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Title:
PROCESS FOR PRODUCING A MICROELECTROMECHANICAL OSCILLATION SYSTEM AND PIEZOELECTRIC MICROMANUFACTURED ULTRASOUND TRANSDUCER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2022/248133
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a process for producing a microelectromechanical oscillation system. A carrier substrate (5) having a first surface (4) is initially provided. A circumferential first trench (3a, 3b), in particular first trench depression, is subsequently produced. The first trench (3a, 3b) extends from the first surface (4) of the carrier substrate (5) at least partially through the carrier substrate (5) and an area of the first surface (4) enclosed by the circumferential first trench (3a, 3b) has a defined shape and size. A passivation layer (2) is further applied to the first surface (4) of the first carrier substrate (5) and the first circumferential trench (3a, 3b) is at least partially filled with the passivation layer (2). A first polysilicon layer (7) is then grown on the passivation layer (2) and/or the first surface (4) of the carrier substrate (5). Furthermore, a transducer element (10) of the microelectromechanical oscillation system is arranged on a second surface (9) of the first polysilicon layer (7). In addition, a second trench (14) is produced right through the carrier substrate (5) in the direction of the transducer element (10), wherein the second trench (3a, 3b) extends up to the passivation layer (2) so that the oscillatable transducer plate (19) of the microelectromechanical oscillation system is produced adjacent to the second trench (3a, 3b) by means of the first polysilicon layer (7).

Inventors:
SCHARY TIMO (DE)
RAIBLE ISABELLE (DE)
ROEDEL REINHOLD (DE)
BREHM JAN DAVID (DE)
BAADER JOHANNES (DE)
Application Number:
PCT/EP2022/060909
Publication Date:
December 01, 2022
Filing Date:
April 25, 2022
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
International Classes:
H01L41/08; B06B1/06; G10K13/00; H01L41/319
Domestic Patent References:
WO2016106153A12016-06-30
WO2016106153A12016-06-30
Foreign References:
US20170069820A12017-03-09
US20140276087A12014-09-18
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Claims:
Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines mikro-elektronisch-mechanischen

Schwingungssystems, insbesondere eines piezoelektrischen mikrogefertigten Ultraschallwandlers (120a, 120b, 120c, 120d, 120e), wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

Bereitstellen eines Trägersubstrats (5) mit einer ersten Oberfläche (4), und Erzeugen eines umlaufenden ersten Grabens (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b), insbesondere ersten Trenchgrabens, wobei sich der erste Graben (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b) von der ersten Oberfläche (4) des Trägersubstrats (5) zumindest teilweise durch das Trägersubstrat (5) erstreckt, wobei eine von dem umlaufenden ersten Graben (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b) eingeschlossene Fläche der ersten Oberfläche (4) eine definierte Form und eine Größe, insbesondere einer zu erzeugenden schwingbaren Wandlerplatte (19) des mikro-elektronisch-mechanischen Schwingungssystems in einer Draufsicht, aufweist, und Aufbringen einer Passivierungsschicht (2) auf die erste Oberfläche (4) des ersten Trägersubstrats (5), wobei der erste umlaufende Graben (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b) zumindest teilweise mit der Passivierungsschicht (2) befüllt wird, und

Aufwachsen, insbesondere epitaktisches Aufwachsen, einer ersten Poly- Siliziumschicht (7) auf die Passivierungsschicht (2) und/oder die erste Oberfläche (4) des Trägersubstrats (5), und Anordnen eines Wandlerelements (10) des mikro-elektronisch- mechanischen Schwingungssystems, insbesondere des Piezoelements des piezoelektrischen mikrogefertigten Ultraschallwandlers, auf einer zweiten Oberfläche (9) der ersten Poly-Siliziumschicht (7), wobei die zweite Oberfläche (9) insbesondere im Wesentlichen parallel zu der ersten Oberfläche (4) des ersten Trägersubstrats (5) ausgerichtet ist, und Erzeugen eines zweiten Grabens (14, 30, 72, 85), insbesondere zweiten Trenchgrabens, vollständig durch das Trägersubstrat (5) hindurch in Richtung des Wandlerelements (10), wobei sich der zweite Graben (14, 30, 72, 85) bis zur Passivierungsschicht (2) hin erstreckt, sodass an den zweiten Graben (14, 30, 72, 85) angrenzend mittels der ersten Poly- Siliziumschicht (7) die schwingbare Wandlerplatte (19) des mikro- elektronisch-mechanischen Schwingungssystems erzeugt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste umlaufende Graben (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b) beim Schritt des Aufbringens der Passivierungsschicht (2) von der Passivierungsschicht (2), insbesondere an einem oberen Ende des ersten Grabens (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b), verschlossen wird.

3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass folgend auf das Aufbringen der Passivierungsschicht (2) auf die erste Oberfläche (4) des Trägersubstrats (5) die Passivierungsschicht (2) mittels einer ersten Ätzmaske derart teilweise entfernt wird, dass die Passivierungsschicht (2) nur auf einem Teilbereich (17) der ersten Oberfläche (4) verbleibt, welcher von dem ersten umlaufenden ersten Graben (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b) umschlossen ist.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass folgend auf das Aufbringen der Passivierungsschicht (2) auf die erste Oberfläche (4) des Trägersubstrats (5) die Passivierungsschicht (2) mittels einer zweiten Ätzmaske derart umlaufend entfernt (95) wird, dass ein dritter umlaufender Graben (12, 15b, 15c, 15d) erzeugt wird, wobei sich der dritte Graben bis zu der ersten Oberfläche (4) des Trägersubstrats (5) erstreckt, wobei der dritte umlaufende Graben (12) den ersten umlaufenden Graben (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b) umschließt.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt des Erzeugens des zweiten Grabens (14, 30, 72, 85) zunächst ein erster Trenchschritt erfolgt, bei dem eine dritte Öffnung einer, insbesondere dazugehörigen, dritten Trenchmaske eine Größe, insbesondere einen Durchmesser, aufweist, die kleiner, insbesondere signifikant kleiner, ist als eine Größe einer Fläche der Wandlerplatte (19), wobei in einem folgenden isotropen Siliziumätzschritt der zweite Graben (14, 30, 72, 85), insbesondere bis zum Erreichen der Passivierungsschicht (2), vergrößert wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Trenchschritt vollständig bis zum Erreichen der Passivierungsschicht (2) auf der ersten Oberfläche (4) verläuft. 7. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Trenchschritt vor Erreichen der Passivierungsschicht (2) auf der ersten Oberfläche (4) beendet ist.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des zweiten Grabens (14, 30, 72, 85) mittels Trenchen erfolgt, wobei hierbei zunächst mittels einer, insbesondere dazugehörigen, fünften Trenchmaske wenigstens ein dritter und ein lateral zu dem dritten versetzter vierter Graben erzeugt werden, wobei folgend mittels isotroper Silliziumätzung der dritte und der vierte Graben zu dem zweiten Grabens (14, 30, 72, 85) vereinigt werden.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste umlaufende Graben (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b) mittels Trenchen derart erzeugt wird, dass der erste Graben (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b) an einem unteren Ende des ersten Grabens (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b) einen Durchmesser (64a, 64b) in einem Bereich von 5pm bis 50pm, insbesondere in einem Bereich von 5pm bis 20pm, aufweist.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Erzeugen des ersten umlaufenden Grabens (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b) folgend eine, insbesondere äußere, Wandung des ersten umlaufenden Grabens (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b) und eine Bodenfläche des ersten umlaufenden Grabens (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b) mit einer zweiten Poly-Siliziumschicht (23) oder einer Epi- Siliziumschicht beschichtet wird, und darauf folgend der erste umlaufende Graben (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b) beim Schritt des Aufbringens der Passivierungsschicht (2) auf die erste Oberfläche (4) des Trägersubstrats (5) mit der Passivierungsschicht (2) zumindest teilweise befüllt wird.

11. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schritt des Aufbringens der Passivierungsschicht (2) eine, insbesondere äußere, Wandung des ersten umlaufenden Grabens (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b) mit der Passivierungsschicht (2) beschichtet wird, und darauf folgend der erste umlaufende Graben (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b) zumindest teilweise mit einer zweiten Poly-Siliziumschicht (23) oder eine Epi-Siliziumschicht befüllt wird.

12. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des ersten umlaufenden Grabens (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b) eine Gittermaske als eine vierte Trenchmaske verwendet wird, wobei darauf folgend der erste umlaufende Graben (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b) beim Schritt des Aufbringens der Passivierungsschicht (2) auf die erste Oberfläche (4) des Trägersubstrats (5) mit der Passivierungsschicht (2) zumindest teilweise befüllt wird und der erste Graben (3a, 3b, 24a, 24b, 91a, 91b) mittels der Passivierungsschicht (2) verschlossen wird.

13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht (2) als Ätzstoppschicht dient.

14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht (2) als Siliziumoxidschicht ausgebildet ist.

15. Piezoelektrischer mikrogefertigter Ultraschallwandler (120a, 120b, 120c, 120d, 120e), insbesondere hergestellt mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, aufweisend wenigstens ein Trägersubstrat (5), insbesondere aus Silizium, eine erste Poly-Siliziumschicht (7), ein Wandlerelement (10), und eine schwingbare Wandlerplatte (19), wobei das Trägersubstrat (5) eine erste Oberfläche (4) aufweist, auf der die erste Poly-Siliziumschicht (7) angeordnet ist, wobei die erste Poly- Siliziumschicht (7) eine zweite Oberfläche (9) aufweist, wobei die zweite Oberfläche (9) insbesondere im Wesentlichen parallel zu der ersten Oberfläche (4) des ersten Trägersubstrats (5) ausgerichtet ist, wobei das Wandlerelement (10), insbesondere das Piezoelement, des piezoelektrischen mikrogefertigten Ultraschallwandlers (120a, 120b, 120c, 120d, 120e), auf der zweiten Oberfläche (9) der ersten Poly-Siliziumschicht (7) angeordnet ist, wobei sich ein zweiter Graben (14, 30, 72, 85) vollständig durch das Trägersubstrat (5) hindurch in Richtung des Wandlerelements (10) bis zur ersten Poly- Siliziumschicht (7) hin derart erstreckt, dass sich die schwingbare Wandlerplatte (19), insbesondere an den zweiten Graben (14, 30, 72, 85) unmittelbar angrenzend, ausbildet, wobei der zweite Graben (14, 30, 72, 85) in Richtung des Wandlerelements (10) in einem an die Wandlerplatte (19) angrenzenden Bereich trichterförmig mit einer Steigung in einem Bereich von +0,5° bis -4° ausgebildet ist.

Description:
Beschreibung

Titel

Verfahren zur Herstellung eines mikro-elektronisch-mechanischen Schwingungssystems und Piezoelektrischer mikrogefertigter Ultraschallwandler

Stand der Technik

Aus dem Dokument WO 2016 106153 ist ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen mi krogefertigten Ultraschallwandlers (pMUT) bekannt, bei dem eine Passivierungsschicht auf ein Trägersubstrat abgeschieden wird und anschließend mit den gewünschten Plattenabmessungen der später erzeugten Wandlerplatte des pMUT-Sensors strukturiert wird. Auf das Trägersubstrat und/oder die Passivierungsschicht wird folgend eine Poly-Siliziumschicht abgeschieden und dann ein Wandlerelement auf deren Oberfläche angeordnet. Anschließend wird ein Graben vollständig durch das Trägersubstrat bis zum Erreichen der Poly-Siliziumsschicht hin durch Trenchen erzeugt.

Bei dem oben beschriebenen Verfahren aus dem Stand der Technik weist der erzeugte Graben jedoch in Richtung des Wandlerelements eine vergleichsweise breite und flache Hinterschneidung auf.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines mikro-elektronisch-mechanischen Schwingungssystems zu entwickeln, welches die zuvor erwähnten Nachteile aus dem Stand der Technik behebt.

Offenbarung der Erfindung

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung eines mikro- elektronisch-mechanischen Schwingungssystems, insbesondere eines piezoelektrischen mikrogefertigten Ultraschallwandlers, gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Zudem wird ein piezoelektrischer mikrogefertigter Ultraschallwandler gemäß Anspruch 15 vorgeschlagen. Bei dem Verfahren zur Herstellung eines mikro-elektronisch-mechanischen Schwingungssystems wird zunächst ein Trägersubstrat mit einer ersten Oberfläche bereitgestellt. Bei dem Trägersubstrat handelt es sich insbesondere um ein Siliziumsubstrat und bei dem mikro-elektronisch-mechanischen Schwingungssystem um einen piezoelektrischen mikrogefertigten Ultraschallwandler. Weiterhin wird ein umlaufender erster Graben, insbesondere ein erster Trenchgraben, erzeugt. Der erste Graben erstreckt sich hierbei von der ersten Oberfläche des Trägersubstrats zumindest teilweise durch das Trägersubstrat und eine von dem umlaufenden ersten Graben eingeschlossene Fläche der ersten Oberfläche weist eine definierte Form und eine Größe auf. Bei der definierten Form und der definierten Größe handelt es sich bevorzugt um eine Form und eine Größe, insbesondere eine Länge, der zu erzeugenden Wandlerplatte in einer Draufsicht. Weiterhin wird eine Passivierungsschicht auf die erste Oberfläche des ersten Trägersubstrats aufgebracht und hierbei der erste umlaufende Graben zumindest teilweise mit der Passivierungsschicht befüllt. Folgend wächst eine erste Poly-Siliziumschicht auf die Passivierungsschicht und/oder die erste Oberfläche des Trägersubstrats auf. Insbesondere wächst die erste Poly-Siliziumschicht epitaktisch auf die Passivierungsschicht und/oder die erste Oberfläche des Trägersubstrats auf. Zudem wird ein Wandlerelement des mikro-elektronisch-mechanischen Schwingungssystems auf einer zweiten Oberfläche der ersten Poly- Siliziumschicht angeordnet. Bei dem Wandlerelement handelt es sich insbesondere um ein Piezoelement. Die zweite Oberfläche ist insbesondere im Wesentlichen parallel zu der ersten Oberfläche des ersten Trägersubstrats ausgerichtet. Weiterhin wird ein zweiter Graben, insbesondere zweiter Trenchgraben, vollständig durch das Trägersubstrat hindurch in Richtung des Wandlerelements erzeugt. Der zweite Graben erstreckt sich hierbei bis zur Passivierungsschicht hin, sodass an den zweiten Graben angrenzend mittels der ersten Poly-Siliziumschicht die schwingbare Wandlerplatte des mikro- elektronisch-mechanischen Schwingungssystems erzeugt wird. Durch den zumindest teilweise mit der zweiten Passivierungsschicht befüllten ersten Graben ermöglicht das Verfahren eine genaue Definition der Position und der Länge der zu erzeugenden Wandlerplatte. Vorzugsweise wird der erste umlaufende Graben beim Schritt des Aufbringens der Passivierungsschicht von der Passivierungsschicht, insbesondere an einem oberen Ende des ersten Grabens, verschlossen. Bevorzugt wird folgend auf das Aufbringen der Passivierungsschicht auf die erste Oberfläche des Trägersubstrats die Passivierungsschicht mittels einer ersten Ätzmaske derart teilweise entfernt, dass die Passivierungsschicht nur auf einem Teilbereich der ersten Oberfläche verbleibt, welcher von dem ersten umlaufenden ersten Graben umschlossen ist. Der Teilbereich weist hierbei, insbesondere in einer Draufsicht, eine Form und eine Fläche auf, welche der zu erzeugenden schwingbaren Wandlerplatte entspricht. Der zweite Graben erstreckt sich hierbei vorzugsweise bis zum Teilbereich der zweiten Passivierungsschicht. Die von dem umlaufenden ersten Graben eingeschlossene Fläche der ersten Oberfläche und der zusammenhängende Teilbereich der Passivierungsschicht stimmen vorzugsweise überein. Mit anderen Worten ist die Öffnung des ersten Grabens an einem äußeren Randbereich des Teilbereichs der zweiten Passivierungsschicht angeordnet.

Vorzugsweise wird folgend auf das Aufbringen der Passivierungsschicht auf die erste Oberfläche des Trägersubstrats die Passivierungsschicht mittels einer zweiten Ätzmaske derart umlaufend entfernt, dass ein dritter umlaufender Graben erzeugt wird. Der dritte Graben erstreckt sich hierbei bis zu der ersten Oberfläche des Trägersubstrats. Der dritte umlaufende Graben umschließt den ersten umlaufenden Graben. In einem folgenden Verfahrensschritt wächst dann die erste Poly-Siliziumschicht in dem Bereich des dritten Grabens auf die Oberfläche des Trägersubstrats auf und füllt somit den dritten Graben. Dieser dritte, gefüllte Graben kann im weiteren Verfahren als lateraler Stopp für eine isotrope chemische Entfernung der Passivierungsschicht verwendet werden. Somit kann die Wandlerplatte noch mit genaueren lateralen Abmessungen hergestellt werden. Vorzugsweise weist der dritte Graben eine schräge oder zumindest teilweise abgerundete Wandung auf. Somit werden lokale Stressüberhöhungen der Wandlerplatte bei Belastung reduziert bzw. verhindert.

Bevorzugt erfolgt bei dem Schritt des Erzeugens des zweiten Grabens zunächst ein Trenchschritt, bei dem eine vierte Öffnung einer zugehörigen vierten Trenchmaske eine Öffnungsgröße aufweist, die kleiner, insbesondere signifikant kleiner, ist als eine Größe einer Fläche der Wandlerplatte. In einem folgenden isotropen Siliziumätzschritt wird der zweite Graben, insbesondere bis zum Erreichen der Passivierungsschicht, vergrößert. Durch dieses Verfahren werden im Bereich des Trägersubstrats Hinterschnitte oder Stufen des zweiten Grabens vermieden. Vorzugsweise verläuft schon der erste Trenchschritt bis zum Erreichen der Passivierungsschicht auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrat und der zweite Graben wird im folgenden isotropen Siliziumätzschritt bis zum Erreichen der Passivierungsschicht innerhalb des ersten umlaufenden Grabens verbreitert. Alternativ hierzu wird der erste Trenchschritt vorzugsweise vor Erreichen der Passivierungsschicht auf der ersten Oberfläche beendet und der zweite Graben im folgenden isotropen Siliziumätzschritt bis zum Erreichen der Passivierungsschicht verlängert und verbreitert. Somit werden Hinterschnitte oder Stufen des zweiten Grabens vermieden. Alternativ wird bevorzugt zunächst mittels einer, insbesondere dazugehörigen, fünften Trenchmaske wenigstens ein dritter und ein lateral zu dem dritten versetzter vierter Graben erzeugt. In einem folgenden Verfahrensschritt wird mittels isotroper Silliziumätzung der dritte und der vierte Graben zu dem zweiten Graben vereinigt. Diese Ausführung ist vorteilhaft, da durch die geringere Öffnungsfläche der Trench durch das Trägersubstrat schneller, mit weniger Maskenverbrauch, mit steileren Flanken und zudem homogener verlaufen kann.

Vorzugsweise wird der erste umlaufende Graben mittels Trenchen derart erzeugt, dass der erste Graben an einem unteren Ende des ersten Grabens einen Durchmesser, insbesondere eine Breite, in einem Bereich von 5pm bis 50pm auf. Vorzugsweise weist der erste Graben an dem unteren Ende des ersten Grabens einen Durchmesser, insbesondere eine Breite, in einem Bereich von 5pm bis 20pm auf. Da die Trenchrate mit zunehmendem Verhältnis der Tiefe des ersten Grabens zu der Breite des ersten Grabens fällt, ermöglicht diese vergleichsweite breite Ausbildung des ersten Grabens einen vergleichsweise tiefen ersten Graben. Um trotzdem einen Verschluss des ersten Grabens an dem oberen Ende des ersten Grabens und eine Aufbringung der Passivierungsschicht auf die Wandung des Grabens zu ermöglichen, wird vorzugsweise in einem auf das Erzeugen des ersten umlaufenden Grabens folgenden Verfahrensschritt, eine, insbesondere äußere, Wandung des ersten umlaufenden Grabens und eine Bodenfläche des ersten umlaufenden Grabens mit einer zweiten Poly- Siliziumschicht oder einer Epi-Siliziumschicht beschichtet. Darauf folgend wird der erste umlaufende Graben beim Schritt des Aufbringens der Passivierungsschicht auf die erste Oberfläche des Trägersubstrats mit der Passivierungsschicht zumindest teilweise befüllt und der erste Graben mittels der Passivierungsschicht verschlossen. Alternativ hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, dass beim Schritt des Aufbringens der Passivierungsschicht eine, insbesondere äußere, Wandung des ersten umlaufenden Grabens mit der Passivierungsschicht beschichtet wird und darauf folgend der erste umlaufende Graben zumindest teilweise mit einer zweiten Poly-Siliziumschicht oder eine Epi- Siliziumschicht gefüllt wird und der erste Graben mittels der zweiten Poly- Siliziumschicht oder der Epi-Siliziumschicht verschlossen wird. Weiterhin alternativ wird vorzugsweise zur Erzeugung des ersten umlaufenden Grabens eine Gittermaske als eine vierte Trenchmaske verwendet. Viele kleine Gitteröffnungen ergeben in Summe eine große laterale Maskenöffnung, welche einen tiefen Trench erlaubt. Die einzelnen Gitteröffnungen sind jedoch klein genug um noch mit technisch umsetzbaren SiO-Dicken verschließbar zu sein. Darauf folgend wird der erste umlaufende Graben beim Schritt des Aufbringens der Passivierungsschicht auf die erste Oberfläche des Trägersubstrats mit der Passivierungsschicht zumindest teilweise befüllt und mittels der Passivierungsschicht verschlossen. All diese Verfahren ermöglichen einen vergleichsweise tiefen umlaufenden ersten Graben und somit auch einen vergleichsweise langen Bereich des ersten Grabens, dessen Maße, insbesondere Durchmesser, von dem ersten Graben lateral begrenzt und somit bestimmt werden.

Vorzugsweise erfolgt das Erzeugen des zweiten Grabens mittels Trenchen. Hierbei wird zunächst mittels einer, insbesondere dazugehörigen, fünften Trenchmaske wenigstens ein dritter und ein lateral zu dem dritten versetzter vierter Graben erzeugt. In einem folgenden Verfahrensschritt wird mittels isotroper Silliziumätzung der dritte und der vierte Graben zu dem zweiten Graben vereinigt.

Vorzugsweise dient die Passivierungsschicht als Ätzstoppschicht. Die Passivierungsschicht ist bevorzugt als Siliziumoxidschichten ausgebildet.

Bevorzugt wird folgend auf das Erzeugen des ersten Grabens die Passivierungsschicht zumindest teilweise entfernt.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein piezoelektrischer mikrogefertigter Ultraschallwandler, der vorzugsweise mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens hergestellt wird. Der piezoelektrische mi krogefertigte Ultraschallwandler weist hierbei ein Trägersubstrat, eine erste Poly- Siliziumschicht, ein Wandlerelement und eine schwingbare Wandlerplatte auf. Das Trägersubstrat weist hierbei eine erste Oberfläche auf, auf der die erste Poly-Siliziumschicht angeordnet ist. Die erste Poly-Siliziumschicht weist eine zweite Oberfläche auf, wobei diese insbesondere im Wesentlichen parallel zu der ersten Oberfläche des ersten Trägersubstrats ausgerichtet ist. Das Wandlerelement ist auf der zweiten Oberfläche der ersten Poly-Siliziumschicht angeordnet. Bei dem Wandlerelement handelt es sich vorzugsweise um ein Piezoelement des piezoelektrischen mi krogefertigten Ultraschallwandlers. Ein zweiter Graben erstreckt sich vollständig durch das Trägersubstrat hindurch in Richtung des Wandlerelements bis zur ersten Poly-Siliziumschicht hin derart, dass sich die schwingbare Wandlerplatte, insbesondere an den zweiten Graben unmittelbar angrenzend, ausbildet. Der zweite Graben ist in Richtung des Wandlerelements in einem an die Wandlerplatte angrenzenden Bereich trichterförmig mit einer Steigung in einem Bereich von +0,5° bis -4° ausgebildet. Eine Verjüngung des Trichters entspricht hierbei einer negativen Steigung und eine Aufweitung des Trichters entspricht einer positiven Steigung in Richtung des Wandlerelements.

Vorzugsweise weist der piezoelektrische mikrogefertigte Ultraschallwandler eine Passivierungsschicht auf, welche die erste Oberfläche des Trägersubstrats und die erste Siliziumschicht zumindest teilweise voneinander trennt.

Bevorzugt weist der erste Graben eine Haupterstreckungsrichtung auf, welche im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche des ersten Trägersubstrats ausgerichtet ist.

Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines mikro-elektronisch-mechanischen Schwingungssystems.

Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines mikro-elektronisch-mechanischen Schwingungssystems. Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines mikro-elektronisch-mechanischen Schwingungssystems.

Figur 4 zeigt eine vierte Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines mikro-elektronisch-mechanischen Schwingungssystems.

Figur 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines mikro-elektronisch-mechanischen Schwingungssystems.

Figuren 6a bis 6c zeigen unterschiedliche Ausführungsformen des erzeugten dritten Grabens.

Ausführungsbeispiele der Erfindung

Figur 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines mikro-elektronisch-mechanischen Schwingungssystems in Form eines piezoelektrischen mikrogefertigten Ultraschallwandlers 120a. Hierbei wird in einem ersten Verfahrensschritt 99 ein Trägersubstrat 5 mit einer ersten Oberfläche 4 bereitgestellt. Das Trägersubstrat 5 ist hierbei als ein Siliziumsubstrat ausgebildet. Weiterhin wird ein erster umlaufender Graben 3a und 3b erzeugt. Der erste Graben 3a und 3b erstreckt sich hierbei von der ersten Oberfläche 4 des Trägersubstrats 5 teilweise durch das Trägersubstrat 5. Eine von dem umlaufenden ersten Graben 3a und 3b eingeschlossene Fläche der ersten Oberfläche 4 weist hierbei eine Form und eine Größe der später zu erzeugenden schwingbaren Wandlerplatte 19 des mikro-elektronisch- mechanischen Schwingungssystems in einer Draufsicht auf. Weiterhin wird eine Passivierungsschicht 2 auf die erste Oberfläche 4 des ersten Trägersubstrats 5 aufgebracht und der erste umlaufende Graben 3a und 3b teilweise mit der Passivierungsschicht 2 befüllt und ein oberes Ende des ersten Grabens 3a und 3b mittels der Passivierungsschicht verschlossen. Die Passivierungsschicht 2 dient als Ätzstoppschicht und ist hierbei als Siliziumoxidschicht ausgebildet.

In einem folgenden Verfahrensschritt 100 wächst eine erste Poly-Siliziumschicht 7 auf die Passivierungsschicht 2 auf. Weiterhin wird ein Piezoelement als Wandlerelement 10 auf einer zweiten Oberfläche 9 der ersten Poly- Siliziumschicht 7 angeordnet. Die zweite Oberfläche 9 ist hierbei im Wesentlichen parallel zu der ersten Oberfläche 4 des ersten Trägersubstrats 5 ausgerichtet. Zudem werden die elektrischen Kontaktierungselemente 8 des Piezoelements auf der erst Poly-Siliziumschicht 7 angeordnet.

In einem folgenden Verfahrensschritt 101 wird ein erster Trenchschritt zum Erzeugen eines zweiten Grabens 14 dargestellt. Zu diesem Trenchschritt wird eine hier nicht dargestellte dritte Trenchmaske verwendet, welche eine dritte Öffnung mit einer Größe aufweist, die signifikant kleiner ist, als eine Länge der zu erzeugenden Wandlerplatte 19. Der Trenchschritt endet hierbei schon vor dem Erreichen der Passivierungsschicht 2 und hinterlässt eine dritten Trenchgraben 11. Bei einem folgenden Verfahrensschritt 102 wird der dritte Graben 11 mittels eines Siliziumätzschritts bis zum Erreichen der Passivierungsschicht 2 vergrößert und somit der zweite Graben 14 erzeugt. Der zweite Graben 14 erstreckt sich bis zur Passivierungsschicht 2, sodass an den zweiten Graben 14 unmittelbar angrenzend mittels der ersten Poly-Siliziumschicht 7 die schwingbare Wandlerplatte 19 des mikro-elektronisch-mechanischen Schwingungssystems erzeugt wird. Weiterhin wird die Passivierungsschicht im Bereich des zweiten Grabens 14 entfernt.

Der zweite Graben weist eine Haupterstreckungsrichtung 12 auf, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche 4 verläuft.

In einem weiteren, hier nicht dargestellten Verfahrensschritt, wird noch Material des Trägersubstrats 5 mittels eines Schleifprozesses entfernt. Hierbei wird das Material derart entfernt, dass möglichst nur noch das ursprünglich vom ersten Graben eingeschlossene Material des Trägersubstrats bestehen bleibt.

Figur 2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines mikro-elektronisch-mechanischen Schwingungssystems in Form eines piezoelektrischen mikrogefertigten Ultraschallwandlers 120b. Hierbei wird im Unterschied zu der Ausführungsform auf Figur 1 in einem Verfahrensschritt 98 folgend auf das Aufbringen der Passivierungsschicht 2 auf die erste Oberfläche 4 des Trägersubstrats 5 die Passivierungsschicht 2 mittels einer hier nicht dargestellten ersten Ätzmaske derart teilweise entfernt, dass die Passivierungsschicht 2 nur auf einem Teilbereich 17 der ersten Oberfläche 4 verbleibt. Der Teilbereich 17 wird hierbei von dem ersten Graben 3a und 3b umschlossen.

In einem auf den Verfahrensschritt 101 folgenden Verfahrensschritt 104 wird in einem ersten Trenchschritt zum Erzeugen eines zweiten Grabens 30 ein fünfter Graben 28 bis zum Erreichen der Passivierungsschicht 2 erzeugt. Auch hier weist die nicht dargestellte Trenchmaske eine Öffnung auf, welche signifikant kleiner ist, als der von dem ersten Graben 3a und 3b umschlossene Bereich. Erst in einem auf den Verfahrensschritt 104 folgenden Verfahrensschritt 105 wird der fünfte Graben 28 mittels eines Siliziumätzschritts bis zum Erreichen der innerhalb des ersten Grabens 3a und 3b angeordneten Passivierungsschicht 2 verbreitert. Anschließend wird die Passivierungsschicht 2 innerhalb des zweiten Grabens 30 entfernt.

Figur 3 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines mikro-elektronisch-mechanischen Schwingungssystems in Form eines piezoelektrischen mikrogefertigten Ultraschallwandlers 120c. Hierbei wird im Unterschied zu den vorherigen Ausführungen in einem Verfahrensschritt 96 der erste umlaufende Graben 24a und 24b mittels Trenchen derart erzeugt, dass der erste Graben 24a und 24b vergleichsweise breit mit einem Durchmesser 64a und 64b ausgeführt ist. Eine äußere Wandung und eine Bodenfläche des somit relativ breiten und tiefen ersten Grabens 24a und 24b wird folgend mit einer zweiten Poly-Siliziumschicht 23 beschichtet. Darauf folgend wird der erste umlaufende Graben 24a und 24b beim Schritt des Aufbringens der Passivierungsschicht 2 mit dieser teilweise befüllt und an einem oberen Ende des ersten Grabens 24a und 24b mittels der Passivierungsschicht 2 verschlossen. In der dargestellten Ausführung wäre auch eine umgekehrte Verschlussreihenfolge des ersten Grabens 24a und 24b denkbar. In diesem Fall würde zunächst der erste Graben 24a und 24a bzw. eine äußere Wandung des ersten Grabens 24a und 24b mit der Passivierungsschicht 2 beschichtet und anschließend der erste Graben 24a und 24b mit der zweiten Poly-Siliziumschicht 23 teilweise befüllt und verschlossen werden.

In einem auf den Verfahrensschritt 101 folgenden Verfahrensschritt 107 wird ein siebter Graben 74 zunächst mit einer hier nicht dargestellten relativ schmalen Trechmaske bis zum Erreichen der Passivierungsschicht 2 erzeugt. In einem auf den Verfahrensschritt 107 folgenden Verfahrensschritt 111 wird dann der siebte Graben 74 bis zum Erreichen der innerhalb des ersten Grabens 24a und 24b angeordneten Passivierungsschicht 2 verbreitert und somit der zweite Graben 72 erzeugt.

Figur 4 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines mikro-elektronisch-mechanischen Schwingungssystems in Form eines piezoelektrischen mikrogefertigten Ultraschallwandlers 120d. Hierbei wird im Unterschied zu den vorherigen Ausführungen in einem auf den Verfahrensschritt 101 folgenden Verfahrensschritt 113 mittels einer hier nicht dargestellten fünften Trenchmaske eine Mehrzahl von lateral zueinander versetzten, relativ schmalen Gräben 84 in dem Trägersubstrat 5 erzeugt. In einem auf den Verfahrensschritt 113 folgenden Verfahrensschritt 114 wird mittels isotroper Silliziumätzung die Mehrzahl von schmalen Gräben 84 zu dem zweiten Graben 85 vergrößert. Folgend wird die Passivierungsschicht 4 innerhalb des zweiten Grabens 85 entfernt.

Figur 5 zeigt schematisch eine fünfte Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines mikro-elektronisch-mechanischen Schwingungssystems in Form eines piezoelektrischen mikrogefertigten Ultraschallwandlers 120e. Auch hier wird genau wie auf der Ausführung auf Figur 3 ein umlaufender erster Graben 91a und 91b derart erzeugt, dass der erste Graben 91a und 91b vergleichsweise breit ausgeführt ist. Zur Erzeugung des ersten umlaufenden Grabens 91a und 91b wird eine hier nicht dargestellte Gittermaske als eine vierte Trenchmaske verwendet. Viele kleine Gitteröffnungen ergeben in Summe eine große laterale Maskenöffnung, welche einen tiefen Trench erlaubt. Der erste umlaufende Graben 91a und 91b wird beim Schritt des Aufbringens der Passivierungsschicht 2 auf die erste Oberfläche 4 des Trägersubstrats 5 mit der Passivierungsschicht 2 teilweise befüllt und von der Passivierungsschicht 2 verschlossen. In einem auf den Verfahrensschritt 94 folgenden Verfahrensschritt 95 wird die Passivierungsschicht 2 mittels einer hier nicht dargestellten zweiten Ätzmaske derart umlaufend entfernt, dass ein dritter umlaufender Graben 12 erzeugt wird. Der dritte Graben 12 erstreckt sich hierbei bis zu der ersten Oberfläche 4 des Trägersubstrats 5 und umschließt den ersten umlaufenden Graben 91a und 91b. In Verfahrensschritt 101 wächst die erste Poly- Siliziumschicht 7 in dem Bereich des dritten Grabens 12 auf die Oberfläche 4 des Trägersubstrats 5 auf und füllt somit den dritten Graben 12. In Verfahrensschritt 111 dient dieser dritte, gefüllte Graben 15a als lateraler Stopp für die isotrope chemische Entfernung der Passivierungsschicht 2. Figur 6a zeigt in diesem Zusammenhang eine erste Ausführungsform eines mit der ersten Poly- Siliziumschicht 7 befüllten dritten Grabens 15b nach Durchführung des Ätzschritts 111. Hierbei weist der dritte Grabens 15b eine gegenüber der Wandlerplatte 19 senkrecht verlaufende Wandung 25a auf. Der auf Figur 6b gezeigte dritte Graben 15c weist demgegenüber eine schräg verlaufende Wandung 25b auf. Somit werden Stressüberhöhungen vermieden, die zu Rissen bei Belastung führen können. Weiterhin zeigt 6c einen dritten Graben 15d mit einer teilweise abgerundeten Wandung 25c. Auch dieser graduelle Übergang verhindert Stressüberhöhungen bei entsprechender Belastung.