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DE102023209211A1 - Method for producing a microelectromechanical component structure, microelectromechanical component structure, microelectromechanical device and microelectromechanical loudspeaker - Google Patents

Method for producing a microelectromechanical component structure, microelectromechanical component structure, microelectromechanical device and microelectromechanical loudspeaker Download PDF

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DE102023209211A1
DE102023209211A1 DE102023209211.5A DE102023209211A DE102023209211A1 DE 102023209211 A1 DE102023209211 A1 DE 102023209211A1 DE 102023209211 A DE102023209211 A DE 102023209211A DE 102023209211 A1 DE102023209211 A1 DE 102023209211A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
substrate
etch stop
layer
microelectromechanical
component structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102023209211.5A
Other languages
German (de)
Inventor
Peter Engelhart
Andreas Winden
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102023209211.5A priority Critical patent/DE102023209211A1/en
Priority to PCT/EP2024/075789 priority patent/WO2025061619A1/en
Publication of DE102023209211A1 publication Critical patent/DE102023209211A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Bauteilstruktur (200) mit einem eine Substratoberfläche (21) aufweisenden ersten Substrat (20) und mit zumindest einem vertikalen Funktionsbereich (F), der sich im Wesentlichen senkrecht zu der Substratoberfläche (21) erstreckt, wobei der zumindest eine vertikale Funktionsbereich (F) durch Erzeugen und Passivieren mindestens eines vertikalen Grabens (70) von einem angrenzenden Opferbereich (O) abgegrenzt und durch Entfernen des Opferbereiches (O) freigestellt wird, wobei auf der Substratoberfläche (21) des ersten Substrats (20) durch Aufbringen zumindest einer Schicht (22) eine Bondoberfläche (23) hergestellt wird und wobei auf die Bondoberfläche (23) ein zweites Substrat (30) aufgebracht wird, in welchem mindestens ein vertikaler Graben (70) bis zu der Bondoberfläche (23) des ersten Substrats (20) erzeugt wird. Die Erfindung betrifft auch eine mikroelektromechanische Bauteilstruktur (200), eine mikroelektromechanische Vorrichtung (300) und einen mikroelektromechanischen Lautsprecher (400).

Figure DE102023209211A1_0000
The invention relates to a method (100) for producing a microelectromechanical component structure (200) with a first substrate (20) having a substrate surface (21) and with at least one vertical functional region (F) which extends substantially perpendicular to the substrate surface (21), wherein the at least one vertical functional region (F) is delimited from an adjacent sacrificial region (O) by creating and passivating at least one vertical trench (70) and is exposed by removing the sacrificial region (O), wherein a bonding surface (23) is created on the substrate surface (21) of the first substrate (20) by applying at least one layer (22), and wherein a second substrate (30) is applied to the bonding surface (23), in which at least one vertical trench (70) is created up to the bonding surface (23) of the first substrate (20). The invention also relates to a microelectromechanical component structure (200), a microelectromechanical device (300) and a microelectromechanical loudspeaker (400).
Figure DE102023209211A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Bauteilstruktur, eine mikroelektromechanische Bauteilstruktur, eine mikroelektromechanische Vorrichtung und einen mikroelektromechanischen Lautsprecher.The invention relates to a method for producing a microelectromechanical component structure, a microelectromechanical component structure, a microelectromechanical device and a microelectromechanical loudspeaker.

Stand der TechnikState of the art

Mikroelektromechanische Strukturen, auch unter dem Begriff MEMS-Strukturen geläufig, sowie Verfahren zu deren Herstellung sind aus dem Stand der Technik bekannt.Microelectromechanical structures, also known as MEMS structures, and methods for their production are known from the state of the art.

Die DE 10 2015 206 996 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von mikroelektromechanischen Strukturen in einer Schichtenfolge und ein entsprechendes elektronisches Bauelement mit einer mikroelektromechanischen Struktur. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Trägersubstrats mit einer ersten Oberfläche, ein Aufbringen einer Isolationsschicht auf die erste Oberfläche, ein epitaktisches Aufwachsen einer ersten Siliziumschicht auf die Isolationsschicht, ein Strukturieren der ersten Siliziumschicht zum Ausbilden von Gräben in der ersten Siliziumschicht, ein Passivieren der ersten Siliziumschicht, wobei die Gräben befüllt werden und sich auf einer der ersten Oberfläche abgewandten Seite eine Passivierungsschicht bildet, ein Strukturieren der Passivierungsschicht, wobei sich in der ersten Siliziumschicht Opferbereiche und Funktionsbereiche ausbilden und die Opferbereiche auf einer der Trägersubstrat abgewandten Seite zumindest stellenweise frei von der Passivierungsschicht sind, und schließlich Entfernen der Opferbereiche.The DE 10 2015 206 996 A1 discloses a method for producing microelectromechanical structures in a layer sequence and a corresponding electronic component with a microelectromechanical structure. The method comprises providing a carrier substrate with a first surface, applying an insulating layer to the first surface, epitaxially growing a first silicon layer on the insulating layer, structuring the first silicon layer to form trenches in the first silicon layer, passivating the first silicon layer, wherein the trenches are filled and a passivation layer is formed on a side facing away from the first surface, structuring the passivation layer, wherein sacrificial regions and functional regions are formed in the first silicon layer and the sacrificial regions on a side facing away from the carrier substrate are at least partially free of the passivation layer, and finally removing the sacrificial regions.

Die EP 3 912 953 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Bauelements, bei dem eine erste und eine zweite Strukturschicht hergestellt sowie mit Gräben und Maskierungsschichten versehen werden.The EP 3 912 953 A1 describes a method for manufacturing a MEMS component in which a first and a second structural layer are produced and provided with trenches and masking layers.

Der US 2015 / 0 274 512 A1 sind MEMS-Vorrichtungen und Herstellungsverfahren hierzu zu entnehmen, bei denen auf einem ersten Substrat eine erste dielektrische Schicht mit integrierten Schaltkreisen gebildet, hierauf eine zweite dielektrische Schicht mit einem Beschleunigungssensor erzeugt und auf die zweite dielektrische Schicht ein zweites Substrat aufgebracht wird.The US 2015 / 0 274 512 A1 MEMS devices and manufacturing methods for them can be found in which a first dielectric layer with integrated circuits is formed on a first substrate, a second dielectric layer with an acceleration sensor is produced thereon and a second substrate is applied to the second dielectric layer.

Die US 8 043 931 B1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Siliziumstruktur durch Herstellen von strukturierten Einzelschichten sowie Ausrichten und Zusammenfügen der Einzelschichten.The US 8 043 931 B1 relates to a method for producing a multilayer silicon structure by producing structured individual layers and aligning and joining the individual layers.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Bauteilstruktur mit einem eine Substratoberfläche aufweisenden ersten Substrat und mit zumindest einem vertikalen Funktionsbereich, der sich im Wesentlichen senkrecht zu der Substratoberfläche erstreckt, wobei der zumindest eine vertikale Funktionsbereich durch Erzeugen und Passivieren mindestens eines vertikalen Grabens von einem angrenzenden Opferbereich abgegrenzt und durch Entfernen des Opferbereiches freigestellt wird, wobei auf der Substratoberfläche des ersten Substrats durch Aufbringen zumindest einer Schicht eine Bondoberfläche hergestellt wird und wobei auf die Bondoberfläche ein zweites Substrat aufgebracht wird, in welchem mindestens ein vertikaler Graben erzeugt wird.According to the features of independent claim 1, a method is proposed for producing a microelectromechanical component structure with a first substrate having a substrate surface and with at least one vertical functional region which extends substantially perpendicular to the substrate surface, wherein the at least one vertical functional region is delimited from an adjacent sacrificial region by creating and passivating at least one vertical trench and is exposed by removing the sacrificial region, wherein a bonding surface is created on the substrate surface of the first substrate by applying at least one layer and wherein a second substrate is applied to the bonding surface, in which at least one vertical trench is created.

Mit anderen Worten wird vorgeschlagen, mikroelektromechanische Bauteilstrukturen mit einem mehr als ein Substrat aufweisenden Schichtaufbau zu erzeugen, wobei grundsätzlich durch die Verwendung von Substraten höhere Schichtdicken als beispielsweise mit epitaktischen Aufwachsprozessen oder Abscheidungsprozessen erreichbar sind. Demnach ist es mit dem vorgeschlagenen Verfahren möglich, mikroelektromechanische Bauteilstrukturen und Funktionsbereiche mit großen vertikalen Ausdehnungen, beispielsweise größer 100µm, prozesstechnisch vereinfacht herzustellen. Zudem können mit dem vorgestellten Verfahren lateral schmale Strukturen hergestellt werden, beispielsweise mit einer Breite unter 20 µm, die zudem mit einer engen Toleranzbreite realisiert werden können, beispielsweise unter 10 µm, unter 5 µm oder unter 2 µm. Durch eine schmale Struktur kann beispielsweise die Beweglichkeit des Funktionsbereiches erhöht und dessen Steifigkeit herabgesetzt werden. Durch die Herstellungsweise mit passivierten vertikalen Gräben sowie später noch erläuterten optionalen horizontalen Ätzstoppbereichen, die jeweils Opferbereiche und Funktionsbereiche voneinander abgrenzen können und eine Freistellung der Funktionsbereiche durch die Entfernung der Opferbereiche ermöglichen oder alternativ Funktionsbereiche unterschiedlichen Potentials voneinander trennen können, kann eine hohe Gestaltungsfreiheit mit nahezu beliebigen vertikalen und horizontalen Strukturen ermöglicht werden. Die Funktionsbereiche können beispielsweise mechanische oder elektrische Verbindungen ausbilden und sich über die gesamte vertikale Ausdehnung der Bauteilstruktur oder eines Trägers der Bauteilstruktur, beispielsweise eines MEMS-Chips, oder nur über einen Teilbereich derselben ausdehnen und lokal individuell gestaltet werden. Hierbei können beispielsweise auch bewegliche Strukturen erzeugt oder elektrische Verbindungen und Isolationen frei definiert und gestaltet werden, beispielsweise ist eine vertikale und/oder horizontale elektrische Potentialführung oder -trennung möglich. Zudem kann beispielsweise eine horizontale elektrische Potentialführung zu mechanischen Stabilitätszwecken oder zu einer horizontalen Verbindung von vertikal versetzten Strukturen genutzt werden. Zudem können die Gräben in dem zweiten Substrat oder in später noch erläuterten weiteren Substraten einfach und mit hoher Genauigkeit im Vergleich zu einer Grabenherstellung in Materialschichtfolgen mit einzeln aufgebrachten Materialschichten mit vergleichbarer vertikaler Erstreckung erzeugt werden. Überdies kann die mikroelektromechanische Struktur mittels des vorgestellten Verfahrens wirtschaftlich effizient hergestellt werden, da mit einem Substrat kostengünstig eine große Schichthöhe gegenüber durch epitaktische Aufwachsprozesse oder Abscheidungsprozesse hergestellten Materialschichten vergleichbarer vertikaler Erstreckung erreichbar ist. Des Weiteren ist das vorgestellte Verfahren CMOS- und hochtemperaturtauglich. Ein Anbinden eines zweiten oder weiteren Substrats, beispielsweise mittels eines Direkt-Waferbondverfahrens, ist zudem thermisch und energetisch günstiger gegenüber beispielsweise epitaktischen Aufwachsprozessen bei vergleichbarer Strukturhöhe. Beispielsweise können epitaktische Aufwachsprozesse eine Prozesstemperatur von über 1.000 °C erfordern, während Waferbondprozesse bereits bei unter 100 °C stattfinden können. Zudem kann bei dem vorgestellten Verfahren mit einem geringeren Waferbow gerechnet werden. Durch die Erzeugung eines stabilen massiven Schichtaufbaus mit Substraten sind während des Verfahrens keine beweglichen Strukturen vorhanden und die späteren Strukturen sind über vertikale und horizontale Passivierungs- und Ätzstoppstrukturen während des Prozessflusses fixiert, sodass eine hohe Prozesssicherheit gewährleistet werden kann. Die Tiefenstrukturierung der Bauteilstruktur erfolgt durch die Konturierung der Funktions- und Opferbereiche, sodass kein großvolumiges Ätzen im Trenchprozess erforderlich ist und die Strukturelemente genauer definiert werden können, was zu einem verringerten Trenchwinkel und einem geringeren Tilting führt.In other words, it is proposed to produce microelectromechanical component structures with a layer structure comprising more than one substrate, whereby the use of substrates generally allows for greater layer thicknesses to be achieved than, for example, with epitaxial growth processes or deposition processes. Accordingly, the proposed method makes it possible to produce microelectromechanical component structures and functional areas with large vertical dimensions, for example, greater than 100 µm, in a process-technically simplified manner. In addition, the presented method can be used to produce laterally narrow structures, for example with a width of less than 20 µm, which can also be realized with a narrow tolerance range, for example, less than 10 µm, less than 5 µm, or less than 2 µm. A narrow structure can, for example, increase the mobility of the functional area and reduce its rigidity. The manufacturing method with passivated vertical trenches and optional horizontal etch stop regions (explained later) that can delimit sacrificial regions and functional regions from one another and enable the functional regions to be exposed by removing the sacrificial regions or, alternatively, separate functional regions with different potentials from one another, enables a high degree of design freedom with almost any vertical and horizontal structures. The functional regions can, for example, form mechanical or electrical connections and extend across the entire vertical extent of the component structure or a carrier of the component structure, for example, a MEMS chip, or only across a portion of the same, and can be individually designed locally. This also allows for the creation of movable structures or electrical connections. and insulations can be freely defined and designed; for example, vertical and/or horizontal electrical potential guidance or separation is possible. Furthermore, horizontal electrical potential guidance can be used, for example, for mechanical stability purposes or for a horizontal connection of vertically offset structures. Furthermore, the trenches in the second substrate or in further substrates explained later can be created easily and with high precision compared to trench production in material layer sequences with individually applied material layers with a comparable vertical extension. Furthermore, the microelectromechanical structure can be manufactured economically and efficiently using the presented method, since a large layer height can be achieved cost-effectively with one substrate compared to material layers of comparable vertical extension produced by epitaxial growth processes or deposition processes. Furthermore, the presented method is suitable for CMOS and high temperatures. Connecting a second or further substrate, for example, using a direct wafer bonding process, is also thermally and energetically more favorable than, for example, epitaxial growth processes with a comparable structure height. For example, epitaxial growth processes may require a process temperature of over 1,000°C, while wafer bonding processes can take place at temperatures below 100°C. Furthermore, the presented process can be expected to have a smaller wafer bow. By creating a stable, solid layer structure with substrates, no movable structures are present during the process, and the subsequent structures are fixed via vertical and horizontal passivation and etch stop structures during the process flow, thus ensuring high process reliability. The deep structuring of the component structure is achieved by contouring the functional and sacrificial regions, eliminating the need for large-volume etching during the trench process and allowing the structural elements to be defined more precisely, resulting in a reduced trench angle and lower tilt.

Das erste Substrat, auch unter der Bezeichnung Wafer geläufig, kann beispielsweise ein insbesondere monokristallin ausgeführtes Siliziumsubstrat sein. Das erste Substrat kann eine flächige Trägerstruktur der mikroelektromechanischen Bauteilstruktur mit einer Grundfläche und einer der Grundfläche gegenüberliegenden Substratoberfläche bilden, auf der die weitere Bauteilstruktur als Schichtenfolge aufgebaut werden kann. Die Grundfläche und die Substratoberfläche können den größten Flächenanteil des ersten Substrats sowie jeweils eine Länge und Breite aufweisen, die größer als die Tiefe des ersten Substrats ist. Die Erstreckungsrichtungen der Substratoberfläche können eine horizontale Ebene der mikroelektromechanischen Bauteilstruktur definieren. Die Bauteilstruktur kann beispielsweise ein rechteckförmiges Querschnittsprofil aufweisen.The first substrate, also known as a wafer, can be, for example, a silicon substrate, particularly a monocrystalline one. The first substrate can form a planar support structure for the microelectromechanical component structure, having a base area and a substrate surface opposite the base area, on which the further component structure can be built up as a layer sequence. The base area and the substrate surface can comprise the largest area portion of the first substrate and each have a length and width that are greater than the depth of the first substrate. The directions of extension of the substrate surface can define a horizontal plane of the microelectromechanical component structure. The component structure can, for example, have a rectangular cross-sectional profile.

Der mit dem vorgestellten Verfahren erzeugte vertikale Funktionsbereich kann eine vertikale Erstreckung senkrecht zu der Substratoberfläche aufweisen, die größer ist als eine horizontale Erstreckung des Funktionsbereichs parallel zu der Substratoberfläche. Der vertikale Funktionsbereich kann insbesondere als schmale Struktur ausgeführt sein, beispielsweise eine Breite unter 20 µm aufweisen oder eine mehrfach, beispielsweise mindestens fünffach oder mindestens zehnfach größere Erstreckung in vertikaler Richtung als in horizontaler Breiten- und/oder Tiefenrichtung aufweisen. Als schmale Struktur kann der vertikale Funktionsbereich bestimmte Funktionen der mikroelektromechanischen Bauteilstruktur in vorteilhafter Weise erfüllen, beispielsweise eine bewegliche Struktur und hierdurch ein Sensierelement bilden oder eine mechanische Funktion wie beispielsweise eine Stützfunktion zwischen voneinander beabstandeten Bauteilelementen übernehmen.The vertical functional region produced using the method presented can have a vertical extension perpendicular to the substrate surface that is greater than a horizontal extension of the functional region parallel to the substrate surface. The vertical functional region can, in particular, be designed as a narrow structure, for example, have a width of less than 20 µm or have an extension in the vertical direction that is several times, for example, at least five times or at least ten times greater than in the horizontal width and/or depth direction. As a narrow structure, the vertical functional region can advantageously fulfill certain functions of the microelectromechanical component structure, for example, form a movable structure and thereby a sensing element or assume a mechanical function such as a support function between spaced-apart component elements.

Das Erzeugen eines vertikalen Grabens kann beispielsweise mittels eines Trenchprozesses umgesetzt werden, um einen schmalen Graben mit hoher Genauigkeit zu erzeugen. Zumindest ein in dem zweiten Substrat erzeugter Graben kann sich vorteilhaft bis zu der Bondoberfläche des ersten Substrats erstrecken. Die Position des Grabens oder mehrerer Gräben kann zur Grabenerzeugung beispielsweise durch eine als Maskierungsschicht wirkende strukturierte Ätzstoppschicht vorgegeben werden. Das Passivieren des erzeugten vertikalen Grabens kann als Oberflächenpassivierung der Grabenoberfläche und beispielsweise durch Verfüllen eines Passivierungsmaterials erfolgen, welches als Ätzbarriere wirkt, sodass ein Ätzprozess an dem passivierten Graben stoppt. Beispielsweise kann auf das den vertikalen Graben aufweisende zweite Substrat eine horizontale Ätzstoppschicht aufgebracht werden, die aufgrund von Kapillareffekten in den vertikalen Graben eindringt und diesen passiviert.The creation of a vertical trench can be implemented, for example, using a trenching process to create a narrow trench with high precision. At least one trench created in the second substrate can advantageously extend to the bonding surface of the first substrate. The position of the trench or multiple trenches can be predetermined for trench creation, for example, by a structured etch stop layer acting as a masking layer. The passivation of the created vertical trench can be carried out as surface passivation of the trench surface and, for example, by filling a passivation material that acts as an etch barrier, so that an etching process stops at the passivated trench. For example, a horizontal etch stop layer can be applied to the second substrate having the vertical trench; this etch stop layer penetrates into the vertical trench due to capillary effects and passivates it.

Das Aufbringen zumindest einer Schicht kann sich auf das Aufbringen einer Materialschicht aus einem insbesondere halbleiterbasierten Material beziehen. Eine solche Materialschicht kann beispielsweise eine monokristalline, polykristalline oder amorphe Siliziumschicht sein oder eine dielektrische Schicht mit einer Siliziumverbindung wie beispielsweise Siliziumdioxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4) sein. Das Aufbringen zumindest einer Schicht kann sich des Weiteren auf das Aufbringen einer Hilfsschicht wie einer Ätzstoppschicht oder Opferschicht beziehen, die im Verlauf des Verfahrens oder anschließend optional wieder entfernt werden kann, beispielsweise mittels eines HF-Gasphasenätzprozesses. Ätzstoppschichten oder Opferschichten können beispielsweise eine Siliziumverbindung wie Siliziumdioxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4) aufweisen. Mit einer Ätzstoppschicht können beispielsweise horizontale Begrenzungen innerhalb der Bauteilstruktur definiert und angrenzende Strukturbereiche vor einem Ätzangriff geschützt werden. Insbesondere ist es denkbar, Ätzstoppbereiche in Abschnitten der Bauteilstruktur vorzusehen, an denen ein später eingebrachter vertikaler Graben enden soll. Das Aufbringen zumindest einer Schicht kann sich des Weiteren auf das Aufbringen einer Schichtfolge beziehen, die beispielsweise eine oder mehrere Materialschichten und/oder eine oder mehrere Hilfsschichten aufweisen kann. Eine aufgebrachte Schicht kann zudem optional beispielsweise durch Ätzen strukturiert werden, beispielsweise um voneinander beabstandete Schichtbereiche zu bilden.The application of at least one layer can refer to the application of a material layer made of, in particular, a semiconductor-based material. Such a material layer can be, for example, a monocrystalline, polycrystalline or amorphous silicon layer or a dielectric layer with a silicon compound such as, for example, silicon dioxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ). The application of at least one layer can further refer to the application of an auxiliary layer such as an etch stop layer or sacrificial layer, which can be ren or subsequently optionally removed again, for example by means of an HF gas phase etching process. Etch stop layers or sacrificial layers can, for example, comprise a silicon compound such as silicon dioxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ). With an etch stop layer, for example, horizontal boundaries within the component structure can be defined and adjacent structure regions can be protected from etching attack. In particular, it is conceivable to provide etch stop regions in sections of the component structure at which a later introduced vertical trench is to end. The application of at least one layer can furthermore relate to the application of a layer sequence which can, for example, comprise one or more material layers and/or one or more auxiliary layers. An applied layer can also optionally be structured, for example by etching, for example in order to form layer regions spaced apart from one another.

Das zweite Substrat sowie später noch angesprochene weitere Substrate können hinsichtlich Material und Dimensionierung ähnlich oder identisch zu dem ersten Substrat ausgeführt sein. Beispielsweise kann das zweite oder weitere Substrat vorteilhaft ein insbesondere monokristallin ausgeführtes Siliziumsubstrat sein. Gemäß einer Ausführungsform können das erste Substrat und das zweite oder weitere Substrat im Wesentlichen gleiche Substrathöhen aufweisen. Alternativ ist es denkbar, dass das zweite oder weitere Substrat eine größere oder kleinere Substrathöhe aufweist, um individuelle Schichthöhen der mikroelektromechanischen Bauteilstruktur definieren zu können. Die Substrathöhe kann beispielsweise auch durch ein Abdünnen des zweiten oder weiteren Substrats beeinflusst werden. Das Aufbringen des zweiten oder weiteren Substrats kann beispielsweise mittels eines Wafer-Direktbondprozesses erfolgen.The second substrate and further substrates discussed later can be designed similarly or identically to the first substrate in terms of material and dimensions. For example, the second or further substrate can advantageously be a silicon substrate, in particular a monocrystalline one. According to one embodiment, the first substrate and the second or further substrate can have substantially the same substrate heights. Alternatively, it is conceivable for the second or further substrate to have a larger or smaller substrate height in order to be able to define individual layer heights of the microelectromechanical component structure. The substrate height can also be influenced, for example, by thinning the second or further substrate. The application of the second or further substrate can take place, for example, using a wafer direct bonding process.

Die Bondoberfläche kann eine dem ersten Substrat abgewandte Oberfläche des Schichtaufbaus aufweisend das erste Substrat und mindestens eine Schicht sein, wobei die Bondoberfläche parallel zur Substratoberfläche des ersten Substrats verlaufen kann. Die Bondoberfläche ist zur Anbindung des zweiten Substrats an den bisherigen Schichtaufbau vorgesehen und bildet eine Grenzfläche zwischen zumindest einer auf das erste Substrat aufgebrachten Schicht und dem zweiten Substrat. Hierbei kann es vorteilhaft sein, eine durchgehende Bondoberfläche zu schaffen, sodass das zweite Substrat plan auf der Bondoberfläche aufliegen kann. Insbesondere kann eine strukturierte Schicht mit durch die Strukturierung voneinander beabstandeten Schichtabschnitten derart mit einem Material verfüllt werden, dass eine durchgehende Bondoberfläche geschaffen wird.The bonding surface can be a surface of the layer structure facing away from the first substrate, comprising the first substrate and at least one layer, wherein the bonding surface can run parallel to the substrate surface of the first substrate. The bonding surface is provided for connecting the second substrate to the existing layer structure and forms an interface between at least one layer applied to the first substrate and the second substrate. In this case, it can be advantageous to create a continuous bonding surface so that the second substrate can lie flat on the bonding surface. In particular, a structured layer with layer sections spaced apart from one another by the structuring can be filled with a material in such a way that a continuous bonding surface is created.

Nach dem Einbringen und Passivieren des mindestens einen vertikalen Grabens oder in einem Abschlussprozess des Verfahrens kann eine Freistellung des Funktionsbereiches durch Entfernen eines angrenzenden Opferbereiches erfolgen. An den Funktionsbereich können auch mehrere, beispielsweise zwei oder mehr Opferbereiche angrenzen, die zur Freistellung des Funktionsbereiches entfernt werden. Die Entfernung kann mittels eines Ätzprozesses erfolgen, der beispielsweise vertikal an dem passivierten Graben und horizontal an einer Hilfsschicht wie einer Ätzstoppschicht stoppen kann. Der Ätzprozess kann beispielsweise zur Entfernung von Siliziummaterial geeignet sein. Der Ätzprozess kann zum Beispiel ein isotroper Plasmaätzprozess unter Verwendung von beispielsweise Schwefelhexafluorid (SF6) oder ein Gasphasenätzprozess unter Verwendung von beispielsweise Xenondifluorid (XeF2) sein. Die Entfernung der Opferbereiche kann ausgehend von der Oberfläche eines zuletzt aufgebrachten Substrats und/oder ausgehend von der Rückseite des ersten Substrats, die der Substratoberfläche des ersten Substrats gegenüberliegt, vorgenommen werden. Optional kann zudem im Anschluss an das Entfernen des Opferbereiches ein Entfernen von Passivierungs- und Ätzstoppmaterial aus der Bauteilstruktur erfolgen, um eine vollständige Freistellung des Funktionsbereiches bewirken zu können.After the introduction and passivation of the at least one vertical trench or in a final process of the method, the functional region can be exposed by removing an adjacent sacrificial region. Several sacrificial regions, for example two or more, can also adjoin the functional region and are removed to expose the functional region. The removal can be carried out by means of an etching process, which can, for example, stop vertically at the passivated trench and horizontally at an auxiliary layer such as an etch stop layer. The etching process can, for example, be suitable for removing silicon material. The etching process can, for example, be an isotropic plasma etching process using, for example, sulfur hexafluoride (SF 6 ) or a gas-phase etching process using, for example, xenon difluoride (XeF 2 ). The removal of the sacrificial regions can be carried out starting from the surface of a last-applied substrate and/or starting from the backside of the first substrate, which is opposite the substrate surface of the first substrate. Optionally, after removing the sacrificial area, passivation and etch stop material can be removed from the component structure in order to achieve complete exposure of the functional area.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Bondoberfläche des ersten Substrats durch Aufbringen und Strukturieren einer ersten Ätzstoppschicht zur Bildung von voneinander beabstandeten Ätzstoppbereichen und durch Auffüllen von Zwischenräumen zwischen den Ätzstoppbereichen mit einer Materialschicht erzeugt werden. Hierdurch kann gezielt eine Bondoberfläche erzeugt werden, die Ätzstoppbereiche als Ätzbarriere beispielsweise zur Begrenzung der Einbringtiefe vertikaler Gräben bereitstellen kann. Zudem können die Ätzstoppbereiche eine horizontale Begrenzung beispielsweise zwischen einem Opferbereich und einem Funktionsbereich der Bauteilstruktur bilden, sodass ein Ätzprozess zur Entfernung eines Opferbereichs auf dem Ätzstoppbereich stoppt und ein angrenzender Bereich vor einem Ätzangriff geschützt wird. Die Ätzstoppschicht kann beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht oder eine Siliziumnitridschicht sein. Die Ätzstoppschicht kann beispielsweise mittels thermischer Oxidation und/oder chemischer Gasphasenabscheidung aufgebracht werden. Durch horizontal verlaufende Ätzstoppbereiche und durch vertikal verlaufende passivierte Gräben ist eine hohe Gestaltungsfreiheit bei der geometrischen Gestaltung der Funktions- und Opferbereiche gegeben. Zudem können überlappende oder verzahnte Strukturelemente oder Strukturbereiche realisiert werden. Die Materialschicht kann beispielsweise ein Halbleitermaterial, insbesondere ein Siliziummaterial sein.According to one embodiment, the bonding surface of the first substrate can be created by applying and structuring a first etch stop layer to form spaced-apart etch stop regions and by filling gaps between the etch stop regions with a material layer. This allows a bonding surface to be specifically created that can provide etch stop regions as an etch barrier, for example, to limit the depth of vertical trenches. Furthermore, the etch stop regions can form a horizontal boundary, for example, between a sacrificial region and a functional region of the component structure, so that an etching process for removing a sacrificial region stops at the etch stop region and an adjacent region is protected from etching attack. The etch stop layer can be, for example, a silicon dioxide layer or a silicon nitride layer. The etch stop layer can be applied, for example, by means of thermal oxidation and/or chemical vapor deposition. Horizontally extending etch stop regions and vertically extending passivated trenches provide a high degree of design freedom in the geometric configuration of the functional and sacrificial regions. In addition, overlapping or interlocking structural elements or structural regions can be realized. The material layer can be, for example, a semiconductor material, in particular a silicon material.

Gemäß einer Ausführungsform können die Zwischenräume mit einem monokristallinen Siliziummaterial als Materialschicht aufgefüllt werden. Hierdurch kann beispielsweise bei einem monokristallinen ersten Substrat und einem monokristallinen zweiten Substrat durch die Materialschicht eine durchgängig monokristalline vertikale Struktur über den Schichtaufbau erzeugt werden. Eine durchgängig monokristalline vertikale Struktur kann besonders günstige mechanische und elektrische Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise kann die Struktur eine erhöhte Bruchfestigkeit aufweisen oder eine thermische Leitfähigkeit der Struktur erhöhen. Die Materialschicht kann beispielsweise durch epitaktisches Aufwachsen oder durch Abscheidung, beispielsweise durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), aufgebracht werden. Gemäß anderen Ausführungsformen ist es auch denkbar, beispielsweise ein polykristallines oder amorphes Siliziummaterial für die Materialschicht zu verwenden.According to one embodiment, the gaps can be filled with a monocrystalline silicon material as a material layer. As a result, for example, in the case of a monocrystalline first substrate and a monocrystalline second substrate, a continuously monocrystalline vertical structure can be created across the layer structure by the material layer. A continuously monocrystalline vertical structure can have particularly favorable mechanical and electrical properties. For example, the structure can have increased fracture strength or increase the thermal conductivity of the structure. The material layer can be applied, for example, by epitaxial growth or by deposition, for example by chemical vapor deposition (CVD). According to other embodiments, it is also conceivable to use, for example, a polycrystalline or amorphous silicon material for the material layer.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Bondoberfläche des ersten Substrats durch chemische und/oder mechanische Bearbeitung für das Aufbringen des zweiten Substrats vorbereitet werden. Hierdurch kann eine zuverlässige und plane Anbindung des zweiten Substrats an die Bondoberfläche gewährleistet werden. Beispielsweise kann ein Planarisieren der Bondoberfläche erfolgen. Die Bearbeitung kann beispielsweise durch Polieren, zum Beispiel durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP-Prozess) erfolgen. Des Weiteren ist es beispielsweise denkbar, das zweite Substrat nach dem Aufbringen auf die Bondoberfläche auf eine vordefinierte Strukturhöhe der Substratoberfläche des zweiten Substrats mittels Schleifen und/oder Polieren abzudünnen. Das zweite Substrat kann vor oder nach einem optionalen Abdünnprozess beispielsweise eine Dicke von über 100 µm, von über 200 µm oder über 400 µm aufweisen.According to one embodiment, the bonding surface of the first substrate can be prepared for the application of the second substrate by chemical and/or mechanical processing. This can ensure a reliable and flat connection of the second substrate to the bonding surface. For example, the bonding surface can be planarized. The processing can be carried out, for example, by polishing, for example by chemical-mechanical polishing (CMP process). Furthermore, it is conceivable, for example, to thin the second substrate after application to the bonding surface to a predefined structural height of the substrate surface of the second substrate by means of grinding and/or polishing. The second substrate can, for example, have a thickness of more than 100 µm, more than 200 µm, or more than 400 µm before or after an optional thinning process.

Gemäß einer Ausführungsform kann auf der dem ersten Substrat abgewandten Substratoberfläche des zweiten Substrats eine weitere Bondoberfläche erzeugt und ein weiteres Substrat auf die Bondoberfläche des zweiten Substrats aufgebracht werden, in welchem mindestens ein weiterer vertikaler Graben erzeugt wird. Hierdurch kann die vertikale Erstreckung der Bauteilstruktur sowie eines Funktionsbereiches der Bauteilstruktur effizient auf einfache Weise weiter erhöht werden. Der zumindest eine weitere vertikale Graben kann insbesondere bis zu der Bondoberfläche des zweiten Substrats eingebracht werden. Das Erzeugen der weiteren Bondoberfläche kann analog zum Erzeugen der Bondoberfläche auf dem ersten Substrat erfolgen, beispielsweise durch Aufbringen und Strukturieren einer Ätzstoppschicht zur Bildung von voneinander beabstandeten Ätzstoppbereichen und durch Auffüllen von Zwischenräumen zwischen den Ätzstoppbereichen mit einer Materialschicht, wobei die Materialschicht beispielsweise ein Siliziummaterial, insbesondere ein monokristallines Siliziummaterial sein und beispielsweise durch epitaktisches Aufwachsen oder durch Abscheidung aufgebracht werden kann. Das Aufbringen eines weiteren Substrats kann analog zu dem Aufbringen des zweiten Substrats erfolgen, beispielsweise mittels eines Wafer-Direktbondprozesses. Des Weiteren ist es beispielsweise denkbar, das weitere Substrat nach dem Aufbringen auf die Bondoberfläche auf eine vordefinierte Strukturhöhe der Substratoberfläche des weiteren Substrats mittels Schleifen und/oder Polieren abzudünnen. Das weitere Substrat kann vor oder nach einem optionalen Abdünnprozess beispielsweise eine Dicke von über 100 µm, von über 200 µm oder über 400 µm aufweisen. Das Erzeugen weiterer vertikaler Gräben kann analog zu dem Erzeugen von Gräben in dem zweiten Substrat erfolgen, beispielsweise mittels eines Trenchprozesses.According to one embodiment, a further bonding surface can be created on the substrate surface of the second substrate facing away from the first substrate, and a further substrate can be applied to the bonding surface of the second substrate, in which at least one further vertical trench is created. This allows the vertical extension of the component structure and of a functional region of the component structure to be further increased efficiently and easily. The at least one further vertical trench can in particular be introduced up to the bonding surface of the second substrate. The creation of the further bonding surface can be carried out analogously to the creation of the bonding surface on the first substrate, for example by applying and structuring an etch stop layer to form spaced-apart etch stop regions and by filling gaps between the etch stop regions with a material layer. The material layer can be a silicon material, in particular a monocrystalline silicon material, and can be applied, for example, by epitaxial growth or by deposition. The application of a further substrate can be carried out analogously to the application of the second substrate, for example by means of a wafer direct bonding process. Furthermore, it is conceivable, for example, to thin the additional substrate after application to the bonding surface to a predefined structural height of the substrate surface of the additional substrate by grinding and/or polishing. The additional substrate can, for example, have a thickness of more than 100 µm, more than 200 µm, or more than 400 µm before or after an optional thinning process. The creation of additional vertical trenches can be carried out analogously to the creation of trenches in the second substrate, for example, using a trenching process.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorbeschriebenen Ausführungsform kann ein Aufbringen zumindest einer Schicht auf eine Substratoberfläche eines Substrats, ein Erzeugen einer Bondoberfläche, ein Aufbringen eines weiteren Substrats und ein Erzeugen und Passivieren mindestens eines vertikalen Grabens in dem weiteren Substrat zyklusförmig wiederholt werden, bis eine vordefinierte Zielhöhe des vertikalen Funktionsbereiches erreicht ist. Hierdurch kann die vertikale Erstreckung der Bauteilstruktur sowie eines Funktionsbereiches der Bauteilstruktur effizient auf einfache Weise weiter erhöht werden. Nach Erreichen der vordefinierten Zielhöhe, die optional durch ein Abdünnen des zuletzt aufgebrachten Substrats präzise eingestellt werden kann, kann eine Freistellung des Funktionsbereichs durch Entfernen des Opferbereichs erfolgen.According to one configuration of the above-described embodiment, applying at least one layer to a substrate surface of a substrate, creating a bonding surface, applying a further substrate, and creating and passivating at least one vertical trench in the further substrate can be repeated cyclically until a predefined target height of the vertical functional region is reached. This allows the vertical extension of the component structure and of a functional region of the component structure to be further increased efficiently and easily. After reaching the predefined target height, which can optionally be precisely adjusted by thinning the last applied substrate, the functional region can be exposed by removing the sacrificial region.

Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Startprozess, einen Zyklusprozess und einen Abschlussprozess aufweisen, wobei der Startprozess die folgenden Schritte aufweist:

  • - Bereitstellen des ersten Substrats;
  • - Aufbringen einer ersten Ätzstoppschicht auf das erste Substrat; und
  • - Erzeugen von voneinander beabstandeten Ätzstoppbereichen durch Strukturieren der ersten Ätzstoppschicht.
According to one embodiment, the method may comprise a start process, a cycle process and a termination process, wherein the start process comprises the following steps:
  • - Providing the first substrate;
  • - applying a first etch stop layer to the first substrate; and
  • - Creating spaced-apart etch stop regions by structuring the first etch stop layer.

Demnach kann das Verfahren in unterschiedliche Verfahrensabschnitte unterteilt werden, wobei eine initiale Verfahrensphase als Startprozess und eine finale Verfahrensphase als Abschlussprozess bezeichnet wird. Der Zyklusprozess kann eine Abfolge von Verfahrensschritten beinhalten, die zwischen dem Startprozess und dem Abschlussprozess in beliebiger Häufigkeit zyklusförmig wiederholt werden kann. Hierdurch kann ein sehr vielseitiges und dennoch einfaches Verfahren bereitgestellt werden, das beispielsweise hinsichtlich seiner Zyklusanzahl variabel und individuell auf vorgegebene Anforderungen an die zu erzeugende Bauteilstruktur angepasst werden kann. Die einzelnen Schichtebenen können individuell und unabhängig voneinander strukturiert und gestaltet werden, sodass in jedem Zyklus ein Abschnitt eines Gesamtlayouts der Bauteilstruktur mit individuellen geometrischen Strukturen herstellbar ist. Mit dem initialen Startprozess wird ein Einstieg in den Zyklusprozess ermöglicht. Während des Startprozesses wird ein erstes Substrat als Trägerstruktur bereitgestellt und eine erste Ätzstoppschicht auf dieses aufgebracht und strukturiert. Weitere Verfahrensschritte können beispielsweise direkt im Anschluss im Rahmen des Zyklusprozesses vorgenommen werden.Accordingly, the process can be divided into different process stages, with an initial process phase being referred to as the start process and a final process phase being referred to as the completion process. The cycle process can include a sequence of process steps that can be repeated in a cycle-like manner with any desired frequency between the start process and the completion process. This can result in a very versatile and Nevertheless, a simple process can be provided which, for example, can be varied in terms of its number of cycles and individually adapted to the specified requirements of the component structure to be created. The individual layer levels can be structured and designed individually and independently of one another, so that a section of an overall layout of the component structure with individual geometric structures can be produced in each cycle. The initial start process enables entry into the cycle process. During the start process, a first substrate is provided as a carrier structure and a first etch stop layer is applied to it and structured. Further process steps can, for example, be carried out directly afterwards as part of the cycle process.

Gemäß einer Ausführungsform kann der Zyklusprozess die folgenden Schritte aufweisen:

  • - Auffüllen von Zwischenräumen zwischen den beabstandeten Ätzstoppbereichen mit einer Materialschicht zur Bildung einer Bondoberfläche;
  • - Bonden eines zweiten oder weiteren Substrats an die gebildete Bondoberfläche;
  • - Aufbringen einer zweiten Ätzstoppschicht auf das weitere Substrat;
  • - Erzeugen von voneinander beabstandeten Ätzstoppbereichen durch Strukturieren der zweiten Ätzstoppschicht;
  • - Erzeugen mindestens eines vertikalen Grabens zwischen den Ätzstoppbereichen der zweiten Ätzstoppschicht, insbesondere bis zu einem Ätzstoppbereich der ersten Ätzstoppschicht;
  • - Aufbringen einer dritten Ätzstoppschicht und Passivierung des mindestens einen Grabens; und
  • - Erzeugen von voneinander beabstandeten Ätzstoppbereichen durch Strukturieren der dritten Ätzstoppschicht.
According to one embodiment, the cycle process may comprise the following steps:
  • - Filling gaps between the spaced etch stop areas with a layer of material to form a bonding surface;
  • - Bonding a second or further substrate to the formed bonding surface;
  • - Applying a second etch stop layer to the further substrate;
  • - Creating spaced-apart etch stop regions by structuring the second etch stop layer;
  • - creating at least one vertical trench between the etch stop regions of the second etch stop layer, in particular up to an etch stop region of the first etch stop layer;
  • - applying a third etch stop layer and passivating the at least one trench; and
  • - Creating spaced-apart etch stop regions by structuring the third etch stop layer.

Die vorgenannten Schritte können in der beschriebenen Abfolge zyklusförmig wiederholt werden, beispielsweise bis die Bauteilstruktur oder ein Funktionsbereich der Bauteilstruktur eine vordefinierte vertikale Zielhöhe erreicht hat. Optional kann nach dem Auffüllen von Zwischenräumen zwischen den beabstandeten Ätzstoppbereichen mit einer Materialschicht zur Bildung einer Bondoberfläche ein Planarisieren der Bondoberfläche erfolgen, um eine optimierte plane Oberfläche für die Anbindung des zweiten oder weiteren Substrats bereitzustellen. Die Ätzstoppbereiche der zweiten Ätzstoppschicht können eine Maskierung bilden, wobei die Bereiche zwischen den Ätzstoppbereichen die Positionen der zu erzeugenden Gräben definieren können. Optional können die Ätzstoppbereiche der zweiten Ätzstoppschicht nach dem Erzeugen des mindestens einen vertikalen Grabens wieder entfernt werden, beispielsweise durch Ätzen und/oder mechanische Bearbeitung, um einen gleichmäßigen Auftrag einer dritten Ätzstoppschicht zu ermöglichen. Die dritte Ätzstoppschicht kann beispielsweise durch Abscheiden oder Aufwachsen an der dem ersten Substrat abgewandten Substratoberfläche des zweiten Substrats erzeugt werden, wobei sich durch das Aufbringen der dritten Ätzstoppschicht auch auf der Oberfläche des mindestens einen vertikalen Grabens eine Passivierungsschicht ausbildet und eine Grabenstrukturöffnung des Grabens an der Substratoberfläche verschlossen wird. Die zweite und die dritte Ätzstoppschicht können beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht oder Siliziumnitridschicht sein. Mit dem letzten beschriebenen Schritt des Erzeugens von voneinander beabstandeten Ätzstoppbereichen durch Strukturieren der dritten Ätzstoppschicht werden voneinander beabstandete Ätzstoppbereiche bereitgestellt, die bei einem erneuten Zykluseintritt gemäß dem ersten Schritt des Zyklusprozesses mit einer Materialschicht aufgefüllt werden können, um eine weitere Bondoberfläche zu bilden und das Bonden eines weiteren Substrats an die Bondoberfläche zu ermöglichen. Somit kann der Zyklusprozess des Verfahrens mit einem geschlossenen Kreislauf durchgeführt und wiederholt werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass bei einem zweiten Zyklusdurchlauf der erzeugte vertikale Graben nicht mehr insbesondere bis zu einem Ätzstoppbereich der ersten Ätzstoppschicht eingebracht wird, sondern insbesondere auf einem Ätzstoppbereich der dritten Ätzstoppschicht im Sinne der im vorherigen Zyklusdurchlauf zuletzt aufgebrachten Ätzstoppschicht endet. Ist kein weiterer erneuter Zykluseintritt vorgesehen, können die voneinander beabstandeten Ätzstoppbereiche der dritten Ätzstoppschicht horizontale Begrenzungen von Funktionsbereichen bilden, um diese vor einem Ätzangriff bei einem anschließenden Freistellen der Funktionsbereiche zu schützen.The aforementioned steps can be repeated cyclically in the described sequence, for example, until the component structure or a functional region of the component structure has reached a predefined vertical target height. Optionally, after filling the gaps between the spaced-apart etch stop regions with a material layer to form a bonding surface, the bonding surface can be planarized to provide an optimized flat surface for connecting the second or further substrate. The etch stop regions of the second etch stop layer can form a mask, wherein the regions between the etch stop regions can define the positions of the trenches to be created. Optionally, the etch stop regions of the second etch stop layer can be removed again after creating the at least one vertical trench, for example by etching and/or mechanical processing, to enable uniform application of a third etch stop layer. The third etch stop layer can be created, for example, by deposition or growth on the substrate surface of the second substrate facing away from the first substrate, wherein the application of the third etch stop layer also forms a passivation layer on the surface of the at least one vertical trench and closes a trench structure opening of the trench on the substrate surface. The second and third etch stop layers can be, for example, a silicon dioxide layer or a silicon nitride layer. With the last described step of creating spaced-apart etch stop regions by structuring the third etch stop layer, spaced-apart etch stop regions are provided, which can be filled with a material layer upon a new cycle entry according to the first step of the cycle process in order to form another bonding surface and enable the bonding of another substrate to the bonding surface. The cycle process of the method can thus be carried out and repeated with a closed circuit. It should be noted that during a second cycle pass, the vertical trench created is no longer introduced up to an etch stop region of the first etch stop layer, but rather ends in an etch stop region of the third etch stop layer, in the sense of the etch stop layer last applied in the previous cycle pass. If no further cycle entry is planned, the spaced-apart etch stop regions of the third etch stop layer can form horizontal boundaries of functional regions in order to protect them from an etch attack during a subsequent exposure of the functional regions.

Gemäß einer Ausführungsform kann der Abschlussprozess den folgenden Schritt aufweisen:

  • - Freistellen des Funktionsbereiches durch Entfernung des Opferbereiches.
According to one embodiment, the completion process may comprise the following step:
  • - Clearing the functional area by removing the sacrificial area.

Hierdurch kann die mikroelektromechanische Bauteilstruktur mit freigelegten Funktionsbereichen bereitgestellt werden. Optional kann der Abschlussprozess einen weiteren, sich an die Freistellung anschließenden Schritt aufweisen, bei dem das Ätzstopp- und Passivierungsmaterial zumindest partiell aus der Bauteilstruktur entfernt wird. Die beschriebenen Schritte können sich beispielsweise unmittelbar an einen durchlaufenen Zyklusprozess des Verfahrens anschließen. Der Opferbereich können beispielsweise mittels eines zur Entfernung von Siliziummaterial geeigneten Ätzprozesses entfernt werden. Der Ätzprozess kann zum Beispiel ein isotroper Plasmaätzprozess unter Verwendung von beispielsweise Schwefelhexafluorid (SF6) oder ein Gasphasenätzprozess unter Verwendung von beispielsweise Xenondifluorid (XeF2) sein. Die Entfernung des Opferbereiches ist dabei horizontal durch die Oberflächenpassivierung der Grabenstrukturen begrenzt, während die Begrenzung des Ätzprozesses in vertikaler Richtung über die Ätzstoppbereiche der jeweiligen Substratoberflächen erfolgt. Materialverbindungen zwischen zwei Substratebenen, die über die insbesondere ein Siliziummaterial aufweisende Materialschicht realisiert werden, können einen vertikalen Ätzkanal für die Opferbereiche über die Substratebenen bilden.This allows the microelectromechanical component structure to be provided with exposed functional areas. Optionally, the final process can include a further step following the exposure, in which the etch stop and passivation material is at least partially removed from the component structure. The described steps can, for example, immediately follow a completed cycle of the method. The sacrificial area can can be removed, for example, by means of an etching process suitable for removing silicon material. The etching process can be, for example, an isotropic plasma etching process using, for example, sulfur hexafluoride (SF 6 ) or a gas phase etching process using, for example, xenon difluoride (XeF 2 ). The removal of the sacrificial region is limited horizontally by the surface passivation of the trench structures, while the etching process is limited vertically by the etch stop regions of the respective substrate surfaces. Material connections between two substrate planes, which are realized via the material layer comprising, in particular, a silicon material, can form a vertical etching channel for the sacrificial regions across the substrate planes.

Die Erfindung betrifft auch eine mikroelektromechanische Bauteilstruktur mit einem eine Substratoberfläche aufweisenden ersten Substrat und mit zumindest einem vertikalen Funktionsbereich, der sich im Wesentlichen senkrecht zu der Substratoberfläche erstreckt, wobei sich der vertikale Funktionsbereich über eine auf der Substratoberfläche angeordnete Materialschicht und über ein auf der Materialschicht angeordnetes zweites Substrat erstreckt. Die Bauteilstruktur zeichnet sich durch eine besonders einfache und effiziente Herstellung aus. Durch den Aufbau der Bauteilstruktur, der auf einem Schichtaufbau mit mindestens zwei in dem Schichtaufbau angeordneten Substraten basiert, können Funktionsbereiche mit einer hohen vertikalen Erstreckung, einer hohen Stabilität und wahlweise mit sehr schmalen Strukturen, z.B. mit einer Breite unter 20 µm, und engen Toleranzen, beispielsweise unter 10 µm, unter 5 µm oder unter 2 µm, bereitgestellt werden. Beispielsweise kann der Funktionsbereich eine vertikale Ausdehnung aufweisen, die größer 100 µm sein kann. Die Bauteilstruktur kann insbesondere mit dem vorbeschriebenen Verfahren hergestellt sein. Die Bauteilstruktur kann beispielsweise ein rechteckförmiges Querschnittsprofil aufweisen.The invention also relates to a microelectromechanical component structure comprising a first substrate having a substrate surface and at least one vertical functional region extending substantially perpendicular to the substrate surface, wherein the vertical functional region extends over a material layer arranged on the substrate surface and over a second substrate arranged on the material layer. The component structure is characterized by particularly simple and efficient production. The construction of the component structure, which is based on a layered structure with at least two substrates arranged in the layered structure, makes it possible to provide functional regions with a high vertical extent, high stability, and optionally with very narrow structures, e.g., with a width of less than 20 µm, and tight tolerances, for example, less than 10 µm, less than 5 µm, or less than 2 µm. For example, the functional region can have a vertical extent that can be greater than 100 µm. The component structure can be produced, in particular, using the method described above. The component structure can, for example, have a rectangular cross-sectional profile.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Materialschicht ein monokristallines Siliziummaterial aufweisen. Hierdurch kann beispielsweise bei einem monokristallinen ersten Substrat und einem monokristallinen zweiten Substrat durch die monokristalline Materialschicht eine durchgängig monokristalline vertikale Struktur über den Schichtaufbau bereitgestellt werden.According to one embodiment, the material layer may comprise a monocrystalline silicon material. This allows, for example, a monocrystalline first substrate and a monocrystalline second substrate to be combined, the monocrystalline material layer can provide a continuous monocrystalline vertical structure across the layered structure.

Gemäß einer Ausführungsform kann sich der vertikale Funktionsbereich über mindestens eine weitere Materialschicht und über mindestens ein auf der weiteren Materialschicht angeordnetes weiteres Substrat erstrecken. Hierdurch kann eine Bauteilstruktur mit einer sehr hohen vertikalen Erstreckung der Bauteilstruktur oder eines Funktionsbereiches der Bauteilstruktur bereitgestellt werden.According to one embodiment, the vertical functional region can extend over at least one further material layer and over at least one further substrate arranged on the further material layer. This makes it possible to provide a component structure with a very high vertical extension of the component structure or of a functional region of the component structure.

Die Erfindung betrifft auch eine mikroelektromechanische Vorrichtung mit einer mikroelektromechanischen Bauteilstruktur nach einem der vorbeschriebenen Merkmale, wobei die mikroelektromechanische Bauteilstruktur zumindest abschnittsweise eine Verdrängerstruktur zur Erzeugung eines Fluiddrucks bildet. Die Verdrängerstruktur kann beispielsweise durch zumindest einen Funktionsbereich der Bauteilstruktur gebildet werden. Hierbei kann beispielsweise zumindest ein Funktionsbereich der Bauteilstruktur ein bewegliches Element der Verdrängerstruktur bilden, wobei durch Anregung des Funktionsbereichs eine Volumenänderung in der Bauteilstruktur bewirkt werden kann, durch die ein Fluiddruck erzeugbar ist. Mit der vorgestellten Bauteilstruktur ist es möglich, Funktionsbereiche mit hoher vertikaler Erstreckung und schmaler Bauform bereitzustellen, die eine geringe Steifigkeit aufweisen und somit leicht anregbar sind. Mit solchen Funktionsbereichen ist eine sehr effiziente Fluiddruckerzeugung mit geringer Energieaufnahme möglich. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung beispielsweise als eine Pumpe oder ein Ventil für Mikrofluidikanwendungen ausgebildet sein. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung als akustischer Schallerzeuger ausgebildet sein.The invention also relates to a microelectromechanical device with a microelectromechanical component structure according to one of the features described above, wherein the microelectromechanical component structure forms, at least in sections, a displacement structure for generating a fluid pressure. The displacement structure can be formed, for example, by at least one functional region of the component structure. In this case, for example, at least one functional region of the component structure can form a movable element of the displacement structure, wherein excitation of the functional region can cause a volume change in the component structure, by which a fluid pressure can be generated. With the component structure presented, it is possible to provide functional regions with a high vertical extent and a narrow design, which have low rigidity and are thus easily excited. With such functional regions, very efficient fluid pressure generation with low energy consumption is possible. According to one embodiment, the device can be designed, for example, as a pump or a valve for microfluidic applications. According to another embodiment, the device can be designed as an acoustic sound generator.

Die Erfindung betrifft auch einen mikroelektromechanischen Lautsprecher, der eine vorbeschriebene mikroelektromechanische Vorrichtung aufweist, wobei die Verdrängerstruktur zur Erzeugung von Schalldruck als Fluiddruck eingerichtet ist, und wobei der Lautsprecher des Weiteren eine Signalverarbeitungseinheit zum Anlegen und Verarbeiten von Signalen der mikroelektromechanischen Vorrichtung aufweist. Die Verdrängerstruktur kann beispielsweise durch zumindest einen Funktionsbereich der Bauteilstruktur gebildet werden. Mit der vorgestellten Bauteilstruktur ist es möglich, Funktionsbereiche mit hoher vertikaler Erstreckung und schmaler Bauform bereitzustellen. Aufgrund der schmalen, langgestreckten Bauform weisen die Funktionsbereiche eine geringe Steifigkeit auf und sind leicht antreibbar. Die Funktionsbereiche können vorteilhaft vertikal aufgestellte Lamellen des Lautsprechers bilden, mit denen eine Schalldruckerzeugung mit hoher Klangqualität und geringer Energieaufnahme möglich ist. Der mikroelektromechanische Lautsprecher kann beispielsweise als System-on-Chip (SoC) implementiert sein.The invention also relates to a microelectromechanical loudspeaker comprising a microelectromechanical device as described above, wherein the displacement structure is configured to generate sound pressure as fluid pressure, and wherein the loudspeaker further comprises a signal processing unit for applying and processing signals from the microelectromechanical device. The displacement structure can be formed, for example, by at least one functional region of the component structure. With the component structure presented, it is possible to provide functional regions with a high vertical extent and a narrow design. Due to the narrow, elongated design, the functional regions have low rigidity and are easy to drive. The functional regions can advantageously form vertically arranged lamellae of the loudspeaker, which enable sound pressure generation with high sound quality and low energy consumption. The microelectromechanical loudspeaker can be implemented, for example, as a system-on-chip (SoC).

Ganz allgemein sind im Zusammenhang mit dieser Anmeldung die Wörter „ein/eine“, soweit nicht ausdrücklich anders definiert, nicht als Zahlwort zu verstehen, sondern als unbestimmte Artikel mit dem Wortsinn von „mindestens ein/eine“.In general, in the context of this application, the words “a/an”, unless expressly defined otherwise, are not to be understood as a number, but as an indefinite article with the literal meaning of “at least one”.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu und wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Weise:

  • 1 - ein Verfahren zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Bauteilstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 2a-2k - ein Verfahren zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Bauteilstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
  • 3a-3b - eine gemäß dem Verfahren nach 2a-2k hergestellte mikroelektromechanische Bauteilstruktur vor und nach einem Abschlussprozess des Verfahrens;
  • 4 - eine Prinzipskizze eines mikroelektromechanischen Lautsprechers mit einer mikroelektromechanischen Vorrichtung.
The invention permits various embodiments and is explained in more detail below using exemplary embodiments with the accompanying drawings. They show schematically:
  • 1 - a method for producing a microelectromechanical component structure according to an embodiment;
  • 2a-2k - a method for producing a microelectromechanical component structure according to a further embodiment;
  • 3a-3b - a procedure according to 2a-2k manufactured microelectromechanical component structure before and after a final process of the process;
  • 4 - a schematic diagram of a microelectromechanical loudspeaker with a microelectromechanical device.

1 zeigt in schematischer Weise ein Verfahren 100 zur Herstellung einer beispielsweise in den 3a und 3b gezeigten mikroelektromechanischen Bauteilstruktur 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 100 weist einen Startprozess 110, einen Zyklusprozess 120 sowie einen Abschlussprozess 130 auf. Die Bauteilstruktur 200 weist ein erstes Substrat 20 mit einer Substratoberfläche 21 auf. Wie in 3a gezeigt, erstrecken sich vertikale Funktionsbereiche F im Wesentlichen senkrecht zu der Substratoberfläche 21. Die vertikalen Funktionsbereiche F sind durch erzeugte und passivierte Gräben 70 von angrenzenden Opferbereichen O abgegrenzt und in 3b durch Entfernen der Opferbereiche O freigestellt. Wie nachstehend anhand der 1 näher erläutert wird, wird auf der Substratoberfläche 21 des ersten Substrats 20 durch Aufbringen zumindest einer Schicht 22 eine Bondoberfläche 23 hergestellt. Auf die Bondoberfläche 23 wird ein zweites Substrat 30 aufgebracht, in welchem vertikale Gräben 70 erzeugt werden. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können mikroelektromechanische Bauteilstrukturen 200 und Funktionsbereiche F mit großen vertikalen Ausdehnungen und schmaler Bauform prozesstechnisch vereinfacht hergestellt werden. Zudem erlaubt das vorgestellte Verfahren eine hohe Gestaltungsfreiheit bei der Erzeugung von Funktionsbereichen F in Bauteilstrukturen 200. 1 shows schematically a method 100 for producing a, for example, in the 3a and 3b shown microelectromechanical component structure 200 according to an embodiment. The method 100 comprises a start process 110, a cycle process 120 and a final process 130. The component structure 200 comprises a first substrate 20 with a substrate surface 21. As in 3a As shown, vertical functional regions F extend substantially perpendicular to the substrate surface 21. The vertical functional regions F are delimited from adjacent sacrificial regions O by generated and passivated trenches 70 and in 3b by removing the sacrificial areas O. As shown below, 1 As explained in more detail below, a bonding surface 23 is produced on the substrate surface 21 of the first substrate 20 by applying at least one layer 22. A second substrate 30, in which vertical trenches 70 are created, is applied to the bonding surface 23. With the proposed method, microelectromechanical component structures 200 and functional areas F with large vertical dimensions and a narrow design can be manufactured in a process-technically simplified manner. In addition, the presented method allows a high degree of design freedom in the creation of functional areas F in component structures 200.

Nachfolgend wird das Verfahren 100 anhand der in 1 dargestellten Schritte 1 bis 12 näher erläutert. Der Startprozess 110 startet in einem ersten Schritt 1 mit einem Bereitstellen des ersten Substrats 20 mit einer Substratoberfläche 21. In einem zweiten Schritt 2 erfolgt ein Aufbringen einer ersten Ätzstoppschicht 22a als Schicht 22 auf die Substratoberfläche 21 des ersten Substrats 20. In einem dritten Schritt 3 erfolgt ein Erzeugen von voneinander beabstandeten Ätzstoppbereichen 24a durch Strukturieren der ersten Ätzstoppschicht 22a. Anschließend tritt das Verfahren 100 in den Zyklusprozess 120 ein. In einem vierten Schritt 4 erfolgt ein Auffüllen von Zwischenräumen 25a zwischen den beabstandeten Ätzstoppbereichen 24a mit einer Materialschicht 22b zur Bildung einer Bondoberfläche 23. In einem optionalen fünften Schritt 5 wird ein CMP-Prozess zur Planarisierung der Bondoberfläche 23 angewandt. In einem sechsten Schritt 6 erfolgt ein Bonden eines zweiten Substrats 30 an die gebildete Bondoberfläche 23. Das zweite Substrat 30 weist eine von dem ersten Substrat 20 abgewandte Substratoberfläche 31 auf. In einem siebten Schritt 7 erfolgt optional ein Abdünnen des zweiten Substrats 30 durch Schleifen und Polieren. In einem achten Schritt 8 wird eine zweite Ätzstoppschicht 26 auf die Substratoberfläche 31 des zweiten Substrats 30 aufgebracht. In einem neunten Schritt 9 wird die zweite Ätzstoppschicht 26 derart strukturiert, dass voneinander beabstandete Ätzstoppbereiche 24b gebildet werden. In einem zehnten Schritt 10 werden vertikale Gräben 70 zwischen den Ätzstoppbereichen 24b der zweiten Ätzstoppschicht 26 eingebracht. Die vertikalen Gräben 70 enden gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel auf den Ätzstoppbereichen 24a der ersten Ätzstoppschicht 22a. In einem elften Schritt 11 wird eine dritte Ätzstoppschicht 27 aufgebracht, durch die zugleich eine Passivierung der Gräben 70 mit Passiviermaterial 71 erfolgt. In einem zwölften Schritt 12 wird die dritte Ätzstoppschicht 27 strukturiert, um voneinander beabstandete Ätzstoppbereiche 24c zu erzeugen. Anschließend kann wahlweise der Zyklusprozess 120 erneut unter Einbindung weiterer Substrate durchlaufen werden, beispielsweise mit einem dritten Substrat 40, einem vierten Substrat 50 und einem fünften Substrat 60, wie nachfolgend anhand der 2a bis 2k noch näher erläutert wird. Alternativ ist es nach jedem Zyklusdurchlauf denkbar, in den Abschlussprozess 130 einzutreten, in dem ein Freistellen der Funktionsbereiche F durch Entfernung der Opferbereiche O erfolgt. Der Abschlussprozess 130 kann beispielsweise gestartet werden, wenn die Funktionsbereiche F der Bauteilstruktur 200 eine vordefinierte Zielhöhe erreicht haben.In the following, the method 100 is described using the 1 illustrated steps 1 to 12 are explained in more detail. The start process 110 starts in a first step 1 with the provision of the first substrate 20 with a substrate surface 21. In a second step 2, a first etch stop layer 22a is applied as layer 22 to the substrate surface 21 of the first substrate 20. In a third step 3, spaced-apart etch stop regions 24a are created by structuring the first etch stop layer 22a. The method 100 then enters the cycle process 120. In a fourth step 4, gaps 25a between the spaced-apart etch stop regions 24a are filled with a material layer 22b to form a bonding surface 23. In an optional fifth step 5, a CMP process is used to planarize the bonding surface 23. In a sixth step 6, a second substrate 30 is bonded to the formed bonding surface 23. The second substrate 30 has a substrate surface 31 facing away from the first substrate 20. In a seventh step 7, the second substrate 30 is optionally thinned by grinding and polishing. In an eighth step 8, a second etch stop layer 26 is applied to the substrate surface 31 of the second substrate 30. In a ninth step 9, the second etch stop layer 26 is structured such that spaced-apart etch stop regions 24b are formed. In a tenth step 10, vertical trenches 70 are introduced between the etch stop regions 24b of the second etch stop layer 26. According to the exemplary embodiment shown, the vertical trenches 70 end on the etch stop regions 24a of the first etch stop layer 22a. In an eleventh step 11, a third etch stop layer 27 is applied, which simultaneously passivates the trenches 70 with passivation material 71. In a twelfth step 12, the third etch stop layer 27 is structured to produce spaced-apart etch stop regions 24c. Subsequently, the cycle process 120 can optionally be run through again with the inclusion of further substrates, for example, with a third substrate 40, a fourth substrate 50, and a fifth substrate 60, as will be described below with reference to 2a to 2k will be explained in more detail below. Alternatively, after each cycle run, it is conceivable to enter the final process 130, in which the functional areas F are exposed by removing the sacrificial areas O. The final process 130 can be started, for example, when the functional areas F of the component structure 200 have reached a predefined target height.

Anhand der 2a bis 2k wird erläutert, wie eine Bauteilstruktur 200 mit individuell gestalteten Funktionsbereichen F mit dem vorgestellten Verfahren 100 unter Durchlaufen mehrerer Zyklusprozesse 120 herstellbar ist.Based on the 2a to 2k It is explained how a component structure 200 with individually designed functional areas F can be produced using the presented method 100 by running through several cycle processes 120.

In 2a ist ersichtlich, dass ein erstes Substrat 20 mit einer Substratoberfläche 21 bereitgestellt wurde und dass auf der Substratoberfläche 21 eine erste Ätzstoppschicht 22a als Schicht 22 aufgebracht und strukturiert wurde. Durch die Strukturierung wurden voneinander beabstandete Ätzstoppbereiche 24a erzeugt, zwischen denen Zwischenräume 25a vorliegen.In 2a It can be seen that a first substrate 20 with a substrate surface 21 was provided and that a first etch stop layer 22a was applied as layer 22 and structured on the substrate surface 21. By structuring, spaced-apart etch stop regions 24a are generated, between which there are gaps 25a.

Der 2b ist zu entnehmen, dass die Zwischenräume 25a mit einer Materialschicht 22b verfüllt worden sind und eine Bondoberfläche 23 gebildet wurde. Die Materialschicht 22b kann beispielsweise durch Abscheidung oder Wachstum einer insbesondere monokristallinen Siliziumschicht aufgebracht werden. Durch den Wachstumsprozess kann auf den Ätzstoppbereichen 24a der ersten Ätzstoppschicht 22a eine polykristalline Schicht 80 entstehen. Optional wurde im Anschluss an das Aufbringen der Materialschicht 22b die hergestellte Bondoberfläche 23 chemisch-mechanisch poliert, um einen Topographieausgleich und eine glatte Bondoberfläche 23 zu schaffen. Anschließend wurde im Waferbondverfahren ein zweites Substrat 30, insbesondere ein Siliziumsubstrat, mit einer Substratoberfläche 31 an die Bondoberfläche 23 angebunden. Im Anschluss wurde ein optionales Rückschleifen des zweiten Substrats 30 und ein chemisch-mechanisches Polieren der zweiten Substratoberfläche 31 vorgenommen, um das zweite Substrat 30 auf eine Zielschichtdicke zu bringen. Zudem wurde das zweite Substrat 30 strukturiert, indem Gräben 70 in dem zweiten Substrat 30 angelegt wurden, die die Seitenflächen der Funktionsbereiche F freilegen und die auf den Ätzstoppbereichen 24a der ersten Ätzstoppschicht 22a enden.The 2b It can be seen that the gaps 25a have been filled with a material layer 22b and a bonding surface 23 has been formed. The material layer 22b can be applied, for example, by deposition or growth of a particularly monocrystalline silicon layer. The growth process can create a polycrystalline layer 80 on the etch stop regions 24a of the first etch stop layer 22a. Optionally, following the application of the material layer 22b, the produced bonding surface 23 was chemically mechanically polished in order to create a topography balance and a smooth bonding surface 23. Subsequently, a second substrate 30, in particular a silicon substrate, with a substrate surface 31 was bonded to the bonding surface 23 using the wafer bonding process. Subsequently, an optional back-grinding of the second substrate 30 and a chemically mechanical polishing of the second substrate surface 31 were carried out in order to bring the second substrate 30 to a target layer thickness. In addition, the second substrate 30 was structured by creating trenches 70 in the second substrate 30, which trenches expose the side surfaces of the functional regions F and which end on the etch stop regions 24a of the first etch stop layer 22a.

In 2c ist ersichtlich, dass eine dritte Ätzstoppschicht 27 auf die Substratoberfläche 31 des zweiten Substrats 30 aufgebracht wurde und hierdurch die Oberflächen der Gräben 70 mit einem Passiviermaterial 71 passiviert sind. Zudem erfolgt mit der dritten Ätzstoppschicht 27 ein Verschließen der Gräben 70 an der Substratoberfläche 31 des zweiten Substrats 30. Des Weiteren wurde eine Strukturierung der dritten Ätzstoppschicht 27 vorgenommen, um voneinander beabstandete Ätzstoppbereiche 24c auszubilden.In 2c It can be seen that a third etch stop layer 27 has been applied to the substrate surface 31 of the second substrate 30, thereby passivating the surfaces of the trenches 70 with a passivation material 71. Furthermore, the third etch stop layer 27 closes the trenches 70 on the substrate surface 31 of the second substrate 30. Furthermore, the third etch stop layer 27 has been structured to form spaced-apart etch stop regions 24c.

Der 2d ist zu entnehmen, dass analog zu dem zu 2b beschriebenen Vorgehen eine weitere Bondoberfläche 23 durch Aufbringen einer weiteren Materialschicht 22b erzeugt und ein drittes Substrat 40 angebunden wurde. In dem dritten Substrat 40 wurden Gräben 70 erzeugt, die auf den Ätzstoppbereichen 24c der dritten Ätzstoppschicht 27 enden. Die Gräben 70 in dem zweiten Substrat 30 und die Gräben 70 in dem dritten Substrat 40 sind überwiegend derart angeordnet, dass sie als vertikal durchgehende Gräben 70 ineinander übergehen. Zusätzlich ist in 2d jedoch auch ersichtlich, dass ein Ätzstoppbereich 24c' als horizontale Begrenzung eines Funktionsbereiches F ausgebildet wurde, sodass an diesem Ätzstoppbereich 24c' ein vertikaler Graben 70 des zweiten Substrats 30 versetzt zu einem vertikalen Graben 70 des dritten Substrats 40 angeordnet ist. Hieraus wird ersichtlich, dass mit Ätzstoppschichten und passivierten vertikalen Gräben nahezu beliebige Geometrien der Funktionsbereiche F ausgestaltet werden können. Zudem ist in 2d zu erkennen, dass mit vertikalen Gräben und horizontalen Ätzstoppbereichen 24c' auch aneinander angrenzende Funktionsbereiche F strukturell voneinander separiert werden können. Hierdurch können beispielsweise elektrisch voneinander isolierte Funktionsbereiche F zur getrennten Potentialführung in der Bauteilstruktur 200 hergestellt werden.The 2d It can be seen that analogous to the 2b described procedure, a further bonding surface 23 was created by applying a further material layer 22b and a third substrate 40 was connected. In the third substrate 40, trenches 70 were created, which end on the etch stop regions 24c of the third etch stop layer 27. The trenches 70 in the second substrate 30 and the trenches 70 in the third substrate 40 are predominantly arranged such that they merge into one another as vertically continuous trenches 70. In addition, in 2d However, it is also apparent that an etch stop region 24c' was formed as a horizontal boundary of a functional region F, so that at this etch stop region 24c' a vertical trench 70 of the second substrate 30 is arranged offset from a vertical trench 70 of the third substrate 40. From this it is apparent that with etch stop layers and passivated vertical trenches almost any geometries of the functional regions F can be designed. In addition, in 2d It can be seen that with vertical trenches and horizontal etch stop regions 24c', even adjacent functional regions F can be structurally separated from one another. This allows, for example, electrically isolated functional regions F to be produced for separate potential conduction in the component structure 200.

In 2e ist ersichtlich, dass eine vierte Ätzstoppschicht 28 auf das dritte Substrat 40 aufgebracht wurde und hierdurch die Oberflächen der Gräben 70 mit einem Passiviermaterial 71 passiviert sind. Die vierte Ätzstoppschicht 28 wurde strukturiert, um weitere Ätzstoppbereiche auszubilden und zudem einen weiteren horizontalen Ätzstoppbereich 24c' zu erzeugen.In 2e It can be seen that a fourth etch stop layer 28 has been applied to the third substrate 40, thereby passivating the surfaces of the trenches 70 with a passivation material 71. The fourth etch stop layer 28 has been patterned to form further etch stop regions and also to create a further horizontal etch stop region 24c'.

In 2f ist zu erkennen, dass in analoger Weise zu den vorbeschriebenen Schritten ein viertes Substrat 50 angebunden und durch vertikale Gräben 70 strukturiert wurde.In 2f It can be seen that, in a manner analogous to the steps described above, a fourth substrate 50 was connected and structured by vertical trenches 70.

In 2g lässt sich die Passivierung der Gräben 70 in dem vierten Substrat 50 durch eine fünfte Ätzstoppschicht 29 sowie die Ausbildung horizontaler Ätzstoppbereiche 24c' durch Strukturierung der fünften Ätzstoppschicht 29 erkennen. Zudem wurde analog zu den vorherigen Schritten ein fünftes Substrat 60 an eine auf dem vierten Substrat 50 ausgebildete Bondfläche 23 angebunden.In 2g The passivation of the trenches 70 in the fourth substrate 50 by a fifth etch stop layer 29 and the formation of horizontal etch stop regions 24c' by structuring the fifth etch stop layer 29 can be seen. Furthermore, analogous to the previous steps, a fifth substrate 60 was connected to a bonding area 23 formed on the fourth substrate 50.

In 2h lässt sich die weitere Strukturierung des fünften Substrats 60 durch vertikale, mit Passiviermaterial 71 passivierte Gräben 70 und weitere horizontale Ätzstoppbereiche 24c' einer sechsten Ätzstoppschicht 29-2 erkennen. Zudem wurde eine siebte Ätzstoppschicht 29-3 auf der Rückseite 21-2 des ersten Substrats 20, die der Substratoberfläche 21 gegenüberliegt, aufgebracht, strukturiert und es wurden vertikale Gräben 70 in dem ersten Substrat 20 erzeugt und passiviert, wobei die Gräben 70 in dem ersten Substrat 20 Verbindungen zu vertikalen Gräben 70 des zweiten Substrats 30 herstellen. Hierdurch kann die Strukturierung der Bauteilstruktur 200 in Opferbereiche O und Funktionsbereiche F auch im Bereich des ersten Substrats 20 vorgenommen und die Konturierung der Opferbereiche O und Funktionsbereiche F über die gesamte Bauteilstruktur 200 erstellt werden. In 2h ist die gewünschte Zielhöhe der Funktionsbereiche F erreicht und das Verfahren 100 kann in einen Abschlussprozess 130 eintreten.In 2 hours The further structuring of the fifth substrate 60 can be seen by vertical trenches 70 passivated with passivation material 71 and further horizontal etch stop regions 24c' of a sixth etch stop layer 29-2. In addition, a seventh etch stop layer 29-3 was applied to the rear side 21-2 of the first substrate 20, which lies opposite the substrate surface 21, and structured, and vertical trenches 70 were created and passivated in the first substrate 20, wherein the trenches 70 in the first substrate 20 establish connections to vertical trenches 70 of the second substrate 30. As a result, the structuring of the component structure 200 into sacrificial regions O and functional regions F can also be carried out in the region of the first substrate 20, and the contouring of the sacrificial regions O and functional regions F can be created over the entire component structure 200. 2 hours the desired target level of the functional areas F is reached and the method 100 can enter a final process 130.

In 2i wurden die von der Oberfläche des fünften Substrats 60 zugänglichen Opferbereiche O des zweiten Substrats 30, des dritten Substrats 40, des vierten Substrats 50 und des fünften Substrats 60 zusammenhängend mittels isotropen Opferschichtätzens entfernt.In 2i the sacrificial areas O of the second substrate 30, the third substrate 40, accessible from the surface of the fifth substrate 60, of the fourth substrate 50 and the fifth substrate 60 are removed contiguously by means of isotropic sacrificial layer etching.

In 2j wurden die von der Rückseite 21-2 des ersten Substrats 20 zugänglichen Opferbereiche O des zweiten Substrats 30, des dritten Substrats 40, des vierten Substrats 50 und des fünften Substrats 60 zusammenhängend mittels isotropen Opferschichtätzens entfernt. Durch die Entfernung der Opferbereiche O wurden die Funktionsbereiche F freigestellt.In 2 years The sacrificial regions O of the second substrate 30, the third substrate 40, the fourth substrate 50, and the fifth substrate 60, accessible from the rear side 21-2 of the first substrate 20, were removed contiguously by means of isotropic sacrificial layer etching. Removing the sacrificial regions O exposed the functional regions F.

In 2k wurden die zugänglichen Passivier- und Ätzstoppschichten der Bauteilstruktur 200 durch HF-Gasphasenätzen entfernt, um die Freilegung der Funktionsbereiche F zu vervollständigen.In 2k the accessible passivation and etch stop layers of the device structure 200 were removed by HF gas phase etching to complete the exposure of the functional areas F.

In den 3a und 3b ist eine gemäß dem Verfahren nach 2a-2k hergestellte mikroelektromechanische Bauteilstruktur 200 vor und nach einem Abschlussprozess 130 des Verfahrens 100 ersichtlich. In 3a ist das Layout der Bauteilstruktur 200 anhand der Anordnung von vertikalen Gräben 70 und horizontalen Ätzstoppbereichen 24c' ersichtlich, die die Bauteilstruktur 200 in Opferbereiche O und Funktionsbereiche F unterteilen. Die vertikalen Gräben 70 und horizontalen Ätzstoppbereiche 24c' können in jeder Schichtebene der Bauteilstruktur 200 individuell angelegt und mit Gräben 70 und Ätzstoppbereichen 24c' anderer Schichtebenen verbunden werden. Hierdurch kann eine hohe Gestaltungsfreiheit dreidimensionaler Strukturen der Bauteilstruktur 200 ermöglicht werden.In the 3a and 3b is a procedure according to 2a-2k manufactured microelectromechanical component structure 200 before and after a final process 130 of the method 100. In 3a The layout of the component structure 200 is evident from the arrangement of vertical trenches 70 and horizontal etch stop regions 24c', which divide the component structure 200 into sacrificial regions O and functional regions F. The vertical trenches 70 and horizontal etch stop regions 24c' can be individually created in each layer level of the component structure 200 and connected to trenches 70 and etch stop regions 24c' of other layer levels. This enables a high degree of design freedom for three-dimensional structures of the component structure 200.

In 3b sind Beispiele für Strukturelemente der Bauteilstruktur 200 gezeigt, die mit den in 3a gezeigten Funktionsbereichen F hergestellt werden können. Ein erstes Strukturelement 91 kann beispielsweise ein in Blickrichtung eingespanntes bewegliches dreidimensionales Strukturelement sein. Ein zweites Strukturelement 92 kann beispielsweise ein beidseitig eingespanntes, segmentiertes bewegliches dreidimensionales Strukturelement sein. Ein drittes Strukturelement 93 kann beispielsweise ein in Blickrichtung eingespanntes, segmentiertes und in den Segmenten unabhängig voneinander bewegliches dreidimensionales Strukturelement sein. Ein viertes Strukturelement 94 kann beispielsweise eine beidseitig eingespannte unbewegliche dreidimensionale Stützstruktur sein. Ein fünftes Strukturelement 95 kann beispielsweise ein einseitig aufgehängtes bewegliches dreidimensionales Strukturelement sein. Ein sechstes Strukturelement 96 kann beispielsweise eine horizontale Verbindung von vertikal versetzten Strukturen gleichen Potentials sein. Ein siebtes Strukturelement 97 kann beispielsweise eine horizontale elektrische Isolation bilden. Ein achtes Strukturelement 98 kann beispielsweise eine vertikale elektrische Isolation bilden. Somit wird ersichtlich, mit welcher hohen Gestaltungsfreiheit die Bauteilstruktur 200 anhand des vorgestellten Verfahrens 100 hergestellt werden kann.In 3b Examples of structural elements of the component structure 200 are shown, which are compatible with the 3a shown functional areas F can be manufactured. A first structural element 91 can, for example, be a movable three-dimensional structural element clamped in the viewing direction. A second structural element 92 can, for example, be a segmented, movable three-dimensional structural element clamped on both sides. A third structural element 93 can, for example, be a three-dimensional structural element clamped in the viewing direction, segmented, and independently movable in the segments. A fourth structural element 94 can, for example, be an immobile three-dimensional support structure clamped on both sides. A fifth structural element 95 can, for example, be a movable three-dimensional structural element suspended on one side. A sixth structural element 96 can, for example, be a horizontal connection of vertically offset structures of the same potential. A seventh structural element 97 can, for example, form horizontal electrical insulation. An eighth structural element 98 can, for example, form vertical electrical insulation. It thus becomes clear with what great design freedom the component structure 200 can be manufactured using the presented method 100.

4 zeigt schematisch einen mikroelektromechanischen Lautsprecher 400 mit einer Vorrichtung 300, die eine zumindest abschnittsweise eine Verdrängerstruktur bildende Bauteilstruktur 200 gemäß den vorbeschriebenen Merkmalen aufweist, und mit einer Signalverarbeitungseinheit 410, die durch eine Signalverbindung 420 mit der Vorrichtung 300 verbunden ist und zum Anlegen und Verarbeiten von Signalen der mikroelektromechanischen Vorrichtung 300 ausgebildet ist. Die Verdrängerstruktur der Bauteilstruktur 200 der Vorrichtung 300 ist zur Erzeugung von Schalldruck als Fluiddruck eingerichtet und akustisch effizient mit geringer Leistungsaufnahme zu betreiben. Der mikroelektromechanische Lautsprecher 400 kann als System-on-Chip implementiert sein. 4 schematically shows a microelectromechanical loudspeaker 400 with a device 300, which has a component structure 200 forming a displacement structure at least in sections according to the features described above, and with a signal processing unit 410, which is connected to the device 300 by a signal connection 420 and is designed to apply and process signals from the microelectromechanical device 300. The displacement structure of the component structure 200 of the device 300 is configured to generate sound pressure as fluid pressure and to be operated acoustically efficiently with low power consumption. The microelectromechanical loudspeaker 400 can be implemented as a system-on-chip.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10 2015 206 996 A1 [0003]DE 10 2015 206 996 A1 [0003]
  • EP 3 912 953 A1 [0004]EP 3 912 953 A1 [0004]
  • US 2015 / 0 274 512 A1 [0005]US 2015 / 0 274 512 A1 [0005]
  • US 8 043 931 B1 [0006]US 8 043 931 B1 [0006]

Claims (14)

Verfahren (100) zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Bauteilstruktur (200) mit einem eine Substratoberfläche (21) aufweisenden ersten Substrat (20) und mit zumindest einem vertikalen Funktionsbereich (F), der sich im Wesentlichen senkrecht zu der Substratoberfläche (21) erstreckt, wobei der zumindest eine vertikale Funktionsbereich (F) durch Erzeugen und Passivieren mindestens eines vertikalen Grabens (70) von einem angrenzenden Opferbereich (O) abgegrenzt und durch Entfernen des Opferbereiches (O) freigestellt wird, wobei auf der Substratoberfläche (21) des ersten Substrats (20) durch Aufbringen zumindest einer Schicht (22) eine Bondoberfläche (23) hergestellt wird und wobei auf die Bondoberfläche (23) ein zweites Substrat (30) aufgebracht wird, in welchem mindestens ein vertikaler Graben (70) erzeugt wird.Method (100) for producing a microelectromechanical component structure (200) with a first substrate (20) having a substrate surface (21) and with at least one vertical functional region (F) which extends substantially perpendicular to the substrate surface (21), wherein the at least one vertical functional region (F) is delimited from an adjacent sacrificial region (O) by creating and passivating at least one vertical trench (70) and is exposed by removing the sacrificial region (O), wherein a bonding surface (23) is created on the substrate surface (21) of the first substrate (20) by applying at least one layer (22), and wherein a second substrate (30) is applied to the bonding surface (23), in which at least one vertical trench (70) is created. Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei die Bondoberfläche (23) des ersten Substrats (20) durch Aufbringen und Strukturieren einer ersten Ätzstoppschicht (22a) zur Bildung von voneinander beabstandeten Ätzstoppbereichen (24a) und durch Auffüllen von Zwischenräumen (25a) zwischen den Ätzstoppbereichen (24a) mit einer Materialschicht (22b) erzeugt wird.Procedure (100) according to Claim 1 , wherein the bonding surface (23) of the first substrate (20) is produced by applying and structuring a first etch stop layer (22a) to form spaced-apart etch stop regions (24a) and by filling gaps (25a) between the etch stop regions (24a) with a material layer (22b). Verfahren (100) nach Anspruch 2, wobei die Zwischenräume (25a) mit einem monokristallinen Siliziummaterial als Materialschicht (22b) aufgefüllt werden.Procedure (100) according to Claim 2 , wherein the gaps (25a) are filled with a monocrystalline silicon material as a material layer (22b). Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bondoberfläche (23) des ersten Substrats (20) durch chemische und/oder mechanische Bearbeitung für das Aufbringen des zweiten Substrats (30) vorbereitet wird.Method (100) according to one of the preceding claims, wherein the bonding surface (23) of the first substrate (20) is prepared by chemical and/or mechanical processing for the application of the second substrate (30). Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der dem ersten Substrat (20) abgewandten Substratoberfläche (31) des zweiten Substrats (30) eine weitere Bondoberfläche (23) erzeugt und ein weiteres Substrat (40) auf die Bondoberfläche (23) des zweiten Substrats (30) aufgebracht wird, in welchem mindestens ein weiterer vertikaler Graben (70) erzeugt wird.Method (100) according to one of the preceding claims, wherein a further bonding surface (23) is produced on the substrate surface (31) of the second substrate (30) facing away from the first substrate (20), and a further substrate (40) is applied to the bonding surface (23) of the second substrate (30), in which at least one further vertical trench (70) is produced. Verfahren (100) nach Anspruch 5, wobei ein Aufbringen zumindest einer Schicht (22) auf eine Substratoberfläche (21, 31) eines Substrats (20, 30, 40, 50, 60), ein Erzeugen einer Bondoberfläche (23), ein Aufbringen eines weiteren Substrats (30, 40, 50, 60) und ein Erzeugen und Passivieren mindestens eines vertikalen Grabens (70) in dem weiteren Substrat (30, 40, 50, 60) zyklusförmig wiederholt wird, bis eine vordefinierte Zielhöhe des vertikalen Funktionsbereiches (F) erreicht ist.Procedure (100) according to Claim 5 , wherein applying at least one layer (22) to a substrate surface (21, 31) of a substrate (20, 30, 40, 50, 60), creating a bonding surface (23), applying a further substrate (30, 40, 50, 60) and creating and passivating at least one vertical trench (70) in the further substrate (30, 40, 50, 60) are repeated in a cycle until a predefined target height of the vertical functional region (F) is reached. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (100) einen Startprozess (110), einen Zyklusprozess (120) und einen Abschlussprozess (130) aufweist und wobei der Startprozess (110) die folgenden Schritte aufweist: - Bereitstellen des ersten Substrats (20) (1); - Aufbringen einer ersten Ätzstoppschicht (22a) auf das erste Substrat (20) (2); und - Erzeugen von voneinander beabstandeten Ätzstoppbereichen (24a) durch Strukturieren der ersten Ätzstoppschicht (22a) (3).The method (100) according to any one of the preceding claims, wherein the method (100) comprises a start process (110), a cycle process (120), and a termination process (130), and wherein the start process (110) comprises the following steps: - providing the first substrate (20) (1); - applying a first etch stop layer (22a) to the first substrate (20) (2); and - creating spaced-apart etch stop regions (24a) by structuring the first etch stop layer (22a) (3). Verfahren (100) nach Anspruch 7, wobei der Zyklusprozess (120) die folgenden Schritte aufweist: - Auffüllen von Zwischenräumen (25a) zwischen den beabstandeten Ätzstoppbereichen (24a) mit einer Materialschicht (22b) zur Bildung einer Bondoberfläche (23) (4); - Bonden eines zweiten oder weiteren Substrats (30, 40, 50, 60) an die gebildete Bondoberfläche (23) (6); - Aufbringen einer zweiten Ätzstoppschicht (26) auf das zweite oder weitere Substrat (30, 40, 50, 60) (8); - Erzeugen von voneinander beabstandeten Ätzstoppbereichen (24b) durch Strukturieren der zweiten Ätzstoppschicht (26) (9); - Erzeugen mindestens eines vertikalen Grabens (70) zwischen den Ätzstoppbereichen (24b) der zweiten Ätzstoppschicht (26), insbesondere bis zu einem Ätzstoppbereich (24a) der ersten Ätzstoppschicht (22a) (10); - Aufbringen einer dritten Ätzstoppschicht (27) und Passivierung des mindestens einen Grabens (70) (11); und - Erzeugen von voneinander beabstandeten Ätzstoppbereichen (24c) durch Strukturieren der dritten Ätzstoppschicht (27) (12).Procedure (100) according to Claim 7 , wherein the cycle process (120) comprises the following steps: - filling gaps (25a) between the spaced-apart etch stop regions (24a) with a material layer (22b) to form a bonding surface (23) (4); - bonding a second or further substrate (30, 40, 50, 60) to the formed bonding surface (23) (6); - applying a second etch stop layer (26) to the second or further substrate (30, 40, 50, 60) (8); - producing spaced-apart etch stop regions (24b) by structuring the second etch stop layer (26) (9); - producing at least one vertical trench (70) between the etch stop regions (24b) of the second etch stop layer (26), in particular up to an etch stop region (24a) of the first etch stop layer (22a) (10); - applying a third etch stop layer (27) and passivating the at least one trench (70) (11); and - producing spaced-apart etch stop regions (24c) by structuring the third etch stop layer (27) (12). Verfahren (100) nach Anspruch 7 und 8, wobei der Abschlussprozess (130) den folgenden Schritt aufweist: - Freistellen des Funktionsbereiches (F) durch Entfernung des Opferbereiches (O).Procedure (100) according to Claim 7 and 8 , wherein the completion process (130) comprises the following step: - exposing the functional area (F) by removing the sacrificial area (O). Mikroelektromechanische Bauteilstruktur (200) mit einem eine Substratoberfläche (21) aufweisenden ersten Substrat (20) und mit zumindest einem vertikalen Funktionsbereich (F), der sich im Wesentlichen senkrecht zu der Substratoberfläche (21) erstreckt, wobei sich der vertikale Funktionsbereich (F) über eine auf der Substratoberfläche (21) angeordnete Materialschicht (22b) und über ein auf der Materialschicht (22b) angeordnetes zweites Substrat (30) erstreckt.Microelectromechanical component structure (200) with a first substrate (20) having a substrate surface (21) and with at least one vertical functional region (F) which extends substantially perpendicular to the substrate surface (21), wherein the vertical functional region (F) extends over a material layer (22b) arranged on the substrate surface (21) and over a second substrate (30) arranged on the material layer (22b). Mikroelektromechanische Bauteilstruktur (200) nach Anspruch 10, wobei die Materialschicht (22b) ein monokristallines Siliziummaterial aufweist.Microelectromechanical component structure (200) according to Claim 10 , wherein the material layer (22b) comprises a monocrystalline silicon material. Mikroelektromechanische Bauteilstruktur (200) nach Anspruch 10 oder 11, wobei sich der vertikale Funktionsbereich (F) über mindestens eine weitere Materialschicht (22b) und über mindestens ein auf der weiteren Materialschicht (22b) angeordnetes weiteres Substrat (40, 50, 60) erstreckt.Microelectromechanical component structure (200) according to Claim 10 or 11 , wherein the vertical functional region (F) extends over at least one further material layer (22b) and over at least one further substrate (40, 50, 60) arranged on the further material layer (22b). Mikroelektromechanische Vorrichtung (300) mit einer mikroelektromechanischen Bauteilstruktur (200) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die mikroelektromechanische Bauteilstruktur (200) zumindest abschnittsweise eine Verdrängerstruktur zur Erzeugung eines Fluiddrucks bildet.Microelectromechanical device (300) with a microelectromechanical component structure (200) according to one of the Claims 10 until 12 , wherein the microelectromechanical component structure (200) forms at least in sections a displacement structure for generating a fluid pressure. Mikroelektromechanischer Lautsprecher (400), aufweisend eine mikroelektromechanische Vorrichtung (300) nach Anspruch 13, wobei die Verdrängerstruktur zur Erzeugung von Schalldruck als Fluiddruck eingerichtet ist, und eine Signalverarbeitungseinheit (410) zum Anlegen und Verarbeiten von Signalen der mikroelektromechanischen Vorrichtung (300).Microelectromechanical loudspeaker (400), comprising a microelectromechanical device (300) according to Claim 13 , wherein the displacer structure is configured to generate sound pressure as fluid pressure, and a signal processing unit (410) for applying and processing signals from the microelectromechanical device (300).
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