In einem Uhrwerk finden derartige mikromechanische Bauteile insbesondere als Zahnräder, Unruhe, Feder und/oder Zeiger Verwendung.

Nach dem Stand der Technik sind mikromechanische Bau- teile gewöhnlich aus Metallen oder anderen Festkör- pern hergestellt. Es wurden bereits mikromechanische Bauteile aus Diamant mit Abmessungen, wie sie bei- spielsweise für den Einsatz in einer Uhr benötigt werden, gefertigt, (www. iaf-fraunhofer. de und dorti-

ge Verweise). Jedoch ist es bisher nicht gelungen, diese Teile so herzustellen, dass sie geeignet sind, in einem mikromechanischen Getriebe, z. B. in einem Uhrlaufwerk, eingesetzt zu werden. Bisherige, aus Di- amant gefertigte mikromechanische Bauteile werden da- bei so hergestellt, dass zuerst über ein CVD- Verfahren Diamant auf einem flachen bzw. scheibenför- migen Substrat abgeschieden wird. Dies kann bis zu einer Stärke von etwa 3 mm erfolgen. Um aus einer derartigen einheitlichen Diamantschicht das gewünsch- te mikromechanische Bauteil zu erhalten, wird mittels eines gütegeschalteten Nd : YAG-Lasers die gewünschte Form aus der Diamantscheibe herausgeschnitten. Auf- grund der sehr hohen Wärmeleitfähigkeit von Diamant ist ein thermisches Schneidverfahren in der Anwendung problematisch.

Die so hergestellten mikromechanischen Bauteile haben daher den Nachteil, dass die bearbeitete Schnittflä- che als Oberfläche überaus rauh ist und insbesondere aufgrund der thermischen Wirkung des Lasers nicht senkrecht auf der flächig ausgedehnten Scheibenober- fläche steht. Die Oberflächen sind daher für mikrome- chanische Bauteile ungenügend. Lediglich die Schei- benoberfläche kann durch Schleifen und Polieren auf Rauhigkeitswerte unter 20 Ä gebracht werden. Feinere Strukturen können mit Lasern nicht erzeugt werden aufgrund der begrenzten Fokussierbarkeit von Lasern.

Es sind lediglich minimale Schnittbreiten von ca. 50 gm möglich.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Auf- gabe, ein mikromechanisches Bauteil zur Verfügung zu stellen, bei dem eine erste und eine zweite Oberflä- che im Wesentlichen senkrecht aufeinander stehen.

Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,

ein Verfähren anzugeben, mit dem derartige Bauteile hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird durch das mikromechanische Bauteil nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungs- gemäßen mikromechanischen Bauteils und des erfin- dungsgemäßen Verfahrens wird in den jeweiligen abhän- gigen Ansprüchen gegeben.

Erfindungsgemäß besteht das mikromechanische Bauteil aus Diamant, AlxOy, SixCy, SixNy, SixOyNy-1, metalli- schen Carbiden der Gruppen 3,4 und 5 des Perioden- systems und/oder Zirkonverbindungen, insbesondere ZrxOy. X und Y bezeichnen dabei positive ganze Zah- len. Erfindungsgemäß wird erstmals ein mikromechani- sches Bauteil zur Verfügung gestellt, dessen Oberflä- chen senkrecht aufeinander stehen. Hierzu wird zuerst eine aus den obigen Materialien bestehende Schicht auf einem Substrat abgeschieden und anschließend das Bauteil in seiner Außenkontur mittels eines Ätz- schrittes und einer Ätzmaske auf einer ersten Ober- fläche der abgeschiedenen ersten Schicht herausge- ätzt. Durch die Auswahl geeigneter Prozessparameter und/oder Prozessgase gelingt es, die Selektivität der Ätzraten zwischen Maskenmaterial und der zu ätzenden Schicht sicherzustellen. Dadurch ist es möglich, eine im Wesentlichen rechtwinklige Kante zwischen der Oberfläche der ersten abgeschiedenen Schicht und der Ätzkante auszubilden. Besonders vorteilhaft wird re- aktives Ionenätzen verwendet, beispielsweise mittels Chlor oder Sauerstoff.

Ein ähnliches Ätzverfahren mit dem Ziel eine schräge Schneidkante einer Diamantschneide zu erzeugen, ist in der WO 99/37437 offenbart, deren Offenbarung be-

züglich des Ätzverfahrens hiermit vollständig in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es also erst- mals möglich, ein mikromechanisches Bauteil zu schaf- fen, bei dem eine erste und eine zweite Oberfläche im wesentlichen senkrecht aufeinander stehen, vorteil- hafterweise mit einer Abweichung um weniger als 2° von der Senkrechten. Es ist auch erstmals möglich, ein Bauteil zu schaffen, dessen erste und/oder zweite Oberfläche eine mittlere Rauhigkeit R=s 10 Um (rms = root mean square, Wurzel des arithmetischen Mittels) aufweist.

Aufgrund der glatten Kanten und Flächen ist insbeson- dere die Abnutzung des Gleit-bzw. Reibpartners, bei- spielsweise eines metallischen zweiten Zahnrades sehr gering. Vorteilhafterweise können zur weiteren Ver- ringerung der Reibung und der Abnutzung die Kanten zwischen den beiden Oberflächen verrundet werden.

Dies ist beispielsweise in einem Ultraschallbad mög- lich, dessen Badflüssigkeit Diamantpartikel und/oder eine sauerstoffhaltige Substanz (Sauerstoff als Atom, in einem Molekül oder als Radikal), z. B. Kaliumper- manganat oder Kaliumnitrat, enthält.

Wird das Bauelement aus Diamant gefertigt, so hat es überragende mechanische und chemische Eigenschaften.

Zu erwähnen sind hier insbesondere seine hohe Wärme- leitfähigkeit, die ein Überhitzen des Bauelementes verhindert, sein hohes E-Modul, die geringe Wärmeaus- dehnung, die den Einsatz des Bauelementes unter wech- selnden Temperaturen mit dennoch geringen Toleranzen ermöglicht, seine hohe Verschleißfestigkeit, und sein geringer Reibungskoeffizient. All diese Eigenschaften ermöglichen es, Mikrobauelemente mit bisher nicht er-

reichten Gebrauchseigenschaften herzustellen.

Im Folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemä- ßer Herstellungsverfahren beschrieben.

Es zeigen : Fig. 1 ein Schema eines mikromechanischen Bau- teils ; Fig. 2 ein Herstellungsverfahren für ein mikrome- chanisches Bauelement ; Fig. 3 ein weiteres Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil ; Fig. 4 ein mikromechanisches Bauteil ; und Fig. 5 Vorrichtungen zum Herstellen erfindungsge- mäßer mikromechanischer Bauteile.

Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes mikro- mechanisches Bauteil mit zwei parallelen Oberflächen 10,12 als erste Oberflächen und Flanken 11, 11 als zweite Oberflächen. Die Oberflächen 10,12 und Flan- ken 11, 11 stehen im Wesentlichen senkrecht zu ein- ander. Die Vertikalität der Flanken 11, 11 weicht dabei höchstens zu einem Winkel a < 10°, vorzugsweise a < 5°, vorzugsweise a < 2° von der orthogonalen Ori- entierung ab.

Fig. 2 zeigt ein Herstellungsverfahren in den Teilbil- dern A bis D, bei dem (Teilbild A) zuerst auf einer Substratschicht 1 aus Silizium oder Polysilizium eine Schicht 2 aus Diamant über ein CVD-oder PVD-Ver-

fahren abgeschieden wird. Anschließend wird die Dia- mantschicht 2 mit einer weiteren Siliziumschicht 3 beschichtet (Fig. 2B), die anschließend strukturiert wird, um eine Ätzmaske 3a, 3b zu bilden (Fig. 2C).

Anschließend findet ein Ätzschritt statt, dessen Ver- fahrensparameter so gewählt werden, dass die Diamant- schicht 2 in den Bereichen abgeätzt wird, in denen sie nicht von der Maske 3a, 3b bedeckt ist. Dabei bilden sich seitliche Flanken 11 aus, die bei geeig- neter Wahl der Verfahrensbedingungen im Wesentlichen senkrecht auf der Grenzschicht zwischen den verblei- benden Diamantelementen 2a, 2b und der Ätzmaske 3a und 3b steht. Anschließend werden sowohl die Ätzmaske 3a, 3b als auch die Substratschicht 1 als Opfer- schicht entfernt, so dass die Elemente 2a und 2b als mikromechanische Bauteile übrig bleiben. Die Flanken 11, die beim Ätzen entstanden sind, stehen dabei im Wesentlichen senkrecht auf den gegenüberliegenden Oberflächen 10, 12a und 12b.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Herstellungsverfahren für ein Zahnrad (falls der Fertigungsprozess nach Schritt C1 abgebrochen wird) bzw. ein Doppelzahnrad, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Dieses Doppelzahnrad be- sitzt zwei Zahnoberflächen lla, llb, die jeweils senkrecht zu den benachbarten Oberflächen 10,12 sind. Die Zahnflächen lla und llb entsprechen ver- schiedenen Zahnradradien.

Wie in Fig. 3A zu erkennen ist, wird zuerst eine strukturierte Substratschicht 1 aus Silizium, Polysi- lizium oder einem Carbid eines Metalls der 3ten bis 5ten Hauptgruppe des Periodensystems hergestellt, die Vertiefungen 5a und 5b aufweist. Auf diese Substrat- schicht 1 wird nun eine Diamantschicht 2 abgeschie- den, wobei deren Dicke so gewählt wird, dass die Ver-

tiefung 5a und 5b sich nunmehr auch in der Diamant- schicht 2 ausprägen.

In einem Schritt C1 wird nun die Diamantschicht 2 bis auf die ursprüngliche Oberfläche der Substratschicht 1 abgeschliffen, so dass die Diamantschicht in zwei Bereiche 2a und 2b zerfällt, die in den Vertiefungen 5a bzw. 5b angeordnet sind. An ihrer Oberfläche bil- den sie Oberflächen 10 aus, während senkrecht hierzu in den Vertiefungen 5a, 5b vertikale Flanken 11 als Grenzfläche zwischen der Diamantschicht 2a, 2b und der Substratschicht 1 vorliegen.

Alternativ zum Schritt Cl ist es auch möglich, in ei- nem Schritt C2 die Diamantschicht nicht vollständig bis zur Oberfläche der Substratschicht abzuschleifen, so dass eine durchgehende Diamantschicht stehen bleibt.

Fig. 3D2 zeigt nun einen weiteren Schritt ausgehend von Fig. 3C2, wobei hier jetzt die Diamantschicht 2 mit einer weiteren Siliziumschicht 3 als Ätzmaske ü- berschichtet wird. Diese Ätzmaske 3 wird struktu- riert, so dass sie wie in Fig. 3E2 zu sehen ist, zwei Maskenelemente 3a und 3b bilden, die einen größeren Durchmesser als die Vertiefungen 5a und 5b besitzen.

Anschließend erfolgt ein Ätzschritt, dessen Verfah- rensbedingungen so gewählt werden, dass die sich senkrecht ausbildenden Oberflächen lla der Diamant- elemente 2a, 2b im wesentlichen senkrecht auf den Grenzflächen 10 zwischen den Diamantelementen 2a, 2b und der Ätzmasken 3a und 3b stehen.

Abschließend wird sowohl das Substrat 1 als Opfer- schicht als auch die Ätzmasken 3a, 3b entfernt, so dass das mikromechanische Bauteil, das in Fig. 4 ge-

zeigt ist, erhalten wird.

Fig. 5 zeigt nun verschiedene Anlagen, die zur Her- stellung der erfindungsgemäßen mikromechanischen Bau- teile verwendet werden können.

Fig. 5A zeigt eine RIE-Anlage (Reactive Ion Etching) mit rein kapazitivem Betrieb. Diese Anlage weist eine Kammer 20 auf, in der ein Substrat 26 auf einer Un- terlage 21b angeordnet ist. Dem Substrat 26 gegenüber ist eine Elektrode 21a angeordnet. Die Elektrode 21a und die Unterlage 21b sind über Leitungen 22a und 22b mit einer Spannungsquelle 23 verbunden, die eine Leistung zwischen 1 W und 3000 W erzeugt. Hierdurch wird ein Plasma 25 aus Argon-Ionen und Sauerstoff zwischen dem Substrat 26 und der Elektrode 21a er- zeugt, das das Substrat in den nicht von einer Maske bedeckten Bereichen ätzt. Dabei ergibt sich eine Self-Bias-Spannung mit negativem Potential. Der Self- Bias-Spannung kann eine zusätzliche, erzwungene Span- nung überlagert werden. Dies geschieht durch Einfügen eines Gleichstromgenerators zwischen Substratelektro- de und Erdung.

Fig. 5B zeigt eine weitere Anlage nach dem ICP-Ver- fahren (Inductive Coupled Plasma). Hier wie zuvor auch sind gleiche oder ähnliche Bauelemente mit glei- chen oder ähnlichen Bezugszeichen wie in den anderen Figuren versehen. Statt der Elektrode 21a ist nun in- nerhalb der Kammer 20 eine Elektrode 21a mit einer Spule angeordnet, über die induktiv die Leistung in das Plasma 25 eingekoppelt wird. Die Kammer 20 und die Unterlage 21b sind ebenfalls über eine Spannungs- quelle 23 miteinander verbunden.

In beiden Anlagen beträgt die Self-Bias-Spannung vor-

teilhafterweise 20 bis 1.000 V, vorzugsweise 250 bis 800 V, vorzugsweise zwischen 350 und 700 V.

Wesentliche Parameter bei der Verfahrensführung für den Ätzschritt sind der Kammerdruck und die Partial- druckverhältnisse.

Insbesondere der Kammerdruck ist für die hohe Verti- kalität des Ätzprozesses und den anisotropen Ätzan- griff von wesentlicher Bedeutung. Ziel ist dabei ein niedriger Kammerdruck bei gleichzeitig ausreichender Menge von reaktiven Spezies. Als geeignete Druckwerte für die RIE-Anlage wurden Werte < 150 mTorr, vorzugs- weise < 75 mTorr, vorzugsweise < 35 mTorr ermittelt.

Für die ICP-Anlage beträgt der Kammerdruck vorzug- weise 0,1 bis 20 mTorr.

Die genannten Bereiche des Kammerdrucks führen zu ei- ner anisotropen Ätzung, während sich bei hohem Druck zu viele Atome in der Kammer befinden, die die Argon- ionen während des Beschusses-ablenken. Bei zu hohem Kammerdruck wird daher eine isotrope Ätzung bewirkt.

Über die Partialdruckverhältnisse kann insbesondere die Ätzgeschwindigkeit und damit auch die Anisotropie der Ätzung beeinflusst werden. Vorzugsweise beträgt das Partialdruckverhältnis zwischen den Partialdrü- cken von Ar+ und 02 zwischen 0,0 und 10,0, vorzugs- weise zwischen 0,2 und 2,0, vorzugsweise zwischen 0,4 und 0,6. Auf den in Fig. 5 gezeigten Anlagen ergeben sich im oben genannten Parameterbereich Ätzgeschwin- digkeiten zwischen 100 nm/Stunde und 10 ym/Stunde.

Statt Argon und Sauerstoff als Plasma-Gase können auch andere Systeme eingesetzt werden. Insbesondere kommen statt Argon alle Edelgase der zweiten Haupt-

gruppe des Periodensystems der Elemente in Frage. An- stelle von Sauerstoff als reaktivem Gas kommen alle Gase in Frage, die mit Kohlenstoff eine flüchtige Verbindung eingehen können, insbesondere 1. chlorhaltige Gase, z. B. C1, CC12, BC13, PC13 sowie weitere chlorhaltige Gase und/oder de- ren Mischungen ; 2. fluorhaltige Gase, z. B. F, F2, CF4, CFn, C2F6, SF4, SF6, SF4 sowie weitere fluorhaltige Gase sowie deren Verbindungen und/oder Mischungen ; 3. sauerstoffhaltige Gase O2, CO, CO2sowie wei- tere sauerstoffhaltige Gase und/oder deren Mischungen ; 4. Gase, die Fluor und/oder Chlor und/oder Sau- erstoff enthalten, z. B. CClF2, CClFS, CClF3 und/oder deren Mischungen.

Während des Ätzprozesses ist es weiterhin wichtig, Redepositionen, zu denen es während des Ätzprozesses kommt, in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen zu entfernen, um glatte Oberflächen an der senkrech- ten zweiten Fläche 11 zu erzielen. Denn bei dem lau- fenden Prozess zur Diamantätzung kommt es durch den Ionen-Beschuss zu Redepositionen des Maskenmaterials und sonstiger Partikel auf der zu ätzenden Schicht.

Daher wird der Ätzprozess nach einiger Zeit, z. B. nach 20 min unterbrochen. Es folgt dann ein kurzer Ätzschritt von ca. einer Minute, z. B. Standard- Siliziumätzschritt, um Silizium-Redepositionen zu entfernen. Hierzu wird als Gas beispielsweise CF4 bei 75 mTorr Partialdruck verwendet. Zusätzlich sollte die Probe chemisch gereinigt werden und zwar nach et- wa 50 Mm Ätztiefe. Hierzu bietet sich die RCA- Reinigung, wie sie in der Siliziumbearbeitung Stan- dard ist, an.