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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement nach der
Gattung des Hauptanspruchs. Aus der Patentschrift
DE 197 16 343 C2 ist eine
Halbleiter-Thermoelementanordnung bekannt, bei der eine dotierte
Schicht aus Polysilizium vorhanden ist, die bereichsweise abwechselnd für elektrische
Leitfähigkeiten
unterschiedlicher Vorzeichen dotiert ist und die als Schenkel eines
Thermoelementes dient. Hierbei ist nachteilig, dass eine vergleichsweise
große
Waferfläche
notwendig ist, um eine gewisse elektrische Leistung mit dem Thermogenerator
zur realisieren.
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Offenbarung
der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement
und das Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelementes
gemäß den nebengeordneten
Patentansprüchen
hat demgegenüber
den Vorteil, dass die bekannten Nachteile des Standes der Technik
vermieden oder zumindest reduziert werden und eine vergleichsweise
kompakte und kostengünstig
herstellbare mikromechanische Struktur möglich ist. Hierbei ist insbesondere
von Bedeutung, dass die vertikalen Ausmaße des Bauelements, d. h. insbesondere
der Abstand in vertikaler Richtung (d. h. senkrecht zur Haupterstreckungsebene
des Bauelementes) zwischen den heißen Kontakten und den kalten
Thermokontakten erheblich größer als
gemäß dem Stand
der Technik realisierbar ist, so dass eine erheblich größere Ausgangsleistung
bei einer vorgegebenen Umgebungstemperaturdifferenz realisierbar
ist als gemäß dem Stand
der Technik. Die genannten Vorteile werden auch realisiert durch
bzw. es ist gemäß der Erfindung
bevorzugt ein Bauelement, bei dem jedes Thermoelement einen ersten Thermoschenkel
und einen zweiten Thermoschenkel aufweist, wobei wenigstens einer
der Thermoschenkel epitaktisches Polysiliziummaterial aufweist.
Hierdurch ist es möglich,
eine besonders geringe Wärmeleitfähigkeit
in dem Material des Thermoschenkels zu realisieren.
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Erfindungsgemäß ist ferner
bevorzugt, dass die Thermoschenkel dotiert vorgesehen sind, wobei der
erste Thermoschenkel gegenüber
dem zweiten Thermoschenkel mit einer gegensätzlichen Ladungsträgerart dotiert
ist. Dies hat den Vorteil, dass der thermoelektrische Effekt an
dem mikromechanischen Bauelement besonders ausgeprägt ist und
darüber hinaus
das thermoelektrische Verhalten des Bauelementes durch eine Variation
der Dotierung beeinflußbar
ist.
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Ferner
ist erfindungsgemäß bevorzugt,
dass die Thermokontakte senkrecht zur Haupterstreckungsebene zwischen
etwa 3 μm
und etwa 300 μm beabstandet
vorgesehen sind, bevorzugt zwischen etwa 10 μm und etwa 100 μm, besonders
bevorzugt zwischen etwa 25 μm
und etwa 50 m. Hierdurch kann ein besonders großer thermoelektrischer Effekt
erzielt werden, so dass die Ausgangsleistung des erfindungsgemäßen Bauelementes
besonders groß sein kann
bzw. bei gleicher Ausgangsleistung die Abmessung des Bauelementes
klein sein kann und damit auch die Herstellungskosten minimiert
sein können. Erfindungsgemäß ist weiterhin
bevorzugt, dass der erste Thermoschenkel gegenüber dem zweiten Thermoschenkel
in Richtung der Haupterstreckungsebene des Substrats mit einem elektrischen
Isolationsmaterial isoliert vorgesehen ist, wobei das Isolationsmaterial
bevorzugt als Oxidmaterial vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, eine
hohe Stabilität
des mikromechanischen Bauelementes mit einer guten Isolierung der
Thermoschenkel zu kombinieren. Eine hohe Stabilität des Bauelementes
wird dadurch erzielt, dass keine Hohlräume bzw. Kavitäten innerhalb des
Bauelementes notwendig vorgesehen sind.
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Erfindungsgemäß ist es
weiterhin bevorzugt, dass in der Haupterstreckungsebene des Substrats die
Thermoelemente von einem Rahmen umgeben vorgesehen sind. Dies ermöglicht es
eine besonders stabile Bauweise des erfindungsgemäßen Bauelementes
zu realisieren, so dass insbesondere Spannungen bzw. Belastungen,
die beispielsweise durch das Vereinzeln (etwa durch Sägen) der
hergestellten Bauelemente in das Material eingebracht werden, keine
negativen Auswirkungen haben.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung eines Bauelementes nach dem nebengeordneten Anspruch.
Ein solches Verfahren ist vergleichsweise einfach und schnell durchzuführen und
erlaubt es, in einer besonders gut kontrollierbaren Weise ein Thermoelement
bzw. ein erfindungsgemäßes Bauelement
herzustellen, welches eine besonders große Ausgangsleistung mit einer
besonders kompakten Bauweise kombiniert.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine schematische, perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelementes.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf ein einzelnes Thermoelement des erfindungsgemäßen Bauelementes.
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3 zeigt
eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung des mikromechanischen
Bauelementes zusammen mit Anschlußflächen bzw. Kontaktflächen.
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4 bis 7 stellen
verschiedene Vorläuferstrukturen
des erfindungsgemäßen Bauelementes dar.
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8 und 9 stellen
zwei verschiedene Ausführungsformen
des Bauelementes dar.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist
eine schematische, perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen, mikromechanischen
Bauelementes 10 dargestellt. Das Bauelement 10 ist
insbesondere als ein Thermogenerator mit einer Vielzahl von Thermoelementen
vorgesehen. Jedes der Thermoelemente 20 umfasst einen ersten
Schenkel 23 und einen zweiten Schenkel 24, die
aus zumindest unterschiedlich dotiertem Material hergestellt sind
und gegeneinander eine Thermospannung aufweisen. Werden eine Vielzahl
solcher Thermoelemente thermisch parallel aber elektrisch in Reihe
geschaltet, so ergibt sich eine Verstärkung des thermoelektrischen
Effekts. Hierzu weist jedes Thermoelement 20 zwei Seiten
auf (in 1 oben bzw. unten), an welchen
jeweils ein Thermokontakt vorgesehen ist. Entsprechend weist jedes der
Thermoelemente 20 einen heißen Thermokontakt 21 und
einen kalten Thermokontakt 22 auf. Erkennbar ist aus 1 ebenfalls,
dass die Thermoschenkel 23, 24 der Thermoelemente 20 im
wesentlichen säulenartig
und senkrecht zu einer mit dem Bezugszeichen 13 bezeichneten
Haupterstreckungsebene eines Substrates 12 bzw. eines Substratmaterials 12 sich
erstrecken.
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In 2 ist
eine schematische Draufsicht auf ein einzelnes Thermoelement 20 dargestellt.
Erkennbar ist der erste Thermoschenkel 23 und der zweite Thermoschenkel 24,
welche durch einen Abstand voneinander getrennt vorgesehen sind,
um eine elektrische Isolierung zu erzielen.
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In 3 ist
die Draufsicht auf ein komplettes Bauelement 10 dargestellt.
Das Bauelement 10 ist insbesondere derart ausgestattet,
dass es einen thermoelektrischen Kern 16 aufweist und dass
es ferner Anschlußflächen 17 bzw.
Kontaktflächen 17 aufweist.
Erfindungsgemäß ist ferner
vorgesehen, dass um den thermoelektrischen Kern umlaufend ein Rahmen 15 angeordnet
ist, der den thermoelektrischen Kern, insbesondere mechanisch, verstärkt.
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In 4 ist
eine erste Vorläuferstruktur
des erfindungsgemäßen Bauelementes 10 schematisch dargestellt.
Auf dem Substrat 12 ist eine erste Isolationsschicht 29a vorgesehen,
worauf eine strukturierte Schicht leitfähigen Materials abgeschieden
ist, die als vergrabene Schicht 26 bezeichnet wird. Auf
der vergrabenen Schicht 26 ist eine zweite Isolationsschicht 29b strukturiert
angeordnet. Bei dem Material des Substrats 12 handelt es
sich insbesondere um Siliziummaterial bzw. generell um ein Halbleitermaterial.
Bei der ersten Isolationsschicht 29a handelt sich insbesondere
um eine Oxidschicht und insbesondere um eine Siliziumsoxidschicht.
Bei der zweiten Isolationsschicht 29b handelt es sich insbesondere
um eine Nitridschicht und insbesondere um eine Siliziumnitritschicht.
Bei der vergrabenen Schicht 26 handelt es sich insbesondere
um eine Polysiliziumschicht, die für die untere Kontaktierung
zwischen den Thermoschenkeln 23, 24 aufgebracht
wird und im nachfolgenden auch als vergrabene Polysiliziumschicht
bezeichnet wird. Die zweite Isolationsschicht 29b wird
dort geöffnet,
wo später
der Kontakt zwischen der vergrabenen Schicht 26 und dem
ersten Thermoschenkel 23 hergestellt wird.
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In 5 ist
eine zweite Vorläuferstruktur
des erfindungsgemäßen Bauelements 10 schematische dargestellt.
Auf der ersten Vorläuferstruktur
(4) wird ein epitaktisches Polysiliziummaterial
bzw. generell ein Halbleitermaterial mit einer Dicke von bevorzugt
20 bis 30 μm
oder auch einer größeren Dicke abgeschieden.
Hieraus wird der Rahmen 15 und der erste Thermoschenkel
gebildet und nachfolgend strukturiert. Bevorzugt wird als Material
für den
ersten Thermoschenkel 23 epitaktisches Polysilizium verwendet,
es kann jedoch auch jedes andere Halbleitermaterial, insbesondere
Siliziummaterial, verwendet werden. Der Vorteil eines Polysiliziummaterials gegenüber monokristallinem
Silizium liegt in der deutlich geringeren Wärmeleitfähigkeit 30 W/Km. Hierbei kann
das Material des ersten Thermoschenkels 23 entweder n-dotiert
sein oder p-dotiert sein. Zur elektrischen Isolation des Materials
des ersten Thermoschenkels 23 sowie des Rahmens 15 wird insbesondere
mittels eines CVD-Verfahrens (Chemical Vapor Deposition-Verfahren)
eine dritte Isolationsschicht 29c, insbesondere ein Oxidmaterial
wie beispielsweise Siliziumoxid, zur Seitenwandpassivierung abgeschieden.
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In 6 ist
eine dritte Vorläuferstruktur
des erfindungsgemäßen Bauelementes 10 schematisch dargestellt.
Zwischen den ersten Thermoschenkeln 23 wird das Oxidmaterial
der dritten Isolationsschicht 29c durch eine äußerst anisotropen
Oxidätzprozess am
Boden geöffnet.
Aufgrund der hohen Stufen eignet sich für die Photolithographie insbesondere
ein Sprühbelacker.
Insbesondere mittels eines gegen Oxid selektiven Plasma-Nitridätzprozesses
wird der untere Kontakt zur vergrabenen Schicht 26 für den zweiten
Thermoschenkel (in 6 noch nicht dargestellt) geschaffen.
Der Prozess kann maskenlos erfolgen, da alles Nitrid, das nicht
angegriffen werden soll, durch ein Oxid geschützt ist. Durch diese Ätzung der zweiten
Isolationsschicht 29b wird ein erster Zugang 27 zur
vergrabenen Schicht 26 erzeugt. Weiterhin wird durch eine
Oxidätzprozess
das obere Kontaktloch zur Verbindung von erstem und zweitem Thermoschenkel 23, 24 geöffnet. Hierdurch
entsteht ein zweiter Zugang 28. Auch für diesen Oxidätzprozess eignet
sich besonders ein Sprühbelackungsverfahren.
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In 7 ist
eine vierte Vorläuferstruktur
des mikromechanischen Bauelementes 10 schematisch dargestellt.
Hierbei ist der zweite Thermoschenkel 24 dadurch realisiert,
dass ein Polysiliziummaterial beispielsweise mittels LPCVD-Abscheidung
(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) abgeschieden und strukturiert
wird. Das Polysiliziummaterial des zweiten Thermoschenkels 24 kann
wiederum n- oder p-dotiert
sein, weist jedoch vorteilhafterweise eine andere Dotierung als
der erste Thermoschenkel 23 auf. Zwischen den ersten Thermoschenkeln 23 füllt das
Polysilizium des zweiten Thermoschenkels 24 die Gräben auf
und bildet den zweiten Thermoschenkel 24. Es ist klar,
dass es sich auch bei dem zweiten Thermoschenkel 24 nicht
zwingend um ein Polysiliziummaterial handeln muss, sonder jedes
geeignete Halbleitermaterial, insbesondere Siliziummaterial, verwendbar
ist. An allen anderen Positionen kann das Polysiliziummaterial als
Zuleitung (Bezugszeichen 24')
oder als oberer Kontakt (heißer
Thermokontakt 21 bzw. kalter Thermokontakt 22)
zwischen den Thermoschenkeln 23, 24 verwendet
werden. Eine hohe Dotierung des Polysiliziummaterials des zweiten
Thermoschenkels 24 ist also wünschenswert. Durch die Anordnung
der Materialien ist damit eine P-N-Thermokette entstanden. Zum Schutz
und zur elektrischen Isolierung wird auf dem Polysiliziummaterial
des zweiten Thermoschenkels 24 ein Dielektrikum, beispielsweise
in Oxidmaterial als vierte Isolationsschicht 29d abgeschieden.
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Im
Bereich der späteren
Kontaktpads bzw. Kontaktflächen
(vgl. 3, Bezugszeichen 17) wird die vierte
Isolationsschicht 29d geöffnet und das Polysilizium
des zweiten Thermoschenkels 24 zur besseren Bondbarkeit
mit einem Metall wie z. B. Aluminium verstärkt. Dies ist in 8 dargestellt. 8 stellt daher
ausschnittsweise ein Thermoelement 20 des fertigen mikromechanischen
Bauelementes 10 dar. Hierbei sind die Kontaktstellen 17 (insbesondere
mit einer Metallisierung versehen) auf der Oberseite des Bauelementes
vorgesehen, d. h. in der Nähe
beispielsweise des heißen
Thermokontaktes 21.
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In 9 ist
eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bauelementes 10 dargestellt,
bei der die Anschlußflächen 17 in
der Nähe
des kalten Thermokontaktes 22 vorgesehen sind (d. h. etwa
in einer Ebene mit der unteren Verbindung zwischen den Thermoschenkeln 23, 24).
Hierzu wird die vergrabene Schicht 26 mit einer Anschlußmetallisierung
kontaktiert.
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Die
in 8 dargestellte Anordnung ist insbesondere für eine Flip-Chip-Montage
geeignet; daneben ist auch eine Drahtbondmontage möglich. Bei der
zweiten Ausführungsform
gemäß 9 muss das
Material im Bereich der Kontaktflächen 17 entfernt werde.
Die hohen Stufen (des Rahmens 15 bzw. der Thermoschenkel)
durch die Höhe
der säulenförmig vorgesehenen
Thermoschenkel 23, 24 stellen vergleichsweise
hohe Anforderungen an die Photolithographie. Ein Flip-Chip-Montage ist je nach
Höhe des
gesamten Aufbaus unter Umständen
noch möglich.
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Beispielhaft
kann mittels des erfindungsgemäßen Bauelementes 10 ein
Thermogenerator realisiert werden, der eine Leistung von 20 μW bei einer Spannung
von 1 V liefert. Es steht beispielsweise eine Temperaturdifferenz
von 2,5 K zur Verfügung. Bei
Leistungsanpassung muss der Innenwiderstand des Bauelementes 12,5
kgΩ betragen
bei ca. 300 μV/K
realistischem Seebeck-Koeffizient und 3 mΩcm spezifischem Widerstand
für die
Polysiliziummaterialpaarung des ersten und zweiten Thermoschenkels 23, 24 sind
beispielsweise 1400 Thermoelemente 20 notwendig, die z.
B. in einer 40×35
Matrix angeordnet werden können.
Diese Thermoschenkel 23, 24 hätten dann im Durchschnitt eine
Seitenlänge
von ca. 10 μm.
Technologiebedingt wird aber im Bauelement die Seitenlänge des
Epi-Polymaterials (erster Thermoschenkel 23) größer sein
als die Seitenlänge
des LPCVD-Polysiliziums
(zweiter Thermoschenkel). Bei 10 μm
durchschnittlichem Abstand zwischen den Thermoschenkeln 23, 24 (vgl. 2)
ergibt sich eine Größe für den thermoelektrischen
Kern 16 von ca. 1,6 mm × 0,7 mm. Das gesamt Bauelement
könnte
daher mit einer Größe von beispielsweise
2,5 mm × 1,1
mm ausgebildet sein.