DE102006004287A1

DE102006004287A1 - Mikromechanisches Bauelement und entsprechendes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102006004287A1
Application number: DE102006004287A
Authority: DE
Inventors: Heribert Weber; Christoph Schelling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2007-08-02
Also published as: FR2896789A1; ITMI20070119A1; US20070222006A1; JP2007208986A

Abstract

Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauelement mit: einem Substrat (1); einer auf oder in dem Substrat (1) angeordneten ersten starren Elektrodenanordnung (3b1, 3b2, 3b3, 3b4); einer am Substrat (1) aufgehängten zweiten Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4'); einem zwischen der ersten Elektrodenanordnung (3b1, 3b2, 3b3, 3b4) und der zweiten Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') vorgesehenen Zwischenraum (15); wobei die zweite Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') derart elastisch auslenkbar gegenüber der ersten Elektrodenanordnung (3b1, 3b2, 3b3, 3b4) am Aufhängepfosten (10) angebracht ist, dass die Kapazität eines durch die erste Elektrodenanordnung (3b1, 3b2, 3b3, 3b4), die zweite Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') und den Zwischenraum (15) gebildeten Kondensators veränderbar ist. Die Erfindung schafft ebenfalls ein entsprechendes Herstellungsverfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Obwohl prinzipiell auf beliebige mikromechanische Bauelemente bzw. deren Herstellungsverfahren anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von Mikrofonbauelementen erläutert.

Heutzutage sind Elektretmikrofone (ECM – electret condenser microfone) auf Graphitbasis weit verbreitet. Sie werden milliardenfach hergestellt und beispielsweise in Schnurlostelefone eingebaut. Derartige ECM-Mikrofone sind jedoch stark temperaturempfindlich und mit modernen Aufbau- und Verbindungstechniken, wie z.B. SMD-Löten (SMD = Surface Mounted Device), nicht kompatibel. Sie erfordern zusätzliche kostenintensive Montageschritte. Es gibt daher intensive Bemühungen, Mikrofone in Mikromechanik aus Silizium herzustellen. Die derartige Implementierung eines Mikrofons auf Halbleiterbasis bietet zusätzlich die Option einer integrierten Signalverarbeitung auf demselben Chip.

Aufgrund der Vorteile bezüglich Leistungsaufnahme konzentrieren sich die meisten Ansätze auf mikromechanische Siliziummikrofone mit kapazitivem Wandlerprinzip. Von den bekannten Ansätzen bauen praktisch alle auf zwei übereinander liegende Membranen oberhalb einer Substratöffnung (siehe z.B. WO 03/098969, WO 03/068668, WO 03/055271). Beide Membranen sind bei dieser Bauart an ihrer Peripherie aufgehängt. Die eine der Membranen ist steif und perforiert, und die andere ist flexibel und hat keine oder möglichst wenige Perforationslöcher.

Die EP 1 012 547 B1 offenbart ein miniaturisiertes Halbleiter-Kondensatormikrofon basierend auf einem flächigem Biegebalken, der über einer Substratöffnung angeordnet ist.

Die EP 1 443 017 A1 beschreibt den Ansatz eines differenziell kapazitiven Mikrofons ohne Substratöffnung unter den Membranen und eines Mikrofons aus einer speziellen Biegebalkenanordnung. Die Membranen bzw. Biegebalken bestehen wenigstens aus je einer Metalllage.

Aus der älteren deutschen Anmeldung DE 10 2004 050 764 ist ein mikromechanisches Bauelement bekannt mit einem Substrat, einem im Substrat vorgesehenen Hohlraum und einer an der Oberfläche des Substrats vorgesehenen Membran, welche sich oberhalb des Hohlraums befindet. Die Membran weist eine Höhenmodulation über dem Hohlraum in Bezug auf die Oberseite des umgebenden Substrats auf.

Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. das Herstellungsverfahren nach Anspruch 15 weisen den Vorteil auf, dass kurzfristige Druckschwankungen, insbesondere Schallwellen, mit hoher Genauigkeit zu erfassen sind und die Montage einfach und sicher realisierbar ist.

Ein zentraler Aufhängepfosten oder ein Rahmen dient der Fixierung des Biegebalkens bzw. der Biegebalkensegmente der oberen Elektrodenanordnung vorzugsweise über ein oder mehrere Biegefederelemente. Die Federelemente zwischen Biegebalken und Aufhängepfosten bzw. Rahmen sorgen für hohe Flexibilität bei vertikalen Bewegungen des Biegebalkens. Strukturierungslöcher dienen vorzugsweise gleichzeitig der fluidischen Entdämpfung des Systems. Zwischen Oberseite und Unterseite des Biegebalkens baut sich der für die Messung notwendige Staudruck auf.

Die Außenform, die Segmentierung, die Perforation und die Schichtdicke des Biegebalkens bzw. der Biegebalkensegmente bestimmen die wesentlichen Eigenschaften des mikromechanischen Bauelements, wie insbesondere Empfindlichkeit, Frequenzgang, Richtungsempfindlichkeit, usw. Der Biegebalken bzw. die Biegebalkensegmente können planar gestaltet sein. Nicht-planare Strukturen, z.B. eine Mäanderstruktur, böten prinzipiell die Möglichkeit, die Federsteifigkeit zu reduzieren. Zur Verhinderung von Verbiegungen durch Schichtspannungen bzw. Schichtspannungsgradienten können spezielle Maßnahmen, wie z.B. eine Korrugation, vorgesehen werden. Die Dicke der isolierenden Opferschicht und damit der Abstand zwischen oberer und unterer Elektrodenanordnung bestimmt die Messkapazität. Der Abstand sollte möglichst gering und die Kapazität möglichst groß gewählt werden. Durch die Dicke einer optionellen weiteren Isolationsschicht, insbesondere Oxidschicht, unter der starren unteren Elektrodenanordnung lässt sich die parasitäre Kapazität des Systems einstellen, wel che möglichst große gewählt werden sollte. Alternativ können die Gegenelektroden der unteren starren Elektrodenanordnung wenigstens teilweise unterätzt werden.

Zwischen den Gegenelektroden der unteren Elektrodenanordnung und dem Biegebalken der oberen Elektrodenanordnung kann eine elektrische Spannung angelegt werden, wodurch ihr Abstand zueinander vermindert und dementsprechend die Empfindlichkeit erhöht wird.

In dem äußeren Rand der Biegebalkensegmente und dem inneren Rand einer optionellen starr angebrachten peripheren dritten Elektrodenanordnung kann eine Kammstruktur angebracht werden. Dies ermöglicht eine differenziell kapazitive Messung der Biegebalkenauslenkung in nur zwei Ebenen. Zusätzlich kann über eine derartige dritte Elektrodenanordnung eine elektrische Spannung angelegt werden, womit wesentliche Mikrofoneigenschaften beeinflusst werden können (Glattziehen Biegebalken, Einstellung Empfindlichkeit, usw.).

Besondere Vorteile liegen weiterhin in der Richtungserkennung durch eine mögliche azimuthale Segmentierung der Elektrodenanordnungen, einer hohen Empfindlichkeit des Biegebalkens durch Aufhängung über Federelemente an wenigen Punkten, einem Verzicht auf durch das Substrat gehende Öffnungen, was für eine kostengünstige Herstellung und eine vereinfachte Montage wesentlich ist.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die erste Elektrodenanordnung eine Mehrzahl elektrisch entkoppelter kreisringsegmentförmiger Elektroden auf, die symmetrisch um den Aufhängepfosten angeordnet sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die zweite Elektrodenanordnung eine Mehrzahl elektrisch gekoppelter kreisringsegmentförmiger Elektroden auf, die symmetrisch und im wesentlichen deckungsgleich zu den entsprechenden kreisringsegmentförmigen Elektroden der ersten Elektrodenanordnung um den Aushängepfosten aufgehängt sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die erste Elektrodenanordnung und die zweite Elektrodenanordnung aus einer jeweiligen ersten und zweiten leitfähigen Schicht strukturiert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Abdeckplatte oberhalb der zweiten Elektrodenanordnung vorgesehen, die einen Fluidmedienzugang in den Zwischenraum festlegt. Damit lassen sich Dichtewellen effektiv in den Zwischenraum leiten.

ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1a, b schematische waagrechte Querschnittsansichten eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a einen ebenen Querschnitt durch den unteren Elektrodenbereich und 1b durch den oberen Elektrodenbereich;
2a, b, c schematische senkrechte Querschnittsansichten des mikromechanischen Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 2a entlang der Linien A-A' bzw. B-B' in 1a, b, 2b. entlang der Linien C-C' bzw. C1-C1' in 1a, b und 2c entlang der Linien A1-A1' bzw. B1-B1' in 1a, b;
3a-e aufeinanderfolgende Prozessschritte eines Herstellungsverfahrens zur Herstellung des mikromechanischen Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischen senkrechten Querschnittsansichten entlang der Linien A-A' bzw. B-B' und entlang der Linien C-C' bzw. C1-C1' in 1a, b;
4 eine schematische obere Draufsicht auf ein mikromechanisches Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische senkrechte Querschnittsansicht des mikromechanischen Bauelements gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar entlang der Linie D-D' in 4;
6a-d aufeinanderfolgende Prozessschritte eines Herstellungsverfahrens zur Herstellung des mikromechanischen Bauelements gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegen den Erfindung in schematischen senkrechten Querschnittsansichten entlang der Linien D-D' in 4;
7 eine ausschnittsweise schematische obere Draufsicht auf ein mikromechanisches Bauelement gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 eine ausschnittsweise schematische obere Draufsicht auf ein mikromechanisches Bauelements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 eine schematische obere Draufsicht auf ein mikromechanisches Bauelements gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 eine schematische senkrechte Querschnittsansicht des mikromechanischen Bauelements gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar entlang der Linie B2-B2' in 12;
11 eine schematische senkrechte Querschnittsansicht des mikromechanischen Bauelements gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar entlang der Linie B3-B3' in 12; und
12 eine schematische waagrechte Querschnittsansicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch den beweglichen Elektrodenbereich.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
1a, b sind schematische waagrechte Querschnittsansichten eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a einen ebene Querschnitt durch den unteren Elektrodenbereich und 1b durch den oberen Elektodenbereich, und 2a, b, c sind entsprechende schematische senkrechte Querschnittsansichten des mikromechanischen Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 2a entlang der Linien A-A' bzw. B-B' in 1a, b, 2b. entlang der Linien C-C' bzw. C1-C1' in 1a, b und 2c entlang der Linien A1-A1' bzw. B1-B1' in 1a, b.
Die ebene Querschnittsansicht von 1a zeigt eine erste untere Elektrodenanordnung mit vier kreissegmentförmigen starren unteren Elektroden 3b1, 3b2, 3b3, 3b4 mit jeweiligen Zuleitungsabschnitten 3d1, 3d2, 3d3, 3d4. Weiterhin dargestellt in 1a ist der unterste Abschnitt eines zentralen Aufhängepfostens 10 mit einem entsprechenden Zuleitungsabschnitt 3c1, der einen rechteckigen Mittelbereich aufweist, welcher einerseits in einem unteren runden Abschnitt eines Kontaktstöpsels 20 und andererseits in einem unteren runden Abschnitt des zentralen Aufhängepfostens 10 endet.
Ferner bezeichnen Bezugszeichen 3a1, 3a2, 3a3, 3a4, 3a5 Rahmensegmente, welche die Elektroden 3b1, 3b2, 3b3, 3b4 der unteren Elektrodenanordnung umgeben und nur im Bereich der Zuleitungsabschnitte 3d1, 3d2, 3d3, 3d4 unterbrochen sind. Alle in 1a dargestellten Elemente sind in einer Ebene aus einer einzigen leitfähigen Schicht 3 (vgl. 3a), z.B. Polysilizium, hergestellt.
1b zeigt eine ebene Querschnittsansicht einer zweiten oberen Elektrodenanordnung. Die obere Elektrodenanordnung weist vier kreissegmentförmige auslenkbare Elektroden 5b1, 5b2, 5b3, 5b4 in Form von Biegebalken auf, die über einem Kreisringabschnitt 5b0 verbunden sind. Der Kreisringabschnitt 5b0 ist über Biegefedern 5a1, 5a2, 5a3, 5a4 mit dem Aufhängepfosten 10 in dessen oberem Abschnitt verbunden. Der Aufhängepfosten 10 ist gebildet durch einen leitfähigen Stöpsel 5c, der auf dem unteren runden Abschnitt des Zuleitungsabschnitts 3c1 des zentralen Aufhängepfostens 10 aufsitzt. Die vier kreissegmentförmigen auslenkbaren Elektroden 5b1, 5b2, 5b3, 5b4 liegen im nichtausgelenkten Zustand im wesentlichen deckungsgleich oberhalb der Elektroden 3b1, 3b2, 3b3, 3b4 der unteren Elektrodenanordnung, getrennt durch einen Zwischenraum 15 (vgl. 2a, b).
Wie 1b ebenfalls entnehmbar, ist der Kontaktstöpsel 20 gebildet durch den leitfähigen Stöpsel 5d, der auf dem unteren runden Abschnitt des Zuleitungsabschnitts 3c1 des zentralen Aufhängepfostens 10 aufsitzt.
Eine dritte periphere starre Elektrodenanordnung in Form eines Kreisrings 5a ist oberhalb der Rahmensegmente 3a1, 3a2, 3a3, 3a4, 3a5 getrennt davon durch einen ringförmigen Isolationsschichtbereich 4a (vgl. 2a, b) vorgesehen.
Die Elemente 5a, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4, 5c und 5d sind ebenfalls aus einer einzigen leitfähigen Schicht, z.B. Polysilizium, strukturiert (vgl. 3D).
Wie aus der senkrechten Schnittansicht gemäß 2a kennbar, befindet sich zwischen den vier kreissegmentförmigen auslenkbaren Elektroden 5b1, 5b2, 5b3, 5b4 und den vier starren kreissegmentförmigen Elektroden 3b1, 3b2, 3b3, 3b4 der Zwischenraum 15, der mit einem Fluid beispielsweise Umgebungsluft, gefüllt ist. Zwischen der dritten kreisringförmigen Elektrodenanordnung 5a und den Rahmensegmenten 3a1, 3a2, 3a3, 3a4, 3a5 ist der ringförmige Isolationsbereich 4a, beispielsweise aus Siliziumoxid, erkennbar. Weiterhin entnehmbar aus 2a ist eine durchgehende Isolationsschicht 2 oberhalb des Substrats 1 und unterhalb der unteren Elektrodenanordnung, welche vorliegend ebenfalls aus Siliziumoxid besteht.
Der senkrechte Querschnitt gemäß 2b zeigt die Aufhängung des kreisringförmigen Elektrodenabschnitt 5b0 an dem zentralen Aufhängepfosten 10 über die dünnen Biegefedern 5a2, 5a4. Die derartige Aufhängung ermöglicht, dass die Elektroden 5b1, 5b2, 5b3, 5b4 der oberen Elektrodenanordnung beim Auftreffen von Schallwellen SW leicht auslenkbar sind.
Eine elektrische Kontaktierung der vier kreissegmentförmigen auslenkbaren Elektroden 5b1, 5b2, 5b3, 5b4 ist realisiert durch den Kontaktstöpsel 20 über den Zuleitungsabschnitt 3c1, den zentralen Aufhängepfostens 10, die Biegefedern 5a1, 5a2, 5a3, 5a4 und den kreisringförmigen Elektrodenabschnitt 5b0.
Durch die azimuthale elektrische Untergliederung der Elektroden 3b1, 3b2, 3b3, 3b4 der unteren Elektrodenanordnung ist eine richtungssensitive Erfassung von auftreffenden Schallwellen SW möglich. Die Doppelpfeile in 2a, 2b zeigen die Auslenkrichtungen der oberen Elektrodenanordnung an.
3a-e sind aufeinanderfolgende Prozessschritte eines Herstellungsverfahrens zur Herstellung des mikromechanischen Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischen senkrechten Querschnittsansichten entlang der Linien A-A' bzw. B-B' und entlang der Linien C-C' bzw. C1-C1' in 1a, b.
Der jeweils linke und rechte Bereich der 3a-e entsprechen den Darstellungen von 2a (linker Bereich) und 2b (rechter Bereich). Da aufgrund der Darstellung von 2c klar ersichtlich ist, wurde in 3a-e nicht zusätzlich die Herstellung im Schnitt gemäß 2c erläutert.
Mit Bezug auf 3a wird auf das Substrat 1 aus Silizium zunächst eine Isolationsschicht 2 aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid oder Kombinationen von beiden aufgebracht. Darüber abgeschieden wird eine erste leitfähige Schicht 3 aus Polysilizium.
Wie in 3b dargestellt, erfolgt dann eine Strukturierung der ersten leitfähigen Schicht 3 aus Polysilizium in die Elektroden 3b1, 3b2, 3b3, 3b4 mit den Zuleitungsabschnitten 3d1, 3d2, 3d3, 3d4, die Rahmenelemente 3a1, 3a2, 3a3, 3a4, 3a5 und dem Zuleitungsabschnitt 3e1 für den zentralen Aufhängepfosten 10. Diese Strukturierung erfolgt mittels bekannter photolithographischer Methoden und wird daher hier nicht weiter erläutert. Die Strukturierung ergibt den Zustand gemäss 1.
Weiter mit Bezug auf 3c wird dann eine zweite Isolationsschicht 4 auf Siliziumoxid über der strukturierten leitfähigen Schicht 3 aus Polysilizium und der ersten Isolationsschicht 2 abgeschieden. Anschließend werden photolithographisch der über den runden Bereichen (vgl. 1) des Zuleitungsabschnitts 3c1 liegende Bereiche der Isolationsschicht 4 entfernt, wo hernach der zentrale Aufhängepfosten 10 bzw. der Kontaktstöpsel 20 vorzusehen sind.
Wie in 3d dargestellt, wird dann eine zweite leitfähige Schicht 5 aus Polysilizium über der Struktur abgeschieden. Anschließend erfolgt zunächst ein Rückpolieren der zweiten leitfähigen Schicht 5, wobei die Oberseite der zweiten Isolationsschicht 4 aus Siliziumoxid als Polierstopp dient.
Durch dieses Rückpolieren werden die stöpselartigen Anschlussabschnitte 5c, 5d des zentralen Aufhängepfostens 10 bzw. des Kontaktstöpsels 20 innerhalb der Isolationsschicht 4 vervollständigt. Anschließend wird auf der Oberseite der Struktur erneut die zweite leitfähige Schicht 5 abgeschieden, was zu Zustand gemäß 3d führt. Ggfs. kann sogar auf das Rückpolieren verzichtet werden, dann entfällt die erneute Schichtabscheidung.
Weiter mit Bezug auf 3d erfolgt dann eine photolithographische Strukturierung der zweiten leitfähigen Schicht 5 zur Ausbildung der Elektroden 5b1, 5b2, 5b3, 5b4, des kreisringförmigen Elektrodenabschnitts 5b0 sowie der Biegefedern 5a1, 5a2, 5a3, 5a4 und des obersten Abschnitts des zentralen Aufhängepfostens 10 bzw. des Kontaktstöpsels 20 sowie der kreisförmigen dritten Elektrodenanordnung 5a, wie in 1b dargestellt.
Hierzu sei zusätzlich erwähnt, dass die Dicke der Biegefedern 5a1, 5a2, 5a3, 5a4 geringer ist als die Dicke der Elektroden 5b1, 5b2, 5b3, 5b4 und des kreisringförmigen Elektrodenabschnitts 5b0, was sich insbesondere durch die geometrischen Perforationen und die elektrische Potentiale zum Opfer schichtätzen beeinflussen lässt. Wenn man die Biegefedern in Mäanderform ausführt, kann die Dicke der Biegefedern auch die der Elektroden sein.
Anschließend wird die Isolationsschicht 4 zur Bildung des Zwischenraums 15 durch einen Ätzprozess teilweise entfernt. Zur genauen Festlegung, wo die Isolationsschicht 4 entfernt werden soll, dient eine (hier nicht dargestellte) Perforierung der oberen Elektrodenanordnung. Somit lassen sich insbesondere vertikale Kanten des Isolationsbereichs 4a oberhalb der Rahmensegmente 3a1, 3a2, 3a3, 3a4, 3a5 erzielen.
Der Prozesszustand gemäß 3e entspricht schließlich dem in 2a, b dargestellten Zustand.
4 ist eine schematische obere Draufsicht auf ein mikromechanisches Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 5 eine schematische senkrechte Querschnittsansicht des mikromechanischen Bauelements gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar entlang der Linie D-D' in 4.
Bei der zweiten Ausführungsform gemäß 4 und 5 ist oberhalb der oberen Elektrodenanordnung oberhalb der Rahmensegmente bzw. der dritten Elektrodenanordnung 5a noch eine Abdeckplatte 30 mit Durchgangslöchern 35 für Dichtewellen, insbesondere Schallwellen, vorgesehen. Die Abdeckplatte 30 besteht aus einer nicht leitfähigen Schicht (vgl. 6d), aus der die Durchgangslöcher 35 sowie ein zentrales Durchgangsloch 40 herausstrukturiert sind. Von den Rahmensegmenten bzw. der dritten Elektrodenanordnung 5A ist die Abdeckplatte 30 durch eine weitere Isolationsschicht 14a getrennt. Die Abdeckplatte 30 kann auch aus einer leitfähigen isolierten oder nicht-isolierten Schicht bestehen und als weitere Elektrode dienen (vgl. 9 bis 13).
6a-d zeigen aufeinanderfolgende Prozessschritte eines Herstellungsverfahrens zur Herstellung des mikromechanischen Bauelements gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischen senkrechten Querschnittsansichten entlang der Linien D-D' in 4.
Der Prozesszustand gemäß 6a entspricht dem Prozesszustand gemäß 3d und der Schnitt entspricht 2a. Im Anschluss an den Zustand gemäss 6a werden gemäß 6b die Elektroden 5b1, 5b2, 5b3, 5b4, 5b0 sowie die Biegefedern 5a1, 5a2, 5a3, 5a4 und der Stöpselabschnitt 5c des Aufhängepfostens 10 sowie der Stöpselabschnitt 5d des Kontaktstöpsels 20 aus der zweiten leitfähigen Schicht 5 strukturiert.
Im Anschluss daran wird die dritte Isolationsschicht 14 aus Siliziumoxid oberhalb der resultierenden Struktur abgeschieden. Oberhalb der dritten Isolationsschicht 14 wird dann die nicht leitfähige Schicht, z.B. Siliziumnitrid, für die Abdeckplatte 30 abgeschieden und strukturiert. Im Anschluss daran erfolgt das Opferschichtätzen, bei dem die zweite Isolationsschicht 4 und die dritte Isolationsschicht 14 in den Bereichen entfernt wird, wo der Zwischenraum für 15 für die Schallerfassung zwischen der unteren Elektrodenanordnung und der oberen Elektrodenanordnung vorzusehen ist. Dies führt letztendlich zum Prozesszustand gemäß 6d.
7 ist eine ausschnittsweise schematische obere Draufsicht auf ein mikromechanisches Bauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der dritten Ausführungsform gemäß 7 ist eine Korrugation der oberen auslenkbaren Elektroden 5b1, 5b2, 5b3, 5b4 vorgesehen, im vorliegenden Fall als Ausgestaltung in Form einer wellenförmigen Erhebung W. Ebenso möglich ist eine Korrugation der Biegefedern 5a1, 5a2, 5a3, 5a4 zur Relaxation von Stressgradienten und In-Plane-Stress, wobei sich eine Korrugation bestehend aus einer Überlagerung von konzentrischen Radialwellen und Azimuthalwellen als besonders geeignet herausgestellt hat. Durch Unterschiede in der Perforation bzw. Korrugation der Biegebalkensegmente können verschiedene mechanische und fluiddynamische Eigenschaften eingestellt werden.
8 ist eine ausschnittsweise schematische obere Draufsicht auf ein mikromechanisches Bauelements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der vierten Ausführungsform gemäß 8 ist an der umlaufenden dritten elektrischen Elektrodenanordnung 5a' zusätzlich eine Kammstruktur mit Zähnen 52 und Aussparungen 53 vorgesehen, welche mit einer entsprechenden Kammstruktur mit Zähnen 50 und Aussparungen 51 an den Elektroden 5b1' usw. der oberen Elektrodenanordnung verzahnt ist bzw. in Eingriff steht.
9 stellt eine schematische obere Draufsicht auf ein mikromechanisches Bauelement gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, 10 und 11 sind schematische senkrechte Querschnittsansicht des mikromechanischen Bauelements gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar entlang der Linie B2-B2' bzw. B3-B3' in 12, 12 ist eine schematische waagrechte Querschnittsansicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch den beweglichen Elektrodenbereich.
Bei der fünften Ausführungsform gemäß 9 bis 12 ist oberhalb der oberen Elektrodenanordnung oberhalb der Rahmensegmente eine leitfähige Abdeckplatte 30' mit Durchgangslöchern 35 für Dichtewellen, insbesondere Schallwellen, vorgesehen. Die Abdeckplatte 30' besteht aus einer leitfähigen Schicht aus Silizium, aus der die Durchgangslöcher 35 sowie ein zentrales Durchgangsloch 40 herausstrukturiert sind. Von den Rahmensegmenten ist die Abdeckplatte 30' durch die weitere Isolationsschicht 14a getrennt. Sie bildet bei dieser Ausführungsform eine weitere Elektrode, die mit den beweglichen Elektroden 5b1', 5b2', 5b3' und 5b4' und den unteren starren Elektroden 3b1, 3b2, 3b3, 3b4 eine Differenzialkondensatoranordnung ergibt.
Wie aus 10 bis 12 ersichtlich, ist bei dieser fünften Ausführungsform kein zentraler Aufhängepfosten vorgesehen, sondern die beweglichen Elektroden 5b1', 5b2', 5b3' und 5b4' hängen an einem kreisförmigen mittleren Elektrodenbereich 5b0' und dieser wiederum hängt über Biegefedern 5a1', 5a2', 5a3', 5a4' an einem Rahmenelement 5a', das aus derselben Schicht gebildet ist. Das Rahmenelement 5a' ist über die Isolationsschicht 4a und die Elemente 4a, 3a1-3a5 sowie die Isolationsschicht 2 auf dem Substrat 1 verankert.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Insbesondere sind die Elektrodengeometrie und die Materialien beliebig und nicht auf die gezeigten Beispiele beschränkt. Das Material der beiden leitfähigen Schichten ist nicht auf Polysilizium beschränkt, sondern kann insbesondere auch ein Metall sein.

3a1-3a5: Rahmensegment
3d1-3d5: Zuleitungsabschnitte
3b1-3b4: untere Elektrodenbereiche
10: Aufhängerpfosten
20: Kontaktstöpsel
5b1-5b4: obere Elektrodenabschnitte
5b-5b4': obere Elektrodenabschnitte
5b0: kreisringförmiger Elektrodenabschnitt
5b0': kreisförmiger Elektrodenabschnitt
5a1-5a4: Biegefedern
5a1'-5a4': Biegefedern
5c: Kontaktstöpsel von 10
5d: Kontaktstöpsel von 20
3c1: Zuleitungsabschnitt
5a: ringförmige dritte Elektrodenanordnung
5a': Rahmenelement
15: Zwischenraum
1: Substrat
2: erste Isolationsschicht
4, 4a: zweite Isolationsschicht
14, 14a: dritte Isolationsschicht
30, 30': Abdeckplatte
35: Durchgangsloch
40: zentrales Durchgangsloch
W: wellenförmige Korrugation
51-53: Kammstruktur

Claims

Mikromechanisches Bauelement mit: einem Substrat (1); einer auf oder in dem Substrat (1) angeordneten ersten starren Elektrodenanordnung (3b1, 3b2, 3b3, 3b4); einer am Substrat (1) aufgehängten zweiten Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4'); einem zwischen der ersten Elektrodenanordnung (3b1, 3b2, 3b3, 3b4) und der zweiten Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') vorgesehenen Zwischenraum (15); wobei die zweite Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') derart elastisch auslenkbar gegenüber der ersten Elektrodenanordnung (3b1, 3b2, 3b3, 3b4) am Substrat (1) angebracht ist, dass die Kapazität eines durch die erste Elektrodenanordnung (3b1, 3b2, 3b3, 3b4), die zweite Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') und den Zwischenraum (15) gebildeten Kondensators veränderbar ist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (1) ein Aufhängepfosten (10) vorgesehen ist, über den die zweite Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') am Substrat (1) aufgehängt ist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (1) eine Rahmeneinrichtung (3a1, 3a2, 3a3, 3a4, 3a5; 4a; 5a') vorgesehenen, über den die zweite Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') am Substrat (1) aufgehängt ist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenanordnung (3b1, 3b2, 3b3, 3b4) eine Mehrzahl elektrisch entkoppelter Elektroden (3b1, 3b2, 3b3, 3b4) aufweist, die symmetrisch um den Aufhängepfosten (10) angeordnet sind.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') eine Mehrzahl elektrisch gekoppelter Elektroden (5b1, 5b2, 5b3, 5b4) aufweist, die symmetrisch und im wesentlichen deckungsgleich zu den entsprechenden Elektroden (3b1, 3b2, 3b3, 3b4) der ersten Elektrodenanordnung um den Aufhängepfosten (10) aufgehängt sind.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') über eine Mehrzahl von Biegefedern (5a1, 5a2, 5a3, 5a4; 5a1', 5a2', 5a3', 5a4') am Aufhängepfosten (10) bzw. an der Rahmeneinrichtung (3a1, 3a2, 3a3, 3a4, 3a5; 4a; 5a') aufgehängt ist.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rahmeneinrichtung (3a1, 3a2, 3a3, 3a4, 3a5; 4a) um die erste Elektrodenanordnung (3b1, 3b2, 3b3, 3b4) und die zweite Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') herum angeordnet ist, auf der eine dritte Elektrodenanordnung (5a) vorgesehen ist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Elektrodenanordnung (5a) die zweite Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') umgibt.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Elektrodenanordnung (5a) und die zweite Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') zumindest bereichsweise kammartig ineinandergreifen.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenanordnung (3b1, 3b2, 3b3, 3b4) und die zweite Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') aus einer jeweiligen ersten und zweiten leitfähigen Schicht (3; 5) strukturiert sind.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abdeckplatte (30; 30') oberhalb der zweiten Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') vorgesehen ist, die einen Fluidmedienzugang (35, 40) in den Zwischenraum (15) festlegt.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckplatte (30; 30') eine weitere Elektrodenanordnung bildet.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') und/oder die Biegefedern (5a1, 5a2, 5a3, 5a4; 5a1', 5a2', 5a3', 5a4') eine Korrugationsstruktur (W) aufweisen.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenanordnung (3b1, 3b2, 3b3, 3b4) durch eine erste Isolationsschicht (2) vom Substrat getrennt ist.
Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement mit den Schiffen: Bereitstellen eines Substrats (1); Erstellen einer auf oder in dem Substrat (1) angeordneten ersten starren Elektrodenanordnung (3b1, 3b2, 3b3, 3b4) aus einer ersten leitfähigen Schicht (3); Erstellen einer zweiten Isolationsschicht (4) auf der ersten starren Elektrodenanordnung (3b1, 3b2, 3b3, 3b4); Erstellen einer am Substrat (1) aufgehängten zweiten Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') aus einer zweiten leitfähigen Schicht (5); Erstellen von einem zwischen der ersten Elektrodenanordnung (3b1, 3b2, 3b3, 3b4) und der zweiten Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') vorgesehenen Zwischenraum (15) durch teilweises Opferschichtätzen der zweiten Isolationsschicht (4); wodurch die zweite Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') derart elastisch auslenkbar gegenüber der ersten Elektrodenanordnung (3b1, 3b2, 3b3, 3b4) am Aufhängepfosten (10) gestaltet wird, dass die Kapazität eines durch die erste Elektrodenanordnung (3b1, 3b2, 3b3, 3b4), die zweite Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') und den Zwischenraum (15) gebildeten Kondensators veränderbar ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (1) ein Aufhängepfosten (10) vorgesehen wird, über den die zweite Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') am Substrat (1) aufgehängt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rahmeneinrichtung (3a1, 3a2, 3a3, 3a4, 3a5; 4a; 5a') um die erste Elektrodenanordnung (3b1, 3b2, 3b3, 3b4) und die zweite Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') herum erstellt wird, über die die zweite Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') am Substrat (1) aufgehängt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17 dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rahmeneinrichtung (3a1, 3a2, 3a3, 3a4, 3a5; 4a; 5a') eine dritte Elektrodenanordnung (5a) aus der zweiten leitfähigen Schicht (5) vorgesehen wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine leitfähige oder isolierende Abdeckplatte (30; 30') oberhalb der zweiten Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') vorgesehen wird, die einen Fluidmedienzugang (35, 40) in den Zwischenraum (15) festlegt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Opferschichtätzen der zweiten Isolationsschicht (4) eine dritte Isolationsschicht (14) auf der zweiten Elektrodenanordnung (5b0, 5b1, 5b2, 5b3, 5b4; 5b0', 5b1', 5b2', 5b3', 5b4') erstellt wird, anschliessend die Abdeckplatte (30; 30') auf der dritten Isolationsschicht (14) erstellt wird, und schliesslich der Zwischenraums (15) durch teilweises Opferschichtätzen der zweiten Isolationsschicht (4) und der dritten Opferschicht (14) erstellt wird.
Verwendung eines mikromechanischen Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Mikrofon.