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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung mikromechanischer
Strukturen, wobei die mikromechanischen Strukturen in wenigstens einer
ersten Siliziumschicht hergestellt werden. Dabei werden Opferbereiche
der ersten Siliziumschicht mittels Ätzen entfernt. Zu Abgrenzung
von wenigstens Teilen der ersten Siliziumschicht von den Opferbereichen
wird ein Passivierungsmaterial verwendet.
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In
der deutschen Patentanmeldung
DE 100 65 013 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung
mikromechanischer Strukturen unter Ausnutzung der Silizium-Opferschichttechnik
offenbart. Das Silizium wird hierbei mit ClF
3 geätzt. Die
Abgrenzung der zu ätzenden
Strukturen gegen die nicht zu ätzenden
Strukturen erfolgt durch eine dazwischenliegende SiO
2-Passivierungsschicht.
Ausgehend von einer ebenen Siliziumfläche wird die Passivierungsschicht
auf dazu senkrechten Strukturen mit folgender Methode hergestellt.
Zuerst werden breite Gräben
im Silizium hergestellt. Anschließend wird durch Abscheidung
einer Oxidschicht auf den Grabenseitenflächen und Grabenböden die
Grabenoberfläche
mit der Passivierungsschicht ausgekleidet. Abschließend wird
eine Siliziumschicht mit gleicher oder größerer Dicke wie die Tiefe der
Gräben
abgeschieden und schließlich eingeebnet.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung mikromechanischer
Strukturen, wobei die mikromechanischen Strukturen in wenigstens einer
ersten Silizium schicht hergestellt werden. Dabei werden Opferbereiche
der ersten Siliziumschicht mittels Ätzen entfernt. Zu Abgrenzung
von wenigstens Teilen der ersten Siliziumschicht von den Opferbereichen
wird ein Passivierungsmaterial verwendet. Der Kern der Erfindung
besteht darin, dass in die erste Siliziumschicht Gräben eingebracht
werden und diese Gräben
mit Passivierungsmaterial verfüllt
werden. Vorteilhaft können
mit diesem effizienten Verfahren in wenigen Prozessschritten Passivierungsschichten
in Silizium hergestellt werden. Insbesondere bietet das Verfahren
eine effiziente Methode zur Herstellung von senkrechten Passivierungsschichten mit
großem
Aspektverhältnis.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass auch auf
wenigstens einer Oberfläche
der ersten Siliziumschicht eine Schicht aus dem Passivierungsmaterial
erzeugt wird. Vorteilhaft können
so in einem Prozessschritt nicht nur laterale Strukturen definiert
werden, indem die Gräben
mit dem Passivierungsmaterial verfüllt werden, sondern auch horizontale
Strukturen durch Abdecken der ersten Siliziumschicht mit der Schicht
aus dem Passivierungsmaterial abgegrenzt werden.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
die Gräben
mit dem Passivierungsmaterial verfüllt werden und/oder auf wenigstens
eine Oberfläche
der ersten Siliziumschicht eine Schicht aus dem Passivierungsmaterial
erzeugt wird, indem das Passivierungsmaterial abgeschieden wird.
Vorteilhaft können
hierbei alle zugänglichen
Oberflächen
mit dem Passivierungsmaterial belegt werden.
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Vorteilhaft
ist auch, dass für
das Passivierungsmaterial ein Oxid verwendet wird. Das Ätzen von
Silizium kann gegenüber
einem Oxid mit hoher Selektivität
erfolgen.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass
das Passivierungsmaterial aus Siliziumoxid besteht und das die Gräben mit
dem Passivierungsmaterial verfüllt
werden und/oder auf wenigstens eine Oberfläche der ersten Siliziumschicht
eine Schicht aus dem Passivierungsmaterial erzeugt wird, indem die
erste Siliziumschicht thermisch oxidiert wird. Vorteilhaft ist hierbei,
dass durch die thermische Oxidation des Silizium alle Oberflächen gleichmäßig mit
einer Passivierungsschicht versehen werden. Insbesondere die schmalen
Gräben
können
auf diese Weise vorteilhaft mit hoher Konformität mit Siliziumoxid als Passivierungsmaterial
verfüllt
werden.
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Eine
weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das Passivierungsmaterial
auf der Oberfläche
wenigstens in einem Oberflächenbereich entfernt
wird. Vorteilhaft werden hierbei durch Strukturierung der Passivierungsschicht
horizontale Strukturen im Silizium definiert.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass in der ersten Siliziumschicht eine vergrabene Passivierungsschicht
erzeugt wird. Mit Hilfe einer vergrabenen Passivierungsschicht lassen
sich vorteilhaft im Silizium Strukturen horizontal abgrenzen.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass an der ersten Siliziumschicht und/oder der Passivierungsschicht
wenigstens eine zweite Siliziumschicht angeordnet wird oder auch
weitere Siliziumschichten angeordnet werden und das Verfahren auf
diese zweite Siliziumschicht oder auch weitere Siliziumschichten
angewendet wird. Vorteilhaft können
auf diese Weise Passivierungsschichten horizontal und vertikal auch
im mehreren Ebenen angeordnet werden. Hierdurch ist die Begrenzung
auch komplizierter mikromechanischer Formen möglich.
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Vorteilhaft
ist auch, dass bewegliche mikromechanische Strukturen mittels des
Verfahrens hergestellt werden können.
Vorteilhaft können
dabei durch geschickte Anordnung mehrere Siliziumschichten übereinander
und entsprechende Anordnungen von Passivierungsschichten sowohl
lateral als auch horizontal bewegliche mikromechanische Strukturen
hergestellt werden. Insbesondere ist auch die Herstellung frei beweglicher
Strukturen möglich.
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Vorteilhaft
ist weiterhin, dass in einem gemeinsamen Prozessschritt die Opferbereiche
von wenigstens zwei Siliziumschichten mittels Ätzen entfernt werden. Vorteilhaft
kann hierdurch der Prozessschritt des Ätzens für mehrere Siliziumschichten
zusammengelegt werden und hierdurch Prozessschritte eingespart werden.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass
mikromechanische Strukturen hergestellt werden, die durch eine Siliziumdeckschicht
abgedeckt sind. Durch Anwendung des Verfahrens in mehreren Siliziumschichten übereinander
können
nicht nur mikromechanische Strukturen erzeugt, sondern auch diese
Strukturen abgedeckt werden. Somit entfällt ein separater Verkappungsprozess,
wie er bei vielen mikromechanischen Bauelementen üblich und
notwendig ist.
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Zusammengefasst
bietet das erfindungsgemäße Verfahren
folgende technologische Vorteile. In der besonders vorteilhaften
Ausgestaltung, welche vorsieht die Passivierungsschichten durch
thermische Oxidation des Silizium zu erzeugen, ist keine konforme
Oxidabscheidung an Ätzflanken
erforderlich. Die Schwierigkeit, in tiefen Gräben bspw. durch einen Oxid-RIE-Prozess
Fenster zu öffnen,
entfällt. Das
Verfahren ist voll modular und kann prinzipiell beliebig wiederholt
werden. Dadurch sind Mehrfachlagen von beweglichen Strukturen möglich. Das
Freilegen der beweglichen Strukturen geschieht durch einen Opferschicht-Ätzprozess
erst ganz am Schluss. Davor sind keine filigranen Strukturen vorhanden,
die etwa wie in der Mikromechanik bekannt, beschädigt oder zerstört werden
könnten.
Daher kann vor dem Ätzen
jederzeit bspw. mit Schritten der Nassreinigung gearbeitet werden.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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1 zeigt die Herstellung von Passivierungsschichten
im Stand der Technik.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Herstellung
von Passivierungsschichten zur Begrenzung mikromechanischer Strukturen.
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3 zeigt die erfindungemäßer Herstellung beweglicher
mikromechanischer Strukturen.
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4 zeigt die erfindungsgemäße Herstellung
mikromechanischer Strukturen mit Deckschicht.
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Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
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Anhand
der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindung
detailliert dargestellt werden.
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1 zeigt in den 1a bis 1e die Herstellung
von Passivierungsschichten im Stand der Technik. Zuerst wird eine
erste Siliziumschicht 100 bereitgestellt wie in 1a gezeigt.
Anschließend
wird gemäß 1b in
die erste Siliziumschicht 100 von der Oberfläche her
durch Ätzen
eine Ausnehmung 110 eingebracht. 1c zeigt,
wie anschließend
die Oberfläche
der Siliziumschicht 100 und der Ausnehmung 110 mit
einer Passivierungsschicht 120 beschichtet wird. Insbesondere
werden die senkrechten Wände
und der Boden der Ausnehmung 110 mit der Passivierungsschicht
belegt. Die Passivierungsschicht 120 besteht gewöhnlich aus
Siliziumoxid. 1d zeigt, wie in einem folgenden
Prozessschritt eine Öffnung 130 in
der Passivierungsschicht 120 erzeugt wird. Die Passivierungsschicht 120 wird
dazu bspw. durch Ätzen
des Oxids vom Boden der Ausnehmung 110 entfernt. Danach
wird gemäß 1e die
Ausnehmung 110 mit einer Siliziumfüllung 140 versehen,
und die Oberfläche
gegebenenfalls planarisiert, sodass der Rand der Füllung 140 und
die Siliziumschicht 100 mit daraufliegender Passivierungsschicht 120 eine
gemeinsame ebene Oberfläche
bilden.
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2 zeigt in den 2a bis 2d die erfindungsgemäße Herstellung
von Passivierungsschichten zur Begrenzung mikromechanischer Strukturen. 2a zeigt
die Bereitstellung einer ersten Siliziumschicht 200 mit
einer Oberfläche 220.
Gemäß 2b werden
in die erste Siliziumschicht 200 von der Oberfläche 220 her
Gräben 210 eingebracht.
Diese Gräben 210 können bspw.
durch anisotope Ätzprozesse
wie das reaktive Ionenätzen
(engl.: RIE – reactive
ion etch) hergestellt werden. Mit einem derartigen anisotropen Ätzverfahren
ist die Herstellung von Gräben 210 mit
hohem Aspektverhältnis,
d.h. mit großer
Tiefe bei gleichzeitig geringer Breite möglich. In einem anschließenden Prozessschritt
wird gemäß 2c eine
Passivierungsschicht 230 hergestellt. Die Passivierungsschicht 230 bedeckt
die Oberfläche 220 der
ersten Siliziumschicht 200 und füllt die Gräben 210 aus. Die Passivierungsschicht 230 kann auf
verschiedene Art und Weise hergestellt werden. Eine erste Möglichkeit
ist die Abscheidung von Passivierungsmaterial auf der Oberfläche 220 und
in den Gräben 210,
wobei die Oberfläche 220 komplett
belegt und die Gräben 210 verfüllt werden.
Eine zweite Möglichkeit
zur Erzeugung der Passivierungsschicht 230 besteht in der
thermischen Oxidation der ersten Siliziumschicht 200. Dabei
werden die Oberfläche 220 und
die Gräben 210 oxidiert,
wodurch Siliziumoxid als Passivierungsmaterial entsteht. Das Siliziumoxid
belegt als Passivierungsschicht 230 die Oberfläche 220 und
füllt die
Gräben 210 aus.
Mit der Methode der thermischen Oxidation ist eine in hohem Grad konforme
Füllung
auch schmaler Gräben 210 mit Passivierungsmaterial
möglich.
Mit diesem Prozessschritt ist die erfindungsgemäße Herstellung von Passivierungsschichten
im Wesentlichen vollendet. Bei Bedarf kann nun in einem weiteren
Prozessschritt gemäß 2d eine Öffnung 240 in
der Passivierungsschicht 230 erzeugt werden. Die Öffnung 240 wird
bspw. mittels Ätzen
der Passivierungsschicht 230 erzeugt. Im Ergebnis erhält man eine
strukturierte Passivierungsschicht 230, die in einem nachfolgenden
Siliziumätzprozess
Teile der ersten Siliziumschicht 280 von Opferbereichen 260 abgrenzt.
Nach dem Entfernen der Opferbereiche 260 durch den Siliziumätzprozess
bleiben mikromechanische Strukturen zurück, die aus Teilen der ersten
Siliziumschicht 280 und der Passivierungsschicht 230 bestehen.
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3 zeigt in den 3a bis 3f die erfindungsgemäße Herstellung
beweglicher mikromechanischer Strukturen. 3a zeigt
das Bereitstellen einer ersten Siliziumschicht 200 mit
einer Oberfläche 220.
In der ersten Siliziumschicht 200 wird eine vergrabene
Passivierungsschicht 250 erzeugt, die aus dem gleichen
Material bzw. aus derselben Auswahl an Materialien besteht wie die
Schicht 230. Wie in 3b gezeigt,
werden anschließend von
der Oberfläche 220 her
Gräben 210 in
die erste Siliziumschicht 200 eingebracht. Die Gräben 210 reichen
bis zur vergrabenen Passivierungsschicht 250. Im nächsten Prozessschritt
wird gemäß 3c die Passivierungsschicht 230 erzeugt.
Die Passivierungsschicht 230 bedeckt die Oberfläche 220 der ersten
Siliziumschicht 200 und verfüllt die Gräben 210. Die Passivierungsschicht 230 kann
durch Abscheidung, insbesondere durch Abscheidung eines Oxids gebildet
werden. Alternativ kann die Passivierungsschicht 230 auch
durch thermische Oxidation der ersten Siliziumschicht 200 gebildet
werden. Damit kann eine konforme und vollständige Verfüllung der Gräben 210 mit
Siliziumoxid erzielt werden. 3d zeigt
einen folgenden Prozessschritt, in dem die Passivierungsschicht 230 an
der Oberfläche 220 der
ersten Siliziumschicht 200 strukturiert wird. Dazu wird
die Passivierungsschicht 230 bspw. mittels eines Ätzprozesses
wenigstens teilweise entfernt, wodurch Öffnungen 240 in der
Passivierungsschicht geschaffen werden, die zur Oberfläche 220 reichen. 3e zeigt
einen weiteren Prozessschritt, in dem eine zweite Siliziumschicht 300 an
der Oberfläche 220 der
ersten Siliziumschicht 200 bzw. an der Passivierungsschicht 230 auf
dieser Oberfläche
angeordnet wird. Wie bereits vorstehend für die erste Siliziumschicht 200 beschrieben,
werden nunmehr in die zweite Siliziumschicht 300 Gräben 310 eingebracht und
eine Passivierungsschicht 330 erzeugt und strukturiert.
Die Passivierungsschichten 230 und 330 grenzen
Teile der ersten Siliziumschicht 280 und Teile der zweiten
Siliziumschicht 380 von Opferbereichen 260 und 360 ab.
Die Opferbereiche 260 und 360 hängen miteinander
zusammen. Der Opferbereich 260 ist nach unten durch die
vergrabene Passivierungsschicht 250 gegenüber der
restlichen ersten Siliziumschicht 201 abgegrenzt. In einem
anschließenden
Prozessschritt werden gemäß 3f die Opferbereiche 260 und 360 durch Ätzen entfernt. Das
Siliziumätzverfahren
erfolgt selektiv gegenüber dem
Passivierungsmaterial, welches die Passivierungsschichten 230 und 330 bildet.
Im Ergebnis bleiben über
der restlichen ersten Siliziumschicht 201 mikromechanische
Strukturen zurück,
die im Wesentlichen aus den Teilen der ersten Siliziumschicht 280 und
den Teilen der zweiten Siliziumschicht 380 sowie den daran
angeordneten Passivierungsschichten 230 und 330 bestehen.
Insbesondere wird mit den Teilen 380 und den daran angeordneten
Passivierungsschichten 330 und 230 eine bewegliche
mikromechanische Struktur 320 geschaffen. Die bewegliche
mikromechanische Struktur 320 weist zur restlichen ersten
Siliziumschicht 201 einen Abstand auf, der durch die Dicke
des entfernten Opferbereiches 260 bestimmt ist. Hierdurch
kann die Struktur 320 nicht nur in Substratebene (y, z),
sondern auch in Richtung x senkrecht zur Substratebene beweglich ausgestaltet
werden.
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4 zeigt in den 4a bis 4d die erfindungsgemäße Herstellung
mikromechanischer Strukturen mit Deckschicht. Die Herstellung von Strukturen
mit Deckschicht erfolgt im Prinzip durch vierfache Ausführung des
in der 2 beschriebenen Prozesses. 4a zeigt
als Ausgangspunkt eine Anordnung von einer ersten und einer zweiten
Siliziumschicht 200 und 300 mit Gräben 210 und 310 sowie
horizontalen und vertikalen Passivierungsschichten 230, 250 und 330, ähnlich wie
in 3e. Zusätzlich
sind zu beiden Seiten der künftigen
mikromechanischen Struktur 320 zwei Gräben 310 angeordnet, die
mit Passivierungsmaterial 330 gefüllt sind und die Opferbereiche 360 von
zwei zu beiden Seiten angeordneten Teilen der zweiten Siliziumschicht 380 abgrenzen.
Wie in 4b dargestellt, wird auf der
zweiten Siliziumschicht 300 eine dritte Siliziumschicht 400 angeordnet.
Die dritte Siliziumschicht 400 wird mit zwei Gräben 410 versehen,
die genau über
den eben beschriebenen seitlichen Gräben 310 angeordnet sind.
In den Gräben 410 und
auf der Oberfläche 420 der
dritten Siliziumschicht 400 wird wie bereits beschrieben
eine Passivierungsschicht 430 erzeugt. Die Passivierungsschicht 430 wird
anschließend durch Ätzen derart
strukturiert, dass eine Zugangsöffnung 440 zu
einem zwischen den Gräben 410 gelegenen
Opferbereich 460 gebildet wird. Die Passivierungsschicht 430 kann
auch über
den Teilen der zweiten Siliziumschicht 480 entfernt werden.
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Anschließend wird,
wie in 4c gezeigt, auf der dritten
Siliziumschicht 400 bzw. auf der Passivierungsschicht 430 eine
vierte Siliziumschicht 500 angeordnet. In die vierte Siliziumschicht 500 werden auf
bekannte Art und Weise Gräben 510 eingebracht, die
bis zum Rand der Zugangsöffnung 440 reichen. In
den Gräben 510 und
auf der Oberfläche 520 der vierten
Siliziumschicht 500 wird wiederum eine Passivierungsschicht 530 erzeugt.
Anschließend
wird in die Passivierungsschicht 530 durch Ätzen eine
Zugangsöffnung 540 zur
Oberfläche 520 derart
eingebracht, dass eine Opferbereich 560 der zwischen den beiden
Gräben 510 gelegen
ist, zugänglich
wird. 4d zeigt den letzten Verfahrensschritt,
in dem durch ein Siliziumätzverfahren
die aneinander angrenzenden Opferbereiche 560, 460, 360 und 260 im Wesentlichen
entfernt werden. Hierdurch wird das bewegliche mikromechanische
Funktionsteil 320 freigelegt. Die Anordnung des Funktionsteils 320 in
der zweiten Siliziumschicht 300 und die Entfernung von Opferbereichen 260 und 460 in
der ersten Siliziumschicht 200 und in der dritten Siliziumschicht 400 darunter
und darüber
erlaubt es ein Funktionsteil herzustellen, dass nicht nur in der
Hauptebene der Schichten (y, z) sondern auch in der dazu senkrechten
Richtung x beweglich ausgestaltet sein kann. Die Teile der vierten
Siliziumschicht 580 bilden eine Deckschicht oder auch Kappe über der
mikromechanischen Struktur 320. Die Deckschicht ruht auf
Stützbereichen,
die durch die Teile der zweiten und der dritten Siliziumschicht 380 und 480 gebildet
werden. Die durch den Opferbereich 560 gebildete Zugangsöffnung in
der Deckschicht kann bei Bedarf durch einen nachfolgenden Beschichtungsprozess
verschlossen werden.
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Wesentlich
für das
beschriebene Verfahren sind ausgehend von einer ebenen Siliziumfläche drei immer
wiederkehrende Prozessschritte:
- – Herstellung
von Gräben
mit hohem Aspektverhältnis,
die eine vertikale Abgrenzung der Strukturen bilden
- – Komplettes
Verfüllen
der Gräben
mit Passivierungsmaterial und Erzeugen von Passivierungsmaterial
auf der Siliziumoberfläche
- – Bei
Bedarf Öffnen
der Passivierungsschicht an der Oberfläche bspw. durch einen Fotoprozess mit
nachfolgendem Ätzprozess
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Das
Verfahren kann problemlos mehrfach wiederholt werden, wenn zwischen
jedem Prozessblock die Erzeugung einer neuen ebenen Siliziumschicht
erfolgt. Durch die Staffelung des Verfahrens lassen sich so hinterschnittene
Bereiche erzeugen, die voneinander durch Oxid oder eine andere Passivierungsschicht
getrennt sind. Weiterhin kann innerhalb der Bereich eine durchgehende
Verbindung in Silizium geschaffen werden. Dies ermöglich einerseits
eine elektrische Kontaktierung über
verschiedene Siliziumschichten hinweg, andererseits das gemeinsame Ätzen der
Siliziumopferschichtbereiche. Mit dem Verfahren lassen sich derart
in alle Raumrichtungen frei bewegliche mechanische Strukturen schaffen.
Weiterhin bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit
einer integrierten Dünnschichtverkappung
der mikromechanischen Strukturen auf Siliziumbasis. Durch vierfache
Wiederholung der oben beschriebenen Basisschritte kann sowohl eine
frei bewegliche auch nach oben durch eine Siliziummembran geschützte Struktur
erzeugt werden.