DE102008001038A1 - Mikromechanisches Bauelement mit Schrägstruktur und entsprechendes Herstellungsverfahren - Google Patents
Mikromechanisches Bauelement mit Schrägstruktur und entsprechendes Herstellungsverfahren Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauelement mit Schrägstruktur und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Das Bauelement umfasst ein Substrat (1) mit einer Oberfläche (O); einen ersten Anker (3e; 3e'), welcher auf der Oberfläche (O) des Substrats (1) vorgesehen ist und welcher sich vom Substrat (1) wegerstreckt; und mindestens einen an einer Seitenfläche (S1, S2; S1'; S1'') des Ankers (3e; 3e') vorgesehenen Ausleger (3c, 3d; 3c; 3c'), welcher schräg vom Anker (3e; 3e') weggerichtet ist.
Description
- STAND DER TECHNIK
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement mit Schrägstruktur. Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
- Die moderne Halbleitertechnik basiert größtenteils auf dem Aufbringen und Strukturieren von Schichten. Durch geschickte Prozessabläufe sind sehr komplexe Strukturen möglich.
- Der Komplexitätsgrad mikromechanischer Bauelemente, wie z. B. Sensoren und Aktuatoren, hat in den letzten Jahren bedeutend zugenommen. In diesem Zusammenhang stellt sich immer wieder das Problem, Bauelemente mit Schrägstrukturen oder Rundstrukturen kostengünstig und sicher herzustellen.
- Das Einbringen von schrägen Ebenen oder runden Strukturen (”Beulen” oder ”Dellen”) auf oder in mikromechanischen Schichten ist jedoch kein Hochvolumen-Verfahren. Mittels Graustufen-Lithographie lassen sich solche Strukturen herstellen, die Prozesse sind jedoch sehr empfindlich von den Prozessparametern abhängig und nicht hochvolumentauglich. Anisotropes Ätzen (z. B. Si in KOH, TMAH) erlaubt keine Freiheit im Design, da nur ganz bestimmte Winkel möglich sind.
- VORTEILE DER ERFINDUNG
- Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement mit Schrägstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. das entsprechende Herstellungsverfahren nach Anspruch 14 weisen den Vorteil auf, dass sie eine einfache Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit Schrägstruktur ermöglichen. Schrägstruktur im Sinne der Erfindung beschränkt sich nicht auf eine vollkommen lineare Schrägung, sondern soll auch eine stückweise lineare Schrägung und eine verrundete Schrägung mitumfassen. Mit anderen Worten soll schräg bedeuten, dass der Ausleger mindestens in einem Punkt seiner Oberfläche eine Tangente besitzt, welche keinen rechten Winkel zur Seitenfläche des ersten Ankers bildet.
- Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, ausgehend von einer Ankerstruktur mit mindestens einem daran befindlichen Ausleger, eine derartige Verbiegung des Auslegers zu induzieren, dass er schräg vom Anker weggerichtet ist. Eine Fixierung in der Schrägstellung lässt sich entweder durch einen Verbindungsvorgang, z. B. Bonden oder Kleben, oder durch ein irreversibles Einfrieren einer inneren Spannung in den Auslegern, z. B. durch Abschrecken, erzielen.
- Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahrensbündel, mit dem sich geneigte Balken bzw. Ebenen dauerhaft herstellen lassen. Anwendungen sind z. B. in der Mikrofluidik, Aktuatorik oder Sensorik zu sehen. Die Herstellung erfolgt mittels Standardprozessen und lässt sich daher auch hochvolumentauglich abbilden. Die Erfindung ermöglicht es es, eine in einer Schicht hergestellte Struktur, z. B. einen Balken, durch geeignete Schritte (z. B. durch einen durch weitere Schichten induzierten oder inhärenten Stress, Druck oder elektrostatische Anziehung bzw. durch Kombination verschiedener Verfahren) gezielt zu biegen und anschließend oder vorzugsweise in dem biegenden Prozessschritt direkt oder über einen Anker mit einem geeigneten Substrat zu verbinden. Die Struktur ist so aus der Ebene heraus fixiert und kann die Funktionsweise der weiteren Mikromechanik ergänzen.
- Die Erfindung ermöglicht ein Strukturieren einer Ebene mit Wirkung in verschiedenen Ebenen. Sie erfordert einen geringeren Strukturierungsaufwand als bekannte Techniken, was eine Kostenersparnis, einen Ausbeutevorteil und bessere Funktionalität durch weniger Justageversatz ermöglicht. Somit können größere Signale und/oder Kräfte durch bessere Anordnung der Strukturen, eine bessere Funktonalität und flexiblere Baugrößen erreicht werden. Ein Bespiel ist eine verbesserte fluidische Funktionalität durch glattere Übergänge zwischen verschiedenen Ebenen.
- In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
- Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Ausleger schräg nach unten zur Oberfläche des Substrats hinweisend weggerichtet ist.
- Der Ausleger kann unmittelbar mit der Oberfläche des Substrats verbunden werden oder mittelbar, z. B. über einen zweiten Anker oder eine sonstige Verbindungsstruktur.
- Zweckmässigerweise lassen sich Anker und der Ausleger einteilig ausbilden, z. B. aus einer mikromechanischen Siliziumstruktur.
- Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind ein erster und zweiter Anker auf der Oberfläche des Substrats durch einen Zwischenraum voneinander beabstandet vorgesehen, welche über einen jeweiligen Ausleger mit der Oberfläche des Substrats verbunden sind, wobei in dem Zwischenraum eine Aufhängung für eine Drehachse eines Drehbalkens an den Ankern angebracht ist.
- Der Ausleger kann mannigfaltige Formen annehmen, und insbesondere balkenförmig oder flächenförmig (z. B. schirmartig, kreissegmentförmig, dreieckförmig etc...) sein.
- ZEICHNUNGEN
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1a –c schematische Querschnittsansichten eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
2 eine schematische Querschnittsansicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
3a , b schematische Querschnittsansichten eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und -
4 eine schematische Querschnittsansicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
- In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
-
1a –c sind schematische Querschnittsansichten eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - In
1a –c bezeichnet Bezugszeichen1 ein Borofloat-Substrat. Auf einer Oberfläche O des Substrats1 ist ein erster Anker3e vorgesehen, welcher sich säulenförmig vom Substrat1 weg erstreckt. Einteilig mit dem Anker3e an dessen Seitenwänden S1, S2 vorgesehen sind zwei dünne Ausleger3c , an deren Enden ein jeweiliger zweiter Anker3a bzw.3b vorgesehen ist. Auf den Auslegern3c zusätzlich vorgesehen ist ein jeweiliger Metallschichtbereich3d , z. B. aus Aluminium. Beim vorliegenden Beispiel sind der erste Anker3e , die Ausleger3c und die zweiten Anker3a bzw.3b einteilig aus Silizium hergestellt, beispielsweise durch einen entsprechenden Ätzprozess unter Verwendung einer entsprechenden Opferschicht. Die Metallschichtbereiche3d sind beispielsweise durch Abscheiden und Rückätzen auf den Auslegern3c vorgesehen worden. Der erste Anker3e , die Ausleger3c mit den Metallschichtbereichen3d und die zweiten Anker3a bzw.3b bilden somit im vorliegenden Beispiel eine T-Struktur. - Bei geeigneter Wahl der betreffenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Ausleger
3c und der Metallschichtbereiche3d kann den Auslegern eine Halbleiter-/Metallbimorphcharakteristik verleiht werden, d. h. die Möglichkeit einer Verbiegung durch Temperaturbeaufschlagung. - Ausgehend von der in Bezug auf
1a beschriebenen Struktur wird gemäß1b Wärme mittels einer Heizeinrichtung HE an die T-Struktur abgegeben, wobei sich die Metallschichtbereiche3d auf den Auslegern3c durch entsprechende Wahl des thermischen Ausdehnungskoeffizienten stärker ausdehnen als die Ausleger3c . - Schließlich mit Bezug auf
1c berühren die zweiten Anker3a ,3b die Oberfläche O des Substrats1 , und zwar in einer Art, welche sich durch die Geometrie der zweiten Anker3a ,3b und die Gestaltung der Ausleger3c bzw. Metallschichtbereiche3d vorgeben lässt. Bei deren Strukturierung sollte darauf geachtet werden, dass die Bewegung kontrolliert aus der Ausgangsposition heraus erfolgt und kein Verbiegen in unerwünschte Richtungen möglich ist. - Nachdem gemäß
1c die zweiten Anker3a ,3b formschlüssig auf dem Substrat1 aufliegen, können diese durch geeignete Maßnahmen auf dem Substrat1 fixiert werden. In1c ist beispielhaft dargestellt, dass diese Fixierung durch anodisches Bonden unter Zuhilfenahme einer Spannungsquelle SP geschieht, welche eine Spannung U einerseits im Punkt U1 an das Substrat1 und andererseits im Punkt U2 an den ersten Anker3e anlegt. Eine geeignete Materialkombination hierfür ist die erwähnte Materi alkombination Silizium-Anker/Borofloat-Substrat. Hierbei kann zudem vorteilhaft ausgenutzt werden, dass sowohl die Temperatureinwirkung der Heizeinrichtung HE als auch die elektrostatische Anziehung durch die angelegte Spannung U die Verbiegung der Ausleger3c unterstützen. - Es sei erwähnt, dass anderweitige Fixierungsmaßnahmen, wie z. B. Sealglas-Bonden, Kleben etc. ebenso denkbar sind wie eine lokale Aktivierung, beispielsweise durch elektrische Heizelemente auf den zweiten Ankern
3a ,3b . -
2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - Bei der zweiten Ausführungsform gemäß
2 sind die Metallschichtbereiche3d von1 weggelassen. Bei diesem zweiten Beispiel bewirkt die durch die Heizeinrichtung HE vorgesehene Erwärmung der Ausleger3c lediglich eine Materialerweichung, und die Verbiegung erfolgt unter dem Einfluss der Schwerkraft und unter dem Einfluss der elektrostatischen Anziehungskraft zwischen dem Substrat1 und den zweiten Ankern3a ,3b , welche durch die angelegte Spannung U verursacht wird. -
3a , b sind schematische Querschnittsansichten eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - Bei der dritten Ausführungsform gemäß
3a , b wird im Gegensatz zur oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform nicht von einer T-förmigen Grundstruktur, sondern von zwei galgenförmigen Grundstrukturen ausgegangen, welche durch einen Zwischenraum Z voneinander beabstandet auf dem Substrat1 vorgesehen sind. insbesondere bezeichnet Bezugszeichen3e' zwei erste Anker, an deren Seitenwänden S1' bzw. S12' ein jeweiliger Ausleger3c' vorgesehen ist. Am Ende des jeweiligen Auslegers3c' befindet ein zugehöriger zweiter Anker3a' bzw.3b' . - Durch ein Verfahren, welches bereits im Zusammenhang mit
1 bzw.2 beschrieben worden ist, werden dann die zweiten Anker3a' bzw.3b' mit der Oberfläche O des Substrats1 in Berührung gebracht und damit fest verbunden. - Im Anschluss daran wird im Zwischenraum Z eine Aufhängung
5 für eine Drehachse A eines Drehbalkens10 realisiert. Diese kann losgelöst von den Ankern3e' sein, um beispielsweise unterschiedliche Potentiale an die Drehachse A und die Schrägstrukturen3e' ,3c' ,3a' bzw.3e' ,3c' ,3b' anzulegen, aber auch an den Ankern3e' angebracht sein. Die Schrägstruktur3e' ,3c' ,3a' bzw.3e' ,3c' ,3b' sorgt somit für eine feste Abstützung der Aufhängung5 für den Drehbalken10 , welcher entlang der Drehrichtung D nach Art eines Windmühlenflügels drehbar ist. -
4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - Bei der vierten Ausführungsform gemäß
4 sind im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß1 die zweiten Anker3a ,3b weggelassen. Bei dieser Ausführungsform werden die äußeren Enden der Ausleger3c unmittelbar durch anodisches Bonden unter Verwendung der Spannungsquelle SP mit der Oberfläche O des Substrats verbunden. - Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
- Obwohl bei den obigen Ausführungsbeispielen bestimmte T-förmige bzw. galgenförmige mikromechanische Bauelemente als Ausgangsstrukturen für die Verbiegung hergestellt wurden, sind prinzipiell beliebige Ausgangsstrukturen, welche eine Erstreckung in unterschiedliche Richtungen aufweisen denkbar, so dass beliebige Bauelemente mit Schrägstruktur durch die Erfindung in einfacher Weise herstellbar sind. Es können insbesondere Finger oder isolierte Strukturen hergestellt und dann durch geeignete Maßnahmen ausgelenkt werden. Insbesondere können auch flächenförmige Membranen ausgelenkt und fixiert werden, wenn die Ausleger beispielsweise nicht balkenförmig sondern flächig sind, wobei gegebenenfalls eine Strukturierung nach der Auslenkung und Fixierung durchgeführt werden kann. Es könnte auch ein Teil der gebogenen Struktur anschließend durch eine Strukturierung wieder vom Substrat gelöst werden und dann in die Ausgangsebene zurückrelaxieren.
- Obwohl die Auslenkung der Ausleger in den obigen Beispielen thermisch bzw. elektrisch erreicht wurde, kann sie auch durch weitere Maßnahmen zusätzlich oder alternativ erzielt werden, beispielsweise durch Über- oder Unterdruck, Strömung, usw. oder jegliche Kombinationen davon.
- Ein mögliches Einsatzgebiet für die erfindungsgemäßen Bauelemente sind neben den angesprochenen Sensoren bzw. Aktuatoren u. a. Head-Up-Displays im Kraftfahrzeugbereich oder Miniprojektoren im Consumer-Bereich. Bei Sensoren gibt es interessante Anwendungsbereiche insbesondere im Bereich der Inertialsensoren. In der Mikrofluidik, in welcher Projekte für die neuen Märkte Life-Science und Medi zintechnik evaluiert werden, lassen sich ebenfalls günstige Strukturen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellen.
Claims (21)
- Mikromechanisches Bauelement mit: einem Substrat (
1 ) mit einer Oberfläche (O); einem ersten Anker (3e ;3e' ), welcher auf der Oberfläche (O) des Substrats (1 ) vorgesehen ist und welcher sich vom Substrat (1 ) weg erstreckt; mindestens einem an einer Seitenfläche (S1, S2; S1'; S1'') des Ankers (3e ;3e' ) vorgesehenen Ausleger (3c ,3d ;3c' ), welcher schräg vom Anker (3e ;3e' ) weggerichtet ist. - Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei der Ausleger (
3c ,3d ;3c ;3c' ) schräg nach unten zur Oberfläche (O) des Substrats (1 ) hinweisend weggerichtet ist. - Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei der Ausleger (
3c ,3d ;3c ;3c' ) mit der Oberfläche (O) des Substrats (1 ) verbunden ist. - Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei der Ausleger (
3c ,3d ;3c ;3c' ) schräg nach oben von Oberfläche (O) des Substrats (1 ) wegweisend weggerichtet ist - Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 3, wobei der Ausleger (
3c ,3d ;3c ;3c' ) unmittelbar mit der Oberfläche (O) des Substrats (1 ) verbunden ist. - Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 3, wobei der Ausleger (
3c ,3d ;3c ;3c' ) mittelbar mit der Oberfläche (O) des Substrats (1 ) über einen zweiten Anker (3a ,3b ;3a' ,3b' ) verbunden ist. - Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anker (
3e ;3e' ) und der Ausleger (3c ,3d ;3c ;3c' ) einteilig ausgebildet sind. - Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 7, wobei der Anker (
3e ;3e' ) und der Ausleger (3c ,3d ;3c ;3c' ) aus Silizium ausgebildet sind. - Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei ein erster und zweiter Anker (
3e' ) auf der Oberfläche (O) des Substrats (1 ) durch einen Zwischenraum (Z) voneinander beabstandet vorgesehen sind, welche über einen jeweiligen Ausleger (3c' ) mit der Oberfläche (O) des Substrats (1 ) verbunden sind, und wobei in dem Zwischenraum (Z) eine Aufhängung (5 ) für eine Drehachse (A) eines Drehbalkens (10 ) angebracht ist. - Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 9, wobei die Aufhängung (
5 ) für die Drehachse (A) des Drehbalkens (10 ) an den Ankern (3e' ) angebracht ist. - Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ausleger (
3c ,3d ) eine Mehrschichtstruktur aufweist. - Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ausleger (
3c ,3d ;3c ;3c' ) gekrümmt ist. - Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ausleger (
3c ,3d ;3c ;3c' ) balkenförmig oder flächenförmig ist. - Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements mit den Schritten: Bereitstellen von einem Substrat (
1 ) mit einer Oberfläche (O) und einem ersten Anker (3e ;3e' ), welcher auf der Oberfläche (O) des Substrats (1 ) vorgesehen ist und welcher sich vom Substrat (1 ) weg erstreckt; und von mindestens einem an einer Seitenfläche (S1, S2; S1'; S1') des Ankers (3e ;3e' ) vorgesehenen, seitlich von der Seitenfläche (S1, S2; S1'; S1'') des Ankers (3e ;3e' ) wegweisenden Auslegers (3c ,3d ;3c ;3c' ); Verbiegen des Auslegers (3c ,3d ;3c ;3c' ) derart, dass er schräg vom Anker (3e ;3e' ) weggerichtet ist. - Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Verbiegen durch Anlegen thermischer und/oder elektrischer Energie erreicht wird.
- Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Ausleger (
3c ,3d ) eine Mehrschichtstruktur aufweist und das Verbiegen durch Hervorrufen einer internen Spannung in der Mehrschichtstruktur erreicht wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Ausleger (
3c ,3d ;3c ;3c' ) schräg nach unten zur Oberfläche (O) des Substrats (1 ) hinweisend verbogen wird. - Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Ausleger (
3c ,3d ;3c ;3c' ) derart verbogen wird, dass er die Oberfläche (O) des Substrats berührt und dann mit der Oberfläche (O) des Substrats (1 ) verbunden wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Ausleger (
3c ,3d ;3c ;3c' ) schräg nach oben von Oberfläche (O) des Substrats (1 ) wegweisend verbogen wird. - Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Ausleger (
3c ,3d ;3c' ;3c' ) einen zweiten Anker (3a ,3b ;3a' ,3b' ) aufweist und derart verbogen wird, dass der zweite Anker (3a ,3b ;3a' ,3b' ) die Oberfläche (O) des Substrats berührt und dann mit der Oberfläche (O) des Substrats (1 ) verbunden wird. - Verfahren nach Anspruch 18 oder 20, wobei das Verbinden durch anodisches Bonden erreicht wird.
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