich zu den bereits einge
führten Bezugszeichen Gräben im p-dotierten Halbleitersub
strat 10. Diese Gräben werden gemäss üblicher Techniken in
das Halbleitersubstrat 10 eingebracht, beispielsweise durch
eine Ätztechnik in Verbindung mit einer Hartmaske.
Wie in Fig. 4b gezeigt, findet nach der Schaffung der Grä
ben 80 eine Gasphasenbelegung mit einem n-dotierten Bele
gungsschichten 90, z. B. Epitaxiesilizium, statt, um die n-
dotierten Bereiche 15c zu bilden. Anschliessend werden, wie
mit Bezug auf Fig. 4c dargestellt, die Gräben mittels ei
nes Füllmaterials, z. B. Polysilizium, aufgefüllt und die
resultierende Struktur planarisiert. Schliesslich erfolgt
mit Bezug auf Fig. 4d die Abscheidung einer Epitaxie-
Polysiliziumschicht 150.
Diese Vorgehensweise von Grabenbildung, Dotierung, Auffül
lung und epitaktischer Abscheidung lässt sich zyklisch wie
derholen, um komplizierte Tiefenprofile zu erzeugen. Insbe
sondere ermöglicht diese Variante zur Erzeugung der n-
dotierten Bereiche mittels der Gräben 80 und der Belegungs
schicht 90 die Erstellung eines sehr scharfen Dotierungs
profils mit hohem Aspektverhältnis. Zur Auffüllung kann ne
ben z. B. n-dotierten Polysilizium auch Oxid, BPSG u. ä. ver
wendet werden. Insbesondere kann das Füllmaterial 100 auch
entweder n-dotiert oder p-dotiert sein, je nachdem wie die
resultierende Struktur aussehen soll.
Im Anschluss an Fig. 4d finden die mit Bezug auf Fig. 1b
und c erläuterten weiteren Prozessschritte statt.
Fig. 5a, b zeigen eine schematische Darstellung eines mikro
mechanischen Bauelements gemäss einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 5a in Quer
schnittsansicht und Fig. 5b in Draufsicht.
Fig. 5a, b illustrieren eine Anwendung als verzweigten
Strömungskanal mit definierten Durchlassöffnungen. Bei die
ser Ausführungsform sind die Durchlassöffnungen als Rück
seitenöffnungen 510 vorgesehen, während der poröse Bereich
30 durch eine Verschlussschicht 75 hermetisch verschlossen
ist. Die n-dotierten Bereiche 15 dienen zur Begrenzung des
Hohlraums 50a nach unten und damit als Boden des Strömungs
kanals. Die y-förmige Struktur des Strömungskanals lässt
sich durch eine geeigende Maskierung erreichen.
Insbesondere sind bei der in Fig. 5a, b gezeigten Struktur
Durchlassöffnungen 520 vorgesehen, welche in dem n-
dotierten Bereich 15 vorgesehen sind und dafür, dass beim
Ätzen der Rückseitenöffnungen 510 von der Rückseite her,
die Durchgänge nicht so gross werden, was durch das ent
sprechende kelchförmige Rückseitenätzprofil angedeutet ist.
Insofern wirkt der n-dotierte Bereich 15 auch als Ätzstop
für das Ätzen von der Rückseite her.
Bei einer nichtgezeigten Weiterbildung der Struktur nach
Fig. 5a, b wird eine zusätzliche Epitaxieschicht abge
schieden und darauf werden Leistungsbauelemente, z. B. Lei
stungstranistoren realisiert. Dann kann der Strömungskanal
eine Kühlflüssigkeit oder ein Kühlgas bzw. ein anderes
Kühlmedium leiten, so dass die Leistungsbauelemente von der
Rückseite her mit guter thermischer Ankopplung gekühlt werden
können. Dies hätte gegenüber einer Kühlung von der Vor
derseite den Vorteil, dass die Oberfläche nicht vor dem
Kühlmedium geschützt werden müsste. Bevorzugt wird für die
se nicht gezeigte Anwendung der Strömungskanal mäanderför
mig oder in sonstiger Richtung verschlungen ausgeführt.
Fig. 6a, b zeigen eine schematische Darstellung eines mikro
mechanischen Bauelements gemäss einer zweiten Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 6a in Quer
schnittsansicht und Fig. 6b in Draufsicht.
Die in Fig. 6a, b gezeigte Struktur ist eine Weiterbildung
der in Fig. 5a, b gezeigten Struktur. Hierbei sind piezo
resistive Widerstandselemente 630, 630' auf der Verschluss
schicht oberhalb des porösem Bereichs 30 vorgesehen. Bei
unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten in Strömungs
richtung ST ergibt sich somit ein unterschiedlicher Druck,
der die Membran und somit die piezoresistiven Widerstände
630, 630' unterschiedlich starker Spannung aussetzt. Die
daraus resultierende Widerstandsänderung kann ausgewertet
werden. Möglich ist auch der Einsatz einer Heizstruktur mit
Temperaturfühlern analog bis zu bisherigen thermischen Mas
senflusssensoren.
Vorteilhaft ist hierbei, dass aufgrund der Zuführung des
Massenflusses von der Rückseite her kein Medienschutz der
Widerstandselemente 630, 630' notwendig ist.
Fig. 7a, b zeigen eine schematische Querschnittsansicht ei
nes mikromechanischen Bauelements gemäss einer dritten Aus
führungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 7a
mit einer Mikro-Verschlusskugel und Fig. 7b mit einer Mi
kro-Verschlussplatte.
Die in Fig. 7a, b gezeigte Ausführungsform betrifft ein
Rückschlagventil. Hier bezeichnet 730 eine Mikro-
Verschlusskugel in Fig. 7a und 740 ein Mikro-
Verschlussplatte in Fig. 7b, welche zusammen mit Durch
gangsöffnung 720 in dem n-dotierten Bereich 15b ein Rück
schlagventil bilden. Dabei werden die Mikro-Verschlusskugel
730 bzw. die Mikro-Verschlussplatte 740 während des Anodi
sierungsprozesses gleichzeitig mit dem Durchgangskanal bzw.
der Durchlassöffnung 720 erzeugt und sorgen für eine Ab
dichtung der Durchlassöffnung 720 bei einem Rückfluss.
Fig. 8a, b zeigen eine schematische Darstellung eines mikro
mechanischen Bauelements gemäss einer vierten Ausführungs
form der Vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 9a in Quer
schnittsansicht und Fig. 8b in Draufsicht.
Bei dem in Fig. 8a, b dargestellten Beispiel handelt es
sich um eine Mikropumpe. Bei diesem Beispiel ist die Mem
bran bestehend aus dem porösem Bereich 30 und der Ver
schlussschicht 70 dünner ausgebildet und in der Richtung MA
auslenkbar.
Solch eine Auslenkung kann z. B. dadurch realisiert werden,
dass eine magnetische Schicht als Verschlussschicht 75 ver
wendet wird, welche durch einen Elektromagneten auslenkbar
ist. Ebenfalls denkbar sind eine thermische Auslenkung der
Membran oder eine elektrostatische Auslenkung. Dabei ver
grössert bzw. verkleinert sich der Hohlraum 50d volumenmä
ssig, und durch den Einsatz zweier unterschiedlicher Rück
schlagventile 830, 830' lässt sich eine Strömungsrichtung
ST einprägen. Beim vorliegenden Beispiel ist das Rück
schlagventil 830 kugelförmig ausgeführt und das Rückschlag
ventil 830' in Form eines Ellipsoid, welches mit einer el
lipsenförmigen länglichen Öffnung zusammenwirkt.
Beim Auslenken der Membran nach oben verschliesst das Rück
schlagventil 830' den rechten Einlass, während an dem Rück
schlagventil Flüssigkeit vorbeiströmen kann. Somit wird
durch die linke Durchlassöffnung Flüssigkeit angesaugt.
Beim Auslenken nach unten verschliesst das linke Rück
schlagventil 830 die runde Durchlassöffnung, während an dem
rechten Durchschlagventil 830' Flüssigkeit vorbeiströmen
kann. Somit wird die angesaugte Flüssigkeit durch die rech
te Durchlassöffnung herausgedrückt.
Fig. 9a, b zeigen eine schematische Darstellung eines mikro
mechanischen Bauelements gemäss einer fünften Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 9a in Quer
schnittsansicht und Fig. 9b in Draufsicht.
Die in Fig. 9a, b gezeigte Struktur stellt eine Gaszentri
fuge dar. Die Gaszentrifuge umfasst einen kreisförmigen in
neren Strömungskanal 50e und einen konzentrischen äusseren
Strömungskanal 50f, welche durch radiale Durchgangsöffnun
gen 905 in einem Trennbereich 15 aus dem Substratmaterial
miteinander verbunden sind. Der innere Strömungskanal ist
durch einen Steg 910 unterbrochen. Auf der einen Seite des
Stegs befindet sich eine Rückseiten-Eingangsöffnung E, und
auf der anderen Seite des Stegs 910 ist eine erste Rücksei
ten-Ausgangsöffnung A1 vorgesehen. Im äusseren Strömungska
nal 50f ist eine zweite Rückseitenöffnung A2 am Ende vorge
sehen. Damit ist ein durch die Rückseiten-Eingangsöffnung E
einströmendes Medium durch die Zentrifugalkraft massenspe
zifisch zur ersten bzw. zweiten Rückseiten-Ausgangsöffnung
A1, A2 leitbar. Mit anderen Worten werden aufgrund der Zen
trifugalkraft die schwereren Gasbestandteile in den äusse
ren Strömungskanal 50f gedruckt, während die leichteren
Gasbestandteile in den inneren Strömungskanal 50e bleiben.
Zur Verstärkung der betreffenden Trennwirkung können mehre
re solcher Gaszentrifugen seriell hintereinander geschaltet
werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevor
zugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie dar
auf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifi
zierbar.
Es können insbesondere beliebige mikromechanische Grundma
terialien, wie z. B. Germanium, verwendet werden, und nicht
nur das exemplarisch angeführte Siliziumsubstrat. Auch kön
nen beliebige Sensorstrukturen gebildet werden.
Claims (24)
1. Mikromechanisches Bauelement mit:
einem Substrat (10) aus einem Substratmaterial mit einem ersten Dotierungstyp (p);
einer in dem Substrat (10) vorgesehenen mikromechanischen Funktionsstruktur; und
einer Abdeckschicht zum zumindest teilweisen Abdecken der mikromechanischen Funktionsstruktur;
dadurch gekennzeichnet, dass
die mikromechanische Funktionsstruktur Bereiche (15; 15a; 15b; 15c; 730; 740; 830) aus dem Substratmaterial mit einem zweiten Dotierungstyp (n) aufweist, die zumindest teilweise von einem Hohlraum (50; 50a-f) umgeben sind; und
die Abdeckschicht eine poröse Schicht (30) aus dem Sub stratmaterial aufweist.
einem Substrat (10) aus einem Substratmaterial mit einem ersten Dotierungstyp (p);
einer in dem Substrat (10) vorgesehenen mikromechanischen Funktionsstruktur; und
einer Abdeckschicht zum zumindest teilweisen Abdecken der mikromechanischen Funktionsstruktur;
dadurch gekennzeichnet, dass
die mikromechanische Funktionsstruktur Bereiche (15; 15a; 15b; 15c; 730; 740; 830) aus dem Substratmaterial mit einem zweiten Dotierungstyp (n) aufweist, die zumindest teilweise von einem Hohlraum (50; 50a-f) umgeben sind; und
die Abdeckschicht eine poröse Schicht (30) aus dem Sub stratmaterial aufweist.
2. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Verschlussschicht (75) zum Ver
schliessen der Poren der porösen Schicht (30) vorgesehen
ist.
3. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussschicht (75) ei
ne auf dem porösen Bereich gebildete Oxidschicht aufweist.
4. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, 2 oder
3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Berei
che (15; 15a; 15b; 15c; 730; 740; 830) aus dem Substratma
terial mit dem zweiten Dotierungstyp (n) einen Stützbereich
(40) zum Stützen des porösen Bereichs (30) aufweist.
5. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens
einer der Bereiche (15; 15a; 15b; 15c; 730; 740; 830) aus
dem Substratmaterial mit dem zweiten Dotierungstyp (n)
vollständig von seiner Umgebung losgelöst oder federnd mit
dem Substrat verbunden ist.
6. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum
(50a-f) einen Strömungskanal umfasst, der durch mindestens
zwei Rückseitenöffnungen (E, A1, A2; 510; 610; 710; 810)
anschliessbar ist.
7. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Rückseitenöffnungen (E, A1, A2;
510; 610; 710; 810) über eine jeweilige Durchlassöffnung
(520, 620, 720, 820, 820') angeschlossen sind, die im Be
reich (15) gebildet ist.
8. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschlussschicht (75)
zum Verschliessen der Poren der porösen Schicht (30) vorge
sehen ist und auf der Verschlussschicht (75) eine Erfas
sungseinrichtung (630; 630') zum piezoresisistiven Erfassen
der Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen ist.
9. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Strömungskanals
eine Rückschlagventileinrichtung oberhalb einer entspre
chenden Durchlassöffnung (520, 620, 720, 820, 820') vorge
sehen ist, die mindestens einen der Bereiche (730; 740;
830) aus dem Substratmaterial mit dem zweiten Dotierungstyp
(n) aufweist, der vollständig von seiner Umgebung losgelöst
oder federnd mit dem Substrat verbunden ist.
10. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, dass zwei Rückschlagventileinrichtungen un
terschiedlicher Geometrie oberhalb einer entsprechenden
Durchlassöffnung (820, 820') vorgesehen sind; eine Ver
schlussschicht (75) zum Verschliessen der Polen der porösen
Schicht (30) vorgesehen ist; und der poröse Bereich (30)
mit der Verschlussschicht (75) als Pumpenmembran betätigbar
ist.
11. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum
(50a-f) einen kreisförmigen inneren Strömungskanal (50e)
und einen konzentrischen äusseren Strömungskanal (50f) um
fasst, welche durch radiale Durchgangsöffnungen (905) in
einem Trennbereich (15) aus dem Substratmaterial mit dem
zweiten Dotierungstyp (n) verbunden sind umfasst, wobei der
innere Strömungskanal (50e) durch einen Steg (910) unter
brochen ist und auf der einen Seite des Stegs (910) eine
Rückseiten-Eingangsöffnung (E) und auf der anderen Seite
des Stegs (910) eine erste Rückseiten-Ausgangsöffnung (A1)
vorgesehen sind, und wobei im äusseren Strömungskanal (50f)
eine zweite Rückseiten-Ausgangsöffnung (A2) vorgesehen ist;
so dass ein durch die Rückseiten-Eingangsöffnung (E) ein
strömendes Medium durch die Zentrifugalkraft massenspezi
fisch durch die erste und zweite Rückseiten-Ausgangsöffnung
(A1; A2) separierbar ist.
12. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat
(10) mindestens einen Graben (80) aufweist, der teilweise
mit einem Dotierstoff des zweiten Dotierungstyp (n) und
teilweise mit einem Füllmaterial (100) aufgefüllt ist.
13. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sub
stratmaterial Silizium ist.
14. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche
(15; 15a; 15b; 15c; 730; 740; 830) aus dem Substratmaterial
mit dem zweiten Dotierungstyp (n) in verschiedenen Tiefen
im Substrat (10) vorgesehen sind.
15. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bau
elementes mit den Schritten:
Bereitstellen eines Substrats (1) aus einem Substratmateri al mit einem ersten Dotierungstyp (p);
Vorsehen einer mikromechanischen Funktionsstruktur in dem Substrat (10); und
Vorsehen einer Abdeckschicht zum zumindest teilweisen Ab decken der mikromechanischen Funktionsstruktur;
gekennzeichnet durch die Schritte
Vorsehen von Bereichen (15; 15a; 15b; 15c; 730; 740; 830) aus dem Substratmaterial mit einem zweiten Dotierungstyp (n) in der mikromechanischen Funktionsstruktur;
Bilden einer Maske (20; 200) für die mikromechanische Funk tionsstruktur; und
anodisches Ätzen der mikromechanischen Funktionsstruktur mit den Bereichen (15; 15a; 15b; 15c; 730; 740; 830) unter Verwendung der Maske, so dass die Bereiche (15; 15a; 15b; 15c; 730; 740; 830) zumindest teilweise von einem Hohlraum (50; 50a-f) umgeben sind und sich die Abdeckschicht als ei ne poröse Schicht (30) aus dem Substratmaterial bildet.
Bereitstellen eines Substrats (1) aus einem Substratmateri al mit einem ersten Dotierungstyp (p);
Vorsehen einer mikromechanischen Funktionsstruktur in dem Substrat (10); und
Vorsehen einer Abdeckschicht zum zumindest teilweisen Ab decken der mikromechanischen Funktionsstruktur;
gekennzeichnet durch die Schritte
Vorsehen von Bereichen (15; 15a; 15b; 15c; 730; 740; 830) aus dem Substratmaterial mit einem zweiten Dotierungstyp (n) in der mikromechanischen Funktionsstruktur;
Bilden einer Maske (20; 200) für die mikromechanische Funk tionsstruktur; und
anodisches Ätzen der mikromechanischen Funktionsstruktur mit den Bereichen (15; 15a; 15b; 15c; 730; 740; 830) unter Verwendung der Maske, so dass die Bereiche (15; 15a; 15b; 15c; 730; 740; 830) zumindest teilweise von einem Hohlraum (50; 50a-f) umgeben sind und sich die Abdeckschicht als ei ne poröse Schicht (30) aus dem Substratmaterial bildet.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Verschlussschicht (75) zum Verschliessen der Po
ren der porösen Schicht (30) vorgesehen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Verschlussschicht (75) durch eine Oxida
tion der porösen Schicht (30) gebildet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch ge
kennzeichnet, dass eine Temperung durchgeführt wird, um ei
nen oberflächlich gebildeten porösen Film auf den Bereichen
(15; 15a; 15b; 15c; 730; 740; 830) zu entfernen.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, dass die Maske (200) durch Dotieren der
Oberfläche des Substrats (10) zum Erzeugen von Bereichen
des zweiten Dotierungstyps (n) gebildet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, dass die Bereiche (15; 15a; 15b; 15c; 730;
740; 830) aus dem Substratmaterial mit dem zweiten Dotie
rungstyp (n) in verschiedenen Tiefen im Substrat (10) vor
gesehen werden.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
dass die Bereiche (15; 15a; 15b; 15c; 730; 740; 830) durch
eine zyklische Abfolge von Dotieren des Substrats (10) und
epitaktischem Abscheiden des Substratmaterials hergestellt
werden.
22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
dass die Bereiche (15; 15a; 15b; 15c; 730; 740; 830) durch
mehrere Implantationen mit verschiedenen Eindringtiefen
hergestellt werden.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch
gekennzeichnet, dass die Bereiche (15; 15a; 15b; 15c; 730;
740; 830) aus dem Substratmaterial mit dem zweiten Dotie
rungstyp (n) durch die folgenden Schritte hergestellt wer
den:
Vorsehen von Gräben (80) in dem Substrat (10);
Einbringen eines Dotierstoffs des zweiten Dotierungstyp (n) in die Gräben (80);
Auffüllen der Gräben mit einem Füllmaterial (100);
Planarisieren der resultierenden Struktur; und
epitaktisches Abscheiden des Substratmaterials.
Vorsehen von Gräben (80) in dem Substrat (10);
Einbringen eines Dotierstoffs des zweiten Dotierungstyp (n) in die Gräben (80);
Auffüllen der Gräben mit einem Füllmaterial (100);
Planarisieren der resultierenden Struktur; und
epitaktisches Abscheiden des Substratmaterials.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet,
dass das Einbringen des Dotierstoffs des zweiten Dotie
rungstyp (n) in die Graben (80) durch eine Gasphasenab
scheidung erfolgt.
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