-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein MEMS-Bauelement, dessen mikromechanische Struktur in einem Schichtaufbau auf einem Substrat realisiert ist, wobei einzelne Komponenten der mikromechanischen Struktur jeweils im Wesentlichen in einer mechanischen Funktionsschicht dieses Schichtaufbaus ausgebildet sind.
-
Ein derartiges MEMS-Bauelement wird beispielsweise in der
US 6,535,460 B2 beschrieben. Das MEMS-Bauelement umfasst hier eine mikromechanische Mikrofonstruktur mit einer akustisch aktiven Membran, die in einer ersten mechanischen Funktionsschicht ausgebildet ist und eine Schallöffnung in der Substratrückseite überspannt. In einer weiteren mechanischen Funktionsschicht über der Membran und mit Abstand zu dieser ist ein feststehendes Gegenelement ausgebildet. Das Gegenelement weist Durchgangsöffnungen auf, so dass es akustisch durchlässig ist. Die Signalerfassung erfolgt hier kapazitiv, indem die Membran als bewegliche Elektrode fungiert und zusammen mit einer feststehenden Elektrode auf dem Gegenelement eine Kondensatoranordnung bildet. Der Schichtaufbau und die Mikrofonstruktur des bekannten MEMS-Mikrofonbauelements werden mikrosystemtechnisch hergestellt, wobei halbleitende, dielektrische, metallische und/oder auf Kunststoff basierende Schichtmaterialien verwendet werden.
-
Bei den mechanischen Funktionsschichten derartiger mikromechanischer Bauelemente handelt es sich meist um Schichten aus halbleitendem Material und/oder um Schichten aus dielektrischem Material, die bei sehr hohen Temperaturen von 500°C bis über 1000°C abgeschieden werden. In diesem Fall können zuvor im Herstellungsprozess auf dem Substrat nur Dünnschichtmaterialien und -prozesse eingesetzt werden, die diesen hohen Abscheidetemperaturen standhalten. Wesentlich ist, dass die Temperaturen, denen das Bauelement während seiner Herstellung ausgesetzt ist, nicht zu einer unbeabsichtigten Veränderung der Eigenschaften einzelner Schichten des Schichtaufbaus führen, wie z.B. zu einer Veränderung der Schichtspannung oder der -leitfähigkeit, bedingt durch eine Verdichtung des anfänglich polykristallinen Schichtmaterials. Dadurch können nämlich beispielsweise Risse in einzelnen Schichten entstehen und/oder hohe Stressgradienten innerhalb des Schichtaufbaus, die zur Verformung der Bauelementstruktur führen. Kunststoffe können nur dann im Rahmen des Herstellungsprozesses, beispielsweise als Passivierung oder Opferschicht, eingesetzt werden, wenn die nachfolgenden Prozesse bei Temperaturen deutlich unterhalb der Zersetzungstemperatur des Kunststoffmaterials durchgeführt werden.
-
Metalle, wie z.B. Aluminium, können zwar bei niedrigeren Temperaturen abgeschieden werden, neigen jedoch schon unter geringen mechanischen Lasten zum Kriechen, was bei mehrfachem Auftreten langfristig zu irreversiblen Deformationen mechanischer Funktionselemente bzw. einer Veränderung ihrer mechanischen Eigenschaften führen kann. Dies macht sich dann als Drift des Bauelementsignals bemerkbar. Außerdem verändert sich der ursprünglich eingestellte mechanische Spannungszustand bei hohen Temperaturen, wie sie beispielsweise beim Lötprozess oder beim thermischen Zyklieren auftreten.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Mit der vorliegenden Erfindung wird die Einbindung mindestens eines Metall-Keramik-Mehrfachstapels in den Schichtaufbau eines MEMS-Bauelements der eingangs genannten Art vorgeschlagen. Erfindungsgemäß fungiert der Metall-Keramik-Mehrfachstapel als mechanische Funktionsschicht, in der zumindest eine Komponente der mikromechanischen Struktur des MEMS-Bauelements ausgebildet ist.
-
Derartige Metall-Keramik-Mehrfachstapel (multilayer) wurden als Alternative zu metallischen Leiterbahnmaterialien entwickelt, insbesondere als Alternative zu Aluminiumschichten, die bei einer für Leiterbahnen typischen Dicke von ca. 3,5µm eine relativ niedrige Kriechgrenze aufweisen. Bei Metall-Keramik-Mehrfachstapeln wird ausgenutzt, dass die Kriechgrenze einer Metallschicht umso höher ist, je dünner diese Metallschicht ist. So ist beispielsweise die Kriechgrenze einer 500nm dicken Al-Schicht bereits so hoch, dass sie Temperaturen, wie sie beispielsweise im Rahmen eines Lötprozesses auftreten, standhält, ohne dass es zu einer merklichen Änderung mechanischer Eigenschaften, wie z. B. dem Schichtstress, kommt. Allerdings ist der elektrische Widerstand einer derartig dünnen Al-Schicht zu hoch für die Realisierung von schmalen Leiterbahnen in hochintegrierten Schaltungen. Deshalb können in Metall-Keramik-Mehrfachstapeln mehrere dünne Metallschichten, getrennt durch sehr dünne Keramikschichten zusammengefasst werden. Es hat sich gezeigt, dass die Kriechgrenze eines solchen Mehrfachstapels in der Größenordnung einer der dünnen Metallschichten liegt, während der elektrische Widerstand deutlich niedriger ist.
-
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass derartige Metall-Keramik-Mehrfachstapel nicht nur als Leiterbahnmaterial eingesetzt werden können, sondern auch sehr gute mechanische Eigenschaften aufweisen, so dass sie in vorteilhafter Weise auch als Funktionsschicht zur Realisierung von feststehenden aber auch beweglichen mikromechanischen Strukturelementen genutzt werden können. So lassen sich beispielsweise der mechanische Spannungszustand und der thermische Ausdehnungskoeffizient eines Metall-Keramik-Mehrfachstapels sehr genau einstellen. Vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist außerdem, dass derartige Metall-Keramik-Mehrfachstapel bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen erzeugt werden können. Dies ermöglicht den Einsatz von temperaturempfindlichen Dünnschichtmaterialien und -prozessen im Rahmen der Herstellung der erfindungsgemäßen MEMS-Bauelemente, insbesondere vor dem Erzeugen der mechanischen Funktionsschichten. So können beispielsweise auch Kunststoffe wie Polymere als Opferschichtmaterialien verwendet werden.
-
Grundsätzlich gibt es viele Möglichkeiten für die Realisierung eines derartigen Metall-Keramik-Mehrfachstapels als mechanischer Funktionsschicht, was die Materialien, die Schichtdicken sowie die Anzahl und Abfolge der Schichten betrifft. Da diese Parameter sowohl die elektrischen als auch die mechanischen Eigenschaften des Metall-Keramik-Mehrfachstapels bestimmen, hängt ihre Wahl maßgeblich von der Funktion und Konfiguration des jeweiligen MEMS-Bauelements ab.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Metall-Keramik-Funktionsschicht aus Aluminium-Kupfer (AlCu)-Schichten und Titannitrid (TiN- bzw. Ti/TiN)-Zwischenschichten. Diese Variante zeichnet sich durch eine besondere Robustheit und Temperaturbeständigkeit aber auch durch sehr gute elastische und elektrische Eigenschaften und ihre Kompatibilität zu Halbleiterprozessen aus. Die Aluminium-Kupfer-Legierung kann beispielsweise zu 99,5% aus Al und zu 0,5% aus Cu bestehen und eine Schichtdicke von ca. 500nm aufweisen, während die Schichtdicke der TiN-Zwischenschichten im Bereich von 10nm liegen könnte. Die Schichtdicken sollten jedenfalls möglichst so gewählt werden, dass die Korngrößen innerhalb der einzelnen Schichten des Mehrfachstapels möglichst klein bleiben. Der Multilagenstapel besteht aus mindestens zwei Metall-Keramik-Schichtabfolgen bei bevorzugt gleichen Einzelschichtdicken.
-
Zum Erzeugen einer derartigen TiN/AlCu-Multilagenfunktionsschicht im Rahmen der Herstellung eines erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements wird vorteilhafterweise zunächst mindestens eine Ti/TiN-Schicht auf einem beschichteten oder auch unbeschichteten Substrat abgeschieden. Dies kann im Rahmen eines Schaltungsprozesses sein. Die Ti/TiN-Schicht dient als Haftvermittlerschicht und ist in der Regel dünner als 200nm. Darüber werden dann AlCu-Schichten im Wechsel mit TiN- bzw. Ti/TiN-Schichten abgeschieden, beispielsweise durch Sputtern, und zwar so lange, bis die gewünschte Zieldicke der Funktionsschicht erreicht ist. Den Abschluss bildet vorteilhafterweise ebenfalls eine TiN- bzw. Ti/TiN-Schicht. Wie bereits erwähnt, sollten die AlCu-Schichten möglichst dünn sein, um das Entstehen von großen Al-Körnern innerhalb der AlCu-Schicht zu verhindern. Dazu tragen auch die Ti/TiN-Zwischenschichten bei, die das Entstehen von sehr feinkörnigen AlCu-Schichten begünstigen. Da die Korngrenzen als Barriere für das Gleiten von Versetzungen wirken, weist ein derartiger Mehrfachstapel eine sehr hohe Kriechgrenze auf. Außerdem wird das Kriechen des Aluminiums dadurch selbst bei hohen Temperaturen verhindert oder zumindest deutlich reduziert. Zudem ist eine solche TiN/AlCu-Funktionsschicht in einem vergleichsweise großen Temperatur- und Schichtstressbereich elastisch dehnbar, was sich insbesondere für die Realisierung von beweglichen mikromechanischen Strukturelementen als vorteilhaft erweist.
-
Im Rahmen eines erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements können neben den mechanischen Eigenschaften einer Metall-Keramik-Funktionsschicht auch deren elektrische Eigenschaften genutzt werden. Dementsprechend fungiert in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mindestens eine in der Metall-Keramik-Funktionsschicht ausgebildete Komponente der mikromechanischen Struktur als Elektrode. Diese kann – je nach Funktion des MEMS-Bauelements – zur Signalerfassung oder auch Ansteuerung einzelner Strukturelemente genutzt werden.
-
An dieser Stelle sei nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, dass ganz unterschiedliche feststehende oder auch bewegliche mikromechanische Strukturelemente in Metall-Keramik-Funktionsschichten realisiert werden können. Demnach ist die vorliegende Erfindung nicht auf MEMS-Bauelemente mit einer bestimmten Funktion und/oder Bauform beschränkt.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung dreier Anwendungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
-
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch ein erstes erfindungsgemäßes MEMS-Bauelement 10 mit einer Mikrofonstruktur;
-
2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch ein zweites erfindungsgemäßes MEMS-Bauelement 20 mit einer Mikrofonstruktur und
-
3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch ein drittes erfindungsgemäßes MEMS-Bauelement 30, das als Drucksensor konfiguriert ist.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Bei dem in 1 dargestellten MEMS-Bauelement 10 handelt es sich um ein Mikrofonbauelement, dessen Mikrofonstruktur in einem Schichtaufbau auf einem Substrat 1 realisiert ist. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Halbleitersubstrat, wie einen Siliziumwafer, handeln. Die Mikrofonstruktur umfasst eine akustisch aktive Membran 11, die eine Schallöffnung 14 in der Substratrückseite überspannt und aus einer Polysiliziumschicht des Schichtaufbaus herausstrukturiert ist. Des Weiteren umfasst die Mikrofonstruktur ein feststehendes akustisch durchlässiges Gegenelement 15 mit Durchgangsöffnungen 16, das im Schichtaufbau über der Membran 11 angeordnet ist. Das feststehende Gegenelement 15 ist hier in einer Metall-Keramik-Funktionsschicht 4 ausgebildet, und zwar aus einem TiN/AlCu-Mehrfachstapel. Die tensile Spannung dieser Metall-Keramik-Funktionsschicht 4 trägt zur Steifigkeit des Gegenelements 15 bei. Auch die elektrische Leitfähigkeit der Metall-Keramik-Funktionsschicht 4 wird hier genutzt, indem das feststehende Gegenelement 15 als Elektrode fungiert und zusammen mit der auslenkbaren Membran 11 einen Mikrofonkondensator bildet. Die Membran 11 ist über Federelemente 12 im Randbereich mit dem feststehenden Gegenelement 15 verbunden. Da diese Federaufhängung 12 aus einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht 2 herausstrukturiert ist, sind Membran 11 und Gegenelement 15 gegeneinander elektrisch isoliert. Die TiN-Trennschichten zwischen den AlCu-Schichten der Metall-Keramik-Funktionsschicht 4 verhindern ein Kriechen der AlCu-Schichten sowohl während des Reflow-Lötprozesses bei ca. 280°C im Rahmen der Herstellung des Bauelements 10 als auch im Betrieb, so dass sich die Mikrofonperformance während der gesamten Lebenszeit des Bauelements 10 nicht wesentlich verändert.
-
Bei dem in 2 dargestellten MEMS-Bauelement 20 handelt es sich ebenfalls um ein kapazitives Mikrofonbauelement, dessen Mikrofonstruktur in einem Schichtaufbau auf einem Substrat 1 realisiert ist. Auch hier umfasst die Mikrofonstruktur eine akustisch aktive Membran 21, die eine Schallöffnung 14 in der Substratrückseite überspannt, und ein feststehendes akustisch durchlässiges Gegenelement 25 mit Durchgangsöffnungen 26, das im Schichtaufbau über der Membran 21 angeordnet ist. Im Unterschied zu dem voranstehend beschriebenen Mikrofonbauelement 10 ist die Membran 21 hier allerdings, genauso wie das Gegenelement 25, in einer Metall-Keramik-Funktionsschicht 3 in Form eines TiN/AlCu-Mehrlagenstapels realisiert. Dadurch lässt sich in der Membran 21 ein genauer Stresszustand einstellen, der sich weder im Herstellungsprozess beim Reflow-Löten noch über die Lebenszeit des Bauelements 20 verändert. Die Membran 21 ist über eine elektrisch isolierende Aufhängung 12 an das Gegenelement 25 angebunden. Wie im Fall des Mikrofonbauelements 10 bilden auch im Fall des Mikrofonbauelements 20 die Membran 21 und das Gegenelement 25 die Elektroden eines Mikrofonkondensators zur Signalerfassung.
-
Das in 3 dargestellte MEMS-Bauelement 30 dient der Absolutdruckerfassung. Die Bauelementstruktur ist auch hier in einem Schichtaufbau auf einem Substrat 1 ausgebildet. Sie umfasst eine druckempfindliche Membran 31 in der Oberseite des Bauelements 30, die eine Kaverne 32 innerhalb des Schichtaufbaus überspannt und abschließt. Die Membran 31 ist hier in einer Metall-Keramik-Funktionsschicht 3 ausgebildet, und zwar aus einem TiN/AlCu-Mehrfachstapel, was eine genaue Einstellung des Stresszustands der Membran 31 ermöglicht, der sich wegen der erhöhten Kriechgrenze des Multilagenstapels weder im Herstellungsprozess beim Reflow-Löten noch über die Lebenszeit des Bauelements 30 verändert. Die Signalerfassung erfolgt auch im Fall des Bauelements 30 kapazitiv, wobei die Membran 31 als Messelektrode genutzt wird. Sie bildet zusammen mit einer Elektrode 33 am Boden der Kaverne 32 eine Messkondensatoranordnung.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
