DE102008044270A1

DE102008044270A1 - Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil und mikromechanisches Bauteil

Info

Publication number: DE102008044270A1
Application number: DE102008044270A
Authority: DE
Inventors: Hubert Benzel; Christoph Schelling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-12-03
Also published as: DE102008044270B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Schritten: Herausätzen eines beweglichen Teils (65), einer ersten Aufhängefeder (66a) und einer zweiten Aufhängefeder (66b) aus einer mikromechanischen Funktionsschicht; Aufbringen einer ersten Beschichtung (74a) auf die erste Aufhängefeder (66a) und Aufbringen einer zweiten Beschichtung (74b) auf die zweite Aufhängefeder (66b); wobei das bewegliche Teil (65) aufgrund einer Differenz zwischen einer ersten mechanischen Gesamt-Eigenspannung der beschichteten ersten Aufhängefeder (66a, 74a) und einer zweiten mechanischen Gesamt-Eigenspannung der beschichteten zweiten Aufhängefeder (66b, 74b) in einem Neigungswinkel ungleich 0° und ungleich 180° gegenüber dem Grundsubstrat (50) ausgerichtet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein entsprechendes mikromechanisches Bauteil.

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein mikromechanisches Bauteil.
Stand der Technik
1 zeigt eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Mikrospiegels.
Das als Mikrospiegel ausgebildete mikromechanische Bauteil dient beispielsweise in einem Projektor dazu, einen einfallenden Laserstrahl 10 auf eine Bildebene 12 abzulenken. Auf diese Weise ist mittels des Mikrospiegels ein Videobild auf der Bildebene 12 projizierbar.
Zum Ablenken des einfallenden Laserstrahls 10 weist der Mikrospiegel ein gegenüber einem Substrat 14 verstellbares Spiegelelement 16 auf. Das Verstellen des Spiegelelements 16 um eine durch das Spiegelelement 16 verlaufende Drehachse kann mittels eines elektrostatischen, elektromagnetischen und/oder thermischen Antriebs erfolgen. Herkömmlicherweise bevorzugt man zum Verstellen des Spiegelelements 16 einen elektrostatischen Antrieb.
Ein geeigneter elektrostatischer Antrieb weist häufig drei voneinander unabhängig ansteuerbare Elektroden auf. Oft sind zwei der Elektroden als Stator-Elektroden in einer ersten Elektrodenebene und die als Aktor-Elektrode fungierende dritte Elektrode in einer zweiten Elektrodenebene angeordnet. Die Stator-Elektroden sind in einem ersten Abstand unverstellbar gegenüber dem Substrat 14 angeordnet. Die Aktor-Elektrode ist in der Regel in einem zweiten Abstand von dem Substrat 14 an dem Spiegelelement 16 befestigt. Beispielsweise verwendet man als Elektrodenkämme ausgebildete Elektroden.
Liegt keine Spannung zwischen den Elektroden des elektrostatischen Antriebs an, so befindet sich das Spiegelelement 16 in einer spannungslosen Ausgangsstellung St0, in welcher das Spiegelelement 16 parallel zu einer Oberfläche des Substrats 14 und zu einem Lichtfenster 18 ausgerichtet ist. Die Anordnung der Elektroden ist herkömmlicherweise so gewählt, das die an einer Torsionsachse beweglich aufgehängte Aktor-Elektrode vertikal von den Stator-Elektroden beabstandet ist.
Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen einer Stator-Elektrode und der Aktor-Elektrode kann der Abstand zwischen den beiden Elektroden mit der angelegten Spannung reduziert und das Spiegelelement 16 aus seiner spannungslosen Ausgangsstellung St0 in eine von zwei möglichen (entgegen gerichteten) Drehrichtungen um jeweils einen maximalen Auslenkwinkel αSt1 oder αSt2 in die Endstellungen St1 und St2 verstellt werden.
Der schematisch wiedergegebene herkömmliche Mikrospiegel weist jedoch den Nachteil auf, dass der Laserstrahl 10 teilweise an dem Lichtfenster 18 reflektiert wird und als Lichtfenster-Reflexion 20 auf die Bildebene 12 trifft. Insbesondere kann der Ablenkwinkel γL zwischen dem einfallenden Laserstrahl 10 und der Lichtfenster-Reflexion 20 gleich dem Ablenkwinkel γSt0 sein, um welchen der einfallende Laserstrahl 10 an dem in der spannungslosen Ausgangsstellung St0 vorliegenden Spiegelelement 16 als Spiegel-Reflexion 22 abgelenkt wird. Es ist somit kaum möglich, die Lichtfenster-Reflexion 20 von der Spiegel-Reflexion 22, beispielsweise mittels einer Blende 24, zu trennen.
Ein weiterer Nachteil vieler herkömmlicher elektrostatischer Mikrospiegel mit zwei Stator-Elektroden und einer Aktor-Elektrode liegt darin, dass die drei Elektroden von einer Steuerschaltung separat angesteuert werden müssen.
Des Weiteren beinhalten die Herstellungsverfahren der Elektroden eines herkömmlichen Mikrospiegels vergleichsweise aufwändige Verfahrensschritte. Beispielsweise werden dabei zwei Schichten eines für Elektroden geeigneten Materials in verschiedenen Ebenen parallel zu einem Substrat sukzessive abgeschieden. Bei dem nachfolgenden Strukturieren und Freilegen der zwei Stator-Elektroden und der Aktor-Elektrode muss sichergestellt werden, dass die in einer ersten Elektrodenebene angeordneten zwei Stator-Elektroden und die in einer parallelen zweiten Elektrodenebene angeordnete Aktor-Elektrode exakt zueinander ausgerichtet werden. Das Herstellen eines herkömmlichen Mikrospiegels mit zwei in der ersten Elektrodenebene angeordneten Stator-Elektroden und einer in der parallelen zweiten Elektrodenebene angeordneten Aktor-Elektrode ist deshalb vergleichsweise teuer.
Des Weiteren ist es wünschenswert, die Größe eines herkömmlichen Mikrospiegels auf kostengünstige Weise zu minimieren, da ein häufiges Einsetzen des Mikrospiegels in Systemen im Consumerbereich oder im Kraftfahrzeug eine geringe Größe und ein kostengünstiges Herstellungsverfahren des Mikrospiegels vorteilhaft machen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Unter der ersten mechanischen Gesamt-Eigenspannung der beschichten ersten Aufhängefeder wird eine über das Material der mikromechanischen Funktionsschicht und mindestens der ersten Beschichtung der ersten Aufhängefeder ermittelte mechanischen Gesamt-Eigenspannung verstanden. Entsprechend wird unter der zweiten mechanischen Gesamt-Eigenspannung der zweiten Beschichtung eine über das Material der mikromechanischen Funktionsschicht und mindestens der zweiten Beschichtung der zweiten Aufhängefeder ermittelte mechanischen Gesamt-Eigenspannung verstanden. Das automatische Verstellen des beweglichen Teils aufgrund der Differenz zwischen der ersten mechanischen Gesamt-Eigenspannung und der zweiten mechanischen Gesamt-Eigenspannung um den Neigungswinkel erfolgt ohne eine Fremdkrafteinwirkung. Die vorliegende Erfindung bietet somit einfach ausführbare und kostengünstige Möglichkeiten, um das bewegliche Teil in einer geneigten Stellung gegenüber dem Grundsubstrat anzuordnen.
Aufgrund der relativ wenigen Prozessschritte, welche bei dem Herstellungsverfahren ausgeführt werden, ist es vergleichsweise kostengünstiger ausführbar. Insbesondere ist das Herstellungsverfahren als Waferprozess ausführbar. Dies reduziert die Herstellungskosten für das mikromechanische Bauteil zusätzlich.
Vorzugsweise wird ein bewegliches Teil mit mindestens einer Aktor-Elektrode, welche einstückig an dem beweglichen Teil ausgebildet wird, aus der mikromechanischen Funktionsschicht herausgeätzt, und mindestens eine Stator-Elektrode wird fest gegenüber dem Grundsubstrat angeordnet, wobei elektrische Kontakte gebildet werden, mittels welchen eine elektrische Spannung ungleich Null zwischen der mindestens einen Aktor-Elektrode des beweglichen Teils und der mindestens einen Stator-Elektrode anlegbar ist. Damit eine elektro statische Kraft zwischen einer Stator-Elektrode und einer Aktor-Elektrode auftritt, ist es notwendig, dass Aktor-Elektrode und Stator-Elektrode ihre spannungslosen Ausgangsstellungen in verschiedenen Ebenen haben. Ein auslenkendes elektrostatisches Drehmoment zwischen einem Aktor-Elektrodenkamm und einem Stator-Elektrodenkamm tritt nur dann auf, wenn der Aktor-Elektrodenkamm zumindest teilweise außerhalb der Ebene des Stator-Elektrodenkamms liegt. Für eine Anordnung der Aktor-Elektrode zumindest teilweise außerhalb der Ebene der Stator-Elektrode bietet die vorliegende Erfindung Möglichkeiten, um die Aktor-Elektrode vor einem Betrieb des mikromechanischen Bauteils durch mechanische Kräfte, welche aufgrund der Differenz zwischen den mechanischen Eigenspannungen auftreten, vorauszulenken. Diese Vorauslenkung erfolgt automatisch ohne eine angelegte elektrische Spannung. Die Vorauslenkung ist somit kostengünstig und auf einfache Weise ausführbar.
Insbesondere kann dabei mindestens ein Elektrodenfinger der mindestens einen Aktor-Elektrode des beweglichen Teils aufgrund der Differenz zwischen der ersten mechanischen Gesamt-Eigenspannung und der zweiten mechanischen Gesamt-Eigenspannung um den Neigungswinkel geneigt zu mindestens einem Elektrodenfinger der mindestens einen Stator-Elektrode ausgerichtet werden. Gegenüber dem Stand der Technik mit drei unabhängigen Elektroden müssen bei dem Ansteuern der an die Elektroden angelegten Potenziale nur zwei statt wie herkömmlich drei Elektrodenpotenziale gesteuert werden. Dies gewährleistet eine einfachere und damit kleiner ausführbare Steuerschaltung. Gleichzeitig wird durch die erfindungsgemäße Anordnung nahezu eine Verdoppelung des Drehmoments pro Länge der Aufhängeachse im Vergleich zu den herkömmlichen Konzepten mit drei Elektrodenpotenzialen nach dem Stand der Technik dadurch erreicht, dass die Elektroden auf beiden Seiten der Torsionsachse ein Drehmoment in dieselbe Richtung aufbringen. Somit ist bei dem hier beschriebenen mikromechanischen Bauteil ein hohes Drehmoment zum Verstellen eines verstellbaren Teils realisiert. Da das Drehmoment pro Länge der Aufhängeachse gegenüber dem Stand der Technik deutlich steigerbar ist, ist somit auch eine kleinere Baugröße des mikromechanischen Bauteils erreichbar.
Vorteilhafterweise wird die mindestens eine Stator-Elektrode aus der mikromechanischen Funktionsschicht herausgeätzt. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren bietet somit den Vorteil, dass alle Elektroden des mikromechanischen Bauteils kostengünstig in einer Ebene aus derselben Schicht strukturierbar und somit genau zueinander positionierbar sind. Das aufwändige Aufbringen, Strukturieren und Opferschichtätzen einer zweiten Elektrodenschicht, welches nach dem Stand der Technik zum Herstellen eines Out-Of-Plane-Antriebs erforderlich ist, entfallen somit. Abgesehen von dem einfach ausführbaren Verstellen der Aktor-Elektrode gegenüber der Stator-Elektrode ist keine weitere Justage der beiden Elektroden zueinander notwendig. Da das Verstellen der Aktor-Elektrode gegenüber der mindestens einen Stator-Elektrode quasi automatisch erfolgt, ist das Verstellen der Aktor-Elektrode gegenüber der Stator-Elektrode nicht mit dem Aufwand verbunden, welchen eine herkömmliche Justage der beiden Elektroden zueinander erfordert. Somit erfordert das Herstellen der Elektroden lediglich das Aufbringen einer mikromechanischen Funktionsschicht und einen Lithographieschritt zum gleichzeitigen Festlegen der Form der Elektroden.
Beispielsweise wird als erste Beschichtung ein erstes Material mit einer gegenüber der mikromechanischen Funktionsschicht größeren extrinsischen Eigenspannung und/oder intrinsischen Eigenspannung auf die erste Aufhängefeder und als zweite Beschichtung ein zweites Material mit einer gegenüber der mikromechanischen Funktionsschicht kleineren extrinsischen Eigenspannung und/oder intrinsischen Eigenspannung auf die zweite Aufhängefeder aufgebracht. Ebenso kann als erste Beschichtung ein erstes Material mit einem gegenüber der mikromechanischen Funktionsschicht größeren Temperaturausdehnungskoeffizienten auf die erste Aufhängefeder und als zweite Beschichtung ein zweites Material mit einem gegenüber der mikromechanischen Funktionsschicht kleineren Temperaturausdehnungskoeffizienten auf die zweite Aufhängefeder aufgebracht werden, wobei die erste Beschichtung und die zweite Beschichtung anschließend abgekühlt werden. Dabei sind zahlreiche kostengünstige Materialien verwendbar.
Bevorzugterweise wird ein erster Abstand zwischen dem ersten Übergangsbereich und dem Grundsubstrat aufgrund der Differenz zwischen der ersten mechanischen Gesamt-Eigenspannung und der zweiten mechanischen Gesamt-Eigenspannung vergrößert und ein zweiter Abstand zwischen dem zweiten Übergangsbereich und dem Grundsubstrat aufgrund der Differenz zwischen der ersten mechanischen Gesamt-Eigenspannung und der zweiten mechanischen Gesamt-Eigenspannung reduziert. Somit kann das bewegliche Teil über das Vergrößern des ersten Abstands und über das Reduzieren des zweiten Abstands aus einer ersten Stellung, in welcher das bewegliche Teil aus der mikromechanischen Funktionsschicht herausgeätzt wird, in eine zweite Stellung ungleich der ersten Stellung verstellt werden. Insbesondere kann das bewegliche Teil auf diese Weise um eine Drehachse aus der ersten Stellung in die zweite Stellung gedreht werden. Somit ist das mechanische Verstellen des beweglichen Teils in eine gewünschte spannungslose Ausgangsstellung auf einfache Weise ausführbar.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Herstellungsverfahren die zusätzlichen Schritte: Ausführen eines Rückseiten-Trenchens an einem Aufbau zumindest aus dem Grundsubstrat, einer Opferschicht, welche eine Oberseite des Grundsubstrats zumindest teilweise abdeckt, und der mikromechanischen Funktionsschicht, welche eine Oberseite der Opferschicht zumindest teilweise abdeckt, zum Ätzen mindestens einer Kaverne in das Grundsubstrat, wobei die Opferschicht als Ätzstoppschicht verwendet wird; Ausführen eines Vorderseiten-Trenchens für das Herausätzen zumindest des beweglichen Teils, der ersten Aufhängefeder und der zweiten Aufhängefeder aus der mikromechanischen Funktionsschicht; und zumindest teilweises Wegätzen der Opferschicht unter Verwendung der mindestens einen in das Grundsubstrat geätzten Kaverne. Die Vorteile der Bulk-Mikromechanik sind bei dieser Ausführungsform des Herstellungsverfahrens gewährleistet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Herstellungsverfahren die zusätzlichen Schritte: Ausführen eines ersten Vorderseiten-Trenchens an einem Aufbau zumindest aus dem Grundsubstrat, einer Opferschicht aus Siliziumgermanium, welche eine Oberseite des Grundsubstrats zumindest teilweise abdeckt, und der mikromechanischen Funktionsschicht, welche eine Oberseite der Opferschicht zumindest teilweise abdeckt, für das Herausätzen zumindest des beweglichen Teils, der ersten Aufhängefeder und der zweiten Aufhängefeder aus der mikromechanischen Funktionsschicht; und Ausführen eines zweiten Vorderseiten-Trenchens unter Verwendung von ClF₃ und/oder XeF₂ für ein zumindest teilweises Wegätzen der Opferschicht. Ein Rückseiten-Trenchen ist bei dieser Ausführungsform nicht notwendig. Somit entfällt auch eine präzise Justierung der Substrat-Vorderseite zu der Substrat-Rückseite, welche bei einer beidseitigen Strukturierung des Substrats erforderlich ist.
In einer Weiterbildung werden beim ersten Vorderseiten-Trenchen durchgehende Ätzöffnungen in das bewegliche Teil geätzt. Dies erleichtert das Unterätzen des beweglichen Teils.
Abhängig von einer Opferschichtdicke einer Opferschicht, welche sich zwischen einem Substrat und der mikromechanischen Funktionsschicht befindet, sind große Verstellbewegungen/Auslenkungen des beweglichen Teils möglich. Des Weiteren ist die Integration einer integrierten Schaltung möglich.
Die in den oberen Absätzen beschriebenen Vorteile sind auch bei einem entsprechenden mikromechanischen Bauteil gewährleistet. Das mikromechanische Bauteil ist beispielsweise in einem Head-up-Display im Kfz-Bereich oder in einem Miniprojektor im Consumer-Bereich einsetzbar. Denkbar ist auch eine Verwendung des mikromechanischen Bauteils als Schalter in einem optischen Netzwerk (Optical-Cross-Connect) oder in einem Oberflächenscanner. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass das mikromechanische Bauteil nicht auf diese Anwendungsmöglichkeiten eingeschränkt ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das bewegliche Teil ein Spiegelelement, welches einstückig an dem beweglichen Teil ausgebildet ist. Zusätzlich umfasst das mikromechanische Bauteil ein Lichtfenster, zu welchem das Spiegelelement bei einer zwischen der mindestens einen Aktor-Elektrode und der mindestens einen Stator-Elektrode anliegenden elektrischen Spannung gleich Null um den ersten Neigungswinkel geneigt ausgerichtet ist. Dadurch ist es möglich, ein zur Substratoberfläche paralleles Lichtfenster, z. B. eine Glasplatte, zu montieren, ohne dass dabei störende Reflexionen auftreten. Gleichzeitig ist der Mikrospiegel vor Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Staub, Schmutz und/oder Feuchtigkeit, geschützt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Mikrospiegels;
2A bis 2E eine Draufsicht und vier Querschnitte zum Darstellen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
3 eine Draufsicht zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
4 ein Flussdiagramm zum Darstellen einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil; und
5 ein Flussdiagramm zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Ausführungsformen der Erfindung
2A bis 2E zeigen eine Draufsicht und vier Querschnitte zum Darstellen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 2A als Draufsicht schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil ist als Mikrospiegel mit einem gegenüber einem Grundsubstrat 50 verstellbaren Spiegelelement 52 ausgebildet. Das Spiegelelement 52 weist eine reflektierende Oberfläche auf, welche beispielsweise mittels eines Polierens und/oder eines Beschichtens der Oberseite des Spiegelelements 52 hergestellt wird. Durch die reflektierende Oberfläche des Spiegelelements 52 verläuft eine Drehachse 54, um welche das Spiegelelement 52 gegenüber dem Grundsubstrat 50 verstellbar ist.
Vorzugsweise ist das mikromechanische Bauteil spiegelsymmetrisch zu der Drehachse 54 ausgebildet. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Masseverteilung gegenüber der Drehachse 54 und erleichtert das Verstellen des Spiegelelements 52 um die Drehachse 54. Zusätzlich kann das mikromechanische Bauteil, wie in 2A dargestellt, eine weitere Symmetrieachse 56 haben, welche senkrecht zu der Drehachse 54 ausgerichtet ist und bzgl. welcher das mikromechanische Bauteil spiegelsymmetrisch ausgebildet ist.
An dem Spiegelelement 52 sind zwei Aktor-Elektrodenkämme 58 befestigt, wobei in 2A jedoch nur einer der beiden Aktor-Elektrodenkämme 58 dargestellt ist. Die Aktor-Elektrodenkämme 58 sind so an dem Spiegelelement 52 angeordnet, dass die zugehörigen Elektrodenfinger 58a sich an beiden Seiten der Drehachse 54 senkrecht zu der Drehachse 54 erstrecken.
Zusätzlich zu den beiden Aktor-Elektrodenkämmen 58 weist das mikromechanische Bauteil vier Stator-Elektrodenkämme 60 auf, welche fest an dem Grundsubstrat 50 angeordnet sind. Eine Bewegung des Spiegelelements 52 und der Aktor-Elektrodenkämme 58 um die Drehachse 54 bewirkt somit keine Veränderung der Stellungen der Stator-Elektrodenkämme 60 gegenüber dem Grundsubstrat 50. Mittels mindestens eines Spacers 62, welcher zwischen jedem Stator-Elektrodenkamm 60 und dem Grundsubstrat 50 angeordnet und zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist, ist gewährleistet, dass die Stator-Elektrodenkämme 60 von dem Grundsubstrat 50 elektrisch isoliert sind.
Je zwei Stator-Elektrodenkämme sind auf einer Seite der Drehachse 54 über ihre Spacer 62 an dem Grundsubstrat 50 befestigt. Die Elektrodenfinger 60a der Stator-Elektrodenkämme 60 sind senkrecht zu der Drehachse 54 ausgerichtet, wobei die Abstände zwischen den E lektrodenfingern 58a und 60a zweier benachbarter Elektrodenkämme 58 und 60 vorzugsweise möglichst klein gewählt sind, um ein möglichst hohes Drehmoment zwischen dem jeweiligen Aktor-Elektrodenkamm 58 und dem benachbarten Stator-Elektrodenkamm 60 zu gewährleisten. Insbesondere können die Elektrodenfinger 58a der Aktor-Elektrodenkämme 58 zumindest teilweise in die Elektrodenfinger-Zwischenräume der Elektrodenfinger 60a der Stator-Elektrodenkämme 60 hineinragen. Das hier beschriebene mikromechanische Bauteil ist nicht auf eine bestimmte Anzahl von Elektrodenfingern 58a oder 60a beschränkt.
An jeder dem Spiegelelement 52 gegenüber liegenden Seite eines Aktor-Elektrodenkamms 58 ist eine Feder 64 ausgebildet. Die Federn 64 können beispielsweise Torsionsfedern sein. Vorzugsweise erstrecken sich die Längsrichtungen der beiden Federn 64 entlang der Drehachse 54.
Das Spiegelelement 52, die beiden Aktor-Elektrodenkämme 58 und die beiden Federn 64 sind so aneinander befestigt, dass ein Abtrennen des Spiegelelements 52, eines Aktor-Elektrodenkamms 58 oder einer Feder 64 eine Kraft erfordert, welche zur Beschädigung des mikromechanischen Bauteils führt. Insbesondere sind das Spiegelelement 52, die beiden Aktor-Elektrodenkämme 58 und die beiden Federn 64 einstückig aus einer mikromechanischen Funktionsschicht hergestellt. Der besseren Anschaulichkeit wegen wird der aus dem Spiegelelement 52, den beiden Aktor-Elektrodenkämmen 58 und den beiden Federn 64 bestehende einstückige Komplex im Weiteren als bewegliches Teil 65 bezeichnet, wobei das bewegliche Teil 65 zumindest teilweise um die Drehachse 54 drehbar ist.
Es wird hier darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf mikromechanische Bauteile beschränkt ist, welche ein bewegliches Teil 65 mit einem Spiegelelement 52 aufweisen. Stattdessen können auch andere bewegliche Teile 65 auf die hier im Weiteren beschriebene Weise verstellt werden.
Das bewegliche Teil 65 ist über insgesamt vier Aufhängefeder 66a und 66b beabstandet von der Oberfläche des Grundsubstrats 50 aufgehängt. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl oder Anordnung der Aufhängefeder 66a und 66b zum beabstandeten Aufhängen des beweglichen Teils 65 gegenüber dem Grundsubstrat 50 beschränkt ist. Im Weiteren werden zwei der vier Aufhängefedern 66a und 66b der Ausführungsform der 2A bis 2E beschrieben. Für einen Fachmann ist die Ausbildung der anderen beiden Aufhängefedern 66a und 66b aufgrund der Spiegelsymmetrie bzgl. der Symmetrieachse 56 offensichtlich.
Eine erste Aufhängefeder 66a der beiden beschriebenen Aufhängefeder 66a und 66b ist über eine an einem ersten Ende der ersten Aufhängefeder 66a ausgebildete Verankerung 68 mit dem Grundsubstrat 50 verbunden. An einem zweiten Ende ist die erste Aufhängefeder 66a über einen ausgebildeten ersten Übergangsbereich 72a einstückig mit dem beweglichen Teil 65 verbunden. Entsprechend ist auch die zweite Aufhängefeder 66b der beiden beschriebenen Aufhängefeder 66a und 66b über eine an einem ersten Ende der zweiten Aufhängefeder 66b ausgebildete Verankerung 68 mit dem Grundsubstrat 50 und über einen an einem zweiten Ende der zweiten Aufhängefeder 66b ausgebildeten zweiten Übergangsbereich 72b einstückig mit dem beweglichen Teil 65 verbunden. Die Verankerungen 68 sind mittels je eines Spacers 70 elektrisch von dem Grundsubstrat 50 isoliert. Die aus einem isolierenden Material, beispielsweise einem Oxid, gebildeten Spacer 70 sind jeweils zwischen einer Verankerung 68 und dem Grundsubstrat 50 angeordnet.
Es wird hier darauf hingewiesen, dass die Aufhängefedern 66a und 66b zusammen mit dem beweglichen Teil 65 aus der mikromechanischen Funktionsschicht herausstrukturiert sind. Die Aufhängefedern 66a und 66b und das bewegliche Teil 65 sind einstückig ausgebildet. Somit liegen keine Trennflächen zwischen den Übergangsbereichen 72a und 72b und der zugehörigen Aufhängefeder 66a oder 66b oder zwischen den Übergangsbereichen 72a und 72b und dem beweglichen Teil 65. Stattdessen sind die Übergangsbereiche 72a und 72b lediglich definierbare Bereiche. Als Übergangsbereich 72a oder 72b ist beispielsweise ein Zwischenbereich definierbar, an welchem ein parallel zu der Drehachse 54 ausgerichteter erster Bereich des drehbaren Teils in einen zu der Drehachse 54 nicht-parallel ausgerichteten zweiten Bereich einer Aufhängefeder 66a oder 66b übergeht.
Auch die Stator-Elektrodenkämme 60 können aus der mikromechanischen Funktionsschicht herausstrukturiert werden. Das Herausstrukturieren der Stator-Elektrodenkämme 60, der Aufhängefedern 66a und 66b und des beweglichen Teils 65 aus der mikromechanischen Funktionsschicht kann in einem einzigen Ätzverfahren erfolgen. Auf mögliche Ausführungen für ein Herstellungsverfahren für das hier beschriebene mikromechanische Bauteil wird unten noch eingegangen.
Die erste Aufhängefeder 66a weist eine erste Beschichtung 74a aus einem ersten Material auf. Bei dem hier dargestellten Beispiel deckt die Beschichtung 74a eine von dem Grundsubstrat 50 abgewandte Oberseite der ersten Aufhängefeder 66a nur teilweise ab. Die Beschichtung 74a kann sich jedoch über die gesamte Länge der ersten Aufhängefeder 66a erstrecken. Entsprechend weist auch die Oberseite der zweiten Aufhängefeder 66b eine zweite Beschichtung 74b aus einem zweiten Material auf.
Als Alternative oder als Ergänzung zu den Beschichtungen 74a und 74b auf den Oberseiten der Aufhängefedern 66a und 66b können auch die Unterseiten der Aufhängefedern 66a und 66b mit geeigneten Materialien beschichten werden. Die vorliegende Erfindung ist somit nicht auf ein Beschichten der Oberseiten der Aufhängefedern 66a und 66b beschränkt.
2B zeigt einen Querschnitt durch den Mikrospiegel entlang der Linie AA' der 2A zum Darstellen der Funktion der Beschichtungen 74a und 74b.
Das erste Material der ersten Beschichtung 74a weist eine erste mechanische Eigenspannung auf, welche von der mechanischen Eigenspannung (des Materials) der mikromechanischen Funktionsschicht, aus welcher auch die erste Aufhängefeder 66a gebildet ist, abweicht. Die Differenz zwischen der ersten mechanischen Eigenspannung und der mechanischen Eigenspannung der mikromechanischen Funktionsschicht kann beispielsweise so gewählt werden, dass auf die erste Aufhängefeder 66a aufgrund der mechanischen Eigenspannungs-Differenz eine erste Kraft F1 wirkt, welche Teilbereiche der ersten Aufhängefeder 66a in eine dem Grundsubstrat 50 entgegen gerichtete Richtung drückt. Beispielsweise wird eine von der ersten Beschichtung 74a bedeckte Fläche der ersten Aufhängefeder 66a durch die erste Kraft F1 so gebogen, dass sie eine Wölbung in die dem Grundsubstrat 50 entgegen gerichtete Richtung aufweist. Insbesondere wird auf diese Weise der erste Übergangsbereich 72a von dem Grundsubstrat 50 zumindest um eine kleine Wegstrecke weggedrückt. Der erste Übergangsbereich 72a wird somit durch die Kraft F1 aus einem ersten Abstand d1 zum Grundsubstrat 50, in welchem der erste Übergangsbereich 72a aus der mikromechanischen Funktionsschicht herausgeätzt wird, in einen zweiten Abstand d2 zu dem Grundsubstrat 50 verstellt. Der erste Abstand d1 ist dabei kleiner als der zweite Abstand d2.
Die auf die zweite Aufhängefeder 66b aufgebrachte zweite Beschichtung 74b umfasst ein zweites Material, dessen zweite mechanische Eigenspannung von der mechanischen Eigenspannung (des Materials) der mikromechanischen Funktionsschicht ebenfalls abweicht. Die Differenz zwischen der zweiten mechanischen Eigenspannung und der mechanischen Eigenspannung der mikromechanischen Funktionsschicht ist so festgelegt, dass auf die zweite Aufhängefeder 66b aufgrund der mechanischen Eigenspannungs-Differenz eine zweite Kraft F2 wirkt, welche Teilbereiche der zweiten Aufhängefeder 66b in Richtung des Grundsubstrats 50 verstellt. Eine mit dem zweiten Material bedeckte Fläche der zweiten Aufhängefe der 66b wird beispielsweise durch die Kraft F2 in eine Wölbung in Richtung des Grundsubstrats 50 gebogen. Insbesondere wird der zweite Übergangsbereich 72b aus dem ersten Abstand d1 zu dem Grundsubstrat 50 in einen kleineren dritten Abstand d3 gegenüber dem Grundsubstrat 50 verstellt.
Die mechanischen Eigenspannungs-Differenzen bewirken somit Druck- und Zuspannungen auf die Aufhängefedern 66a und 66b. Geeignete mechanische Eigenspannungs-Differenzen können extrinsische Eigenspannungs-Differenzen und/oder intrinsische Eigenspannungs-Differenzen sein. Beispielsweise kann die erste Beschichtung 74a ein erstes Material aufweisen, dessen erster Temperaturausdehnungskoeffizient größer als der Temperaturausdehnungskoeffizient (des Materials) der mikromechanischen Funktionsschicht ist. Entsprechend kann die zweite Beschichtung 74b aus einem zweiten Material bestehen, wobei der zweite Temperaturausdehnungskoeffizient der zweiten Beschichtung 74b kleiner als der Temperaturausdehnungskoeffizient der mikromechanischen Funktionsschicht ist. Vorzugsweise werden in diesem Fall die erste Beschichtung 74a und die zweite Beschichtung 74b mit einer erhöhten Temperatur auf der zugehörigen Aufhängefeder 66a oder 66b aufgebracht. Ein nachfolgender Abkühlvorgang bewirkt in diesem Fall ein unterschiedliches Zusammenziehen der Beschichtungen 74a und 74b gegenüber der zugehörigen Aufhängefeder 66a oder 66b und somit eine Ein- oder Auswölbung der beschichteten Flächen.
Aufgrund der entgegen gerichteten Kräfte F1 und F2 und das dadurch bewirkte Verstellen des ersten Übergangsbereichs 72a und des zweiten Übergangsbereichs 72b in zwei entgegen gerichtete Richtungen wird auch das bewegliche Teil 65 gegenüber dem Grundsubstrat 50 verstellt. Dabei bewirken die Beschichtungen 74a und 74b ein Drehen des beweglichen Teils 65 aus einer ersten Stellung, in welcher das bewegliche Teil 65 aus der mikromechanischen Funktionsschicht herausgeätzt wird, in eine zweite Stellung ungleich der ersten Stellung in Bezug auf das Grundsubstrat 50. Insbesondere führen die Beschichtungen 74a und 74b zu einem Herausdrehen des beweglichen Teils 65 um die Drehachse 54 aus einer Ebene der Elektrodenfinger 60a der Stator-Elektrodenkämme 60.
Das Beschichten der Aufhängefedern 66a und 66b erfolgt so, dass die beschichte erste Aufhängefeder 66a eine erste mechanische Gesamt-Eigenspannung und die beschichtete zweite Aufhängefeder 66b eine von der ersten mechanischen Gesamt-Eigenspannung abweichende zweite mechanische Gesamt-Eigenspannung aufweisen. Aufgrund einer Differenz zwischen der ersten mechanischen Gesamt-Eigenspannung und der zweiten mechanischen Gesamt-Eigenspannung wird das bewegliche Teil 65 in einem Neigungswinkel ungleich 0° und ungleich 180°, welcher im Weiteren als Vorauslenkwinkel Ω bezeichnet wird, gegenüber dem Grundsubstrat 50 ausgerichtet. Es wird hier ausdrücklich darauf hingewiesen, dass dieses Ausrichten des planar ausgebildeten beweglichen Teils 65 aus der ersten Stellung in die zweite Stellung gegenüber dem Grundsubstrat 50 lediglich aufgrund der Kräfte F1 und F2 ohne eine Fremdkrafteinwirkung erfolgt.
Wie in 2B zu erkennen ist, werden insbesondere die Elektrodenfinger 58a des Aktor-Elektrodenkamms 58 durch die Kräfte F1 und F2, bzw. aufgrund der Differenz zwischen der ersten mechanischen Gesamt-Eigenspannung und der zweiten mechanischen Gesamt-Eigenspannung, um den Vorauslenkwinkel Ω gegenüber den Elektrodenfingern 60a der Stator-Elektrodenkämme 60 gedreht. Somit sind die Elektrodenfinger 58a des Aktor-Elektrodenkamms 58 in ihrer spannungslosen Ausgangsstellung, d. h. ohne eine zwischen den Elektrodenkämmen 58 und 60 anliegende Spannung U (U = 0 V), in einem Neigungswinkel gleich dem Vorauslenkwinkel Ω geneigt zu den Elektrodenfingern 60a der Stator-Elektrodenkämme 60 ausgerichtet. Entsprechend wird auch das Spiegelelement 52 durch die Kräfte F1 und F2 in seiner spannungslosen Ausgangsstellung um den Vorauslenkwinkel geneigt zu dem Grundsubstrat 50 ausgerichtet.
Es wird hier darauf hingewiesen, dass die Vorauslenkung des beweglichen Teils 65 um den Vorauslenkwinkel Ω nicht das Anlegen einer Spannung erfordert. Beispielsweise wird nur der Bimorph-Effekt oder der analoge Bi-Metall-Effekt genutzt, um das bewegliche Teil 65 um den Vorauslenkwinkel Ω vorauszulenken.
2C und 2D zeigen jeweils einen Querschnitt entlang der Linien BB' und AA' der 2A zum Darstellen einer Funktionsweise des Mikrospiegels.
Ohne eine zwischen den Elektrodenkämmen 58 und 60 anliegende Spannung U (U = 0 V) ist der aktuelle Neigungswinkel zwischen den Elektrodenfingern 58a und 60a der Elektrodenkämme 58 und 60 gleich dem Vorauslenkwinkel Ω (2C).
Wird eine Spannung ungleich 0 V zwischen dem Aktor-Elektrodenkamm 58 und den Stator-Elektrodenkämmen 60 angelegt, so bewirkt die elektrostatische Kraft ein Drehmoment auf das bewegliche Teil 65, welches zu einer Drehung des beweglichen Teils 65 um die Drehachse 54 und zu einer Reduzierung des aktuellen Neigungswinkels zwischen den Elektrodenfingern 58a und 60a führt. Vorteilhafterweise liegen alle Stator-Elektrodenkämme 60 beidseits der Torsionsachse 54 auf demselben Elektrodenpotential. Entsprechend wird auch das Spiegelelement 52 aufgrund der angelegten Spannung ungleich 0 V so verstellt, dass es einen gegenüber dem Vorauslenkwinkel Ω kleineren aktuellen Neigungswinkel zu dem Grundsubstrat 50 aufweist. Auf diese Weise kann ein auf das Spiegelelement 52 auftreffender Lichtstrahl beispielsweise so abgelenkt werden, dass auf einer Bildfläche ein Bild projiziert wird.
Wie anhand der 2D deutlich wird, weist der dargestellte Mikrospiegel mit der Vorauslenkung um den Vorauslenkwinkel Ω den Vorteil auf, dass die Stator-Elektrodenkämme 60 parallel schaltbar sind und so die doppelte Kraftwirkung erzeugbar ist. Die Elektrodenfinger 58a des Aktor-Elektrodenkamms 58 werden auf beiden Seiten der Drehachse 54 durch Anlegen der Spannung zwischen die Elektrodenfinger 60a der Stator-Elektrodenkämme 60 gezogen.
Mittels einer in dem Grundsubstrat 50 ausgebildeten Kaverne 76 kann die Beweglichkeit der Elektrodenfinger 58a des Aktor-Elektrodenkamms 58 und des Spiegelelements 52 verbessert werden. Die Kaverne 76 wird beispielsweise über einen Rückseiten-Trench unter den Elektrodenfingern 58a des Aktor-Elektrodenkamms 58 und unter dem Spiegelelement 52 gebildet.
In 2D ist die angelegte Spannung ungleich 0 V ausreichend hoch gewählt um die Elektrodenfinger 58a des Aktor-Elektrodenkamms 58 und das Spiegelelement 52 in eine Endstellung zu verstellen, in welcher die Elektrodenfinger 58a des Aktor-Elektrodenkamms 58 und das Spiegelelement 52 parallel zu dem Grundsubstrat 50 ausgerichtet sind.
Durch eine geeignete Wahl der angelegten Spannung U können beliebige Spiegelverkippungen zwischen der spannungslosen Ausgangsstellung (2B und 2C) und der maximalen Auslenkung/Verkippung (2D) eingestellt werden. Im resonanten Betrieb können durch das Trägheitsmoment des Spiegelelements 52 sogar mittels relativ kleiner Ansteuerspannungen Spiegelverkippungen erreicht werden, welche größer als die in 2D gezeigte maximale Verkippung um den Vorauslenkwinkel Ω sind.
2E zeigt einen Gesamtquerschnitt durch den Mikrospiegel zum Darstellen eines weiteren Vorteils.
Aufgrund der Vorauslenkung des Spiegelelements 52 um den Vorauslenkwinkel Ω ist das Spiegelelement 52 in seiner spannungslosen Ausgangsstellung St0' geneigt zu dem Grund substrat 50 und dem Lichtfenster 18 angeordnet. Für den Winkel γSt0', um welchen der Laserstrahl 10 an dem in der spannungslosen Ausgangsstellung St0' angeordneten Spiegelelement 52 als Spiegel-Reflexion 22' abgelenkt wird, gilt allgemein (Gl.1): γSt0' = γL + 2Ω (Gl.1)
Der Ablenkwinkel γL, um welchen ein Laserstrahl 10 durch eine Reflexion am Lichtfenster 18 als Lichtfenster-Reflexion 20 abgelenkt wird, weicht mit einer Differenz von 2 Ω deutlich von dem Winkel γSt0' ab. Das um den Vorauslenkwinkel Ω vorausgelenkte Spiegelelement weist damit gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass die Spiegel-Reflexion 22' außerhalb des Winkelbereichs der Lichtfenster-Reflexion 20 liegt. Daher kann die Lichtfenster-Reflexion 20 leicht mittels einer Blende 24 herausgefiltert werden.
Das Lichtfenster 18 ist vorteilhafterweise parallel zu dem Substrat 14 angeordnet. Vorzugsweise ist die Blende 24 in einem Neigungswinkel von γL + 2 Ω zu dem Substrat 14 ausgerichtet.
Das Lichtfenster 18 kann in verschiedenen Ausführungsformen ausgeführt sein, welche nicht auf die hier beschriebenen Beispiele beschränkt sind:
Beispielsweise ist das Lichtfenster 18 eine als Deckel fungierende transparente Platte, wie beispielsweise eine Glasplatte, welche nach einem Befestigen des Substrats 14 mit dem beweglichen Teil 65 in einem Gehäuse an dem Gehäuse befestigt wird. Als Alternative dazu ist es möglich, über das Anbringen eines transparenten Kappensubstrats an einer dielektrischen Schicht des Substrats 14 das Lichtfenster 18 auf Wafer-Ebene herzustellen. In dem Kappensubstrat kann zu einem späteren Zeitpunkt eine Vertiefung, beispielsweise mittels eines nass-chemischen anisotropischen Ätzens (mittels KOH, TMAH) oder durch ein Trenchen (Deep-RIE-Trench), ausgebildet werden. Aufgrund des Ätzstopps an der dielektrischen Schicht entsteht auf diese Weise ein transparentes Lichtfenster 18. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Kappenwafer erst nach dem Ausbilden der Vertiefung, beispielsweise mittels eines Sealglasbondens (Glas Fritt), eines eutektischen oder eines anodisches Bondens an dem Substrat zu befestigen.
Ebenso kann eine transparente Schicht, beispielsweise aus einem Oxid, einem Nitrid und/oder einem Siliziumcarbid, auf einer Opferschicht aus TDP (Thermal Decomposable Polymer) abgeschieden werden. Bei einem nachfolgenden thermischen Schritt zur Entfer nung des Polymers entstehen Gase, wie CO₂, H₂ und/oder CO, die durch die transparente Schicht hindurch diffundieren. Dadurch werden das Spiegelelement 16' und die Elektrodenkämme freigestellt.
3 zeigt eine Draufsicht zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 3 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil umfasst die Komponenten 50 bis 76 des vorhergehend beschriebenen Mikrospiegels. Auf eine Beschreibung dieser Komponenten 50 bis 76 wird deshalb hier verzichtet.
Als Ergänzung zu den schon beschriebenen Komponenten 50 bis 76 des mikromechanischen Bauteils umfasst die Ausführungsform der 3 Aufhängefedern 66a und 66b, welche zumindest teilweise mäanderförmig ausgebildet sind. Beispielsweise umfasst jede der Aufhängefedern 66a und 66b mindestens einen Spannungsentlastungsbogen 78.
Das Ausbilden mindestens eines Spannungsentlastungsbogens 78 an jeder Aufhängefeder 66a und 66b bewirkt eine größere Gesamtlänge der Aufhängefedern 66a oder 66b, ohne dass dazu der Abstand zwischen der Feder 64 und einer Verankerung 68 vergrößert wird. Somit kann der zur Verfügung stehende Bauraum besser zum Realisieren von Aufhängefedern 66a und 66b mit einer vorteilhaften großen Länge genutzt werden.
Aufgrund der Spannungsentlastungsbogen 78 kann das bewegliche Teil 65 stärker vorausgelenkt werden. Des Weiteren bewirkt der Spannungsentlastungsbogen 78, dass ein durch das Drehen des beweglichen Teils auf eine Aufhängefeder 66a oder 66b ausgeübter Druck auf eine größere Länge der Aufhängefeder 66a oder 66b verteilbar ist.
Die beiden Federn 64, von denen in 3 jedoch nur eine dargestellt ist, können zusätzlich mindestens eine Verjüngung 80 aufweisen, welche eine reduzierte Federsteifigkeit der Feder 64 beim Drehen des beweglichen Teils um die Drehachse 54 gewährleistet. Auf diese Weise ist ein Verstellen des beweglichen Teils um die Drehachse 54 bereits bei einer vergleichsweise kleinen zwischen den Elektrodenkämmen 58 und 60 angelegten Spannung U möglich. Die dargestellte Ausführungsform des Mikrospiegels benötigt somit nur eine kostengünstige Spannungsquelle. Des Weiteren können die Zuleitungen zum Anlegen der Spannung U zwischen den Elektrodenkämmen 58 und 60 vergleichsweise einfach ausgeführt werden.
Des Weiteren umfasst der dargestellte Mikrospiegel eine integrierte Schaltung 82. Die integrierte Schaltung 82 kann beispielweise nach dem Aufbringen der Funktionsschicht mittels eines Halbleiterprozesses hergestellt werden. Die restlichen mikromechanischen Prozessschritte erfolgen in diesem Fall nach dem Halbleiterprozess. Mittels der integrierten Schaltung 82 können beispielsweise die Signale für die Ansteuerung der Elektrodenkämme 58 und 60 zum Drehen des beweglichen Teils 65 um die Drehachse 54 aufbereitet werden. Vorteilhafterweise wird die integrierte Schaltung 82 in einem monokristallinen Bereich der Funktionsschicht ohne eine darunter liegende Opferschicht erzeugt.
4 zeigt ein Flussdiagramm zum Darstellen einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
In einem Ausgangsschritt S0 wird eine Opferschicht auf einem Träger, welcher nachfolgend als Grundsubstrat bezeichnet wird, aufgebracht. Das Grundsubstrat ist beispielsweise ein Siliziumwafer. Vorzugsweise umfasst die aufgebrachte Opferschicht ein Oxid. Auf der Opferschicht wird nachfolgend eine mikromechanische Funktionsschicht aufgebracht, wobei ein für die mikromechanische Funktionsschicht geeignetes Material beispielsweise Polysilizium ist.
Als Alternative zu den in dem oberen Absatz beschriebenen Schritten kann auch ein SOI-Wafer bereitgestellt werden. Damit ist es möglich, einkristallines Silizium als mikromechanische Funktionsschicht zu verwenden.
In einem weiteren Schritt S1 wird eine erste Beschichtung mit einer Zugspannung auf der mikromechanischen Funktionsschicht abgeschieden und strukturiert. Die erste Beschichtung mit der Zugspannung kann beispielsweise ein Nitrid und/oder ein Metall, wie Ti, W, Ta umfassen. Die Strukturierung der ersten Beschichtung erfolgt so, dass die erste Beschichtung eine in einem nachfolgenden Schritt aus der mikromechanischen Funktionsschicht herausstrukturierte erste Aufhängefeder zumindest teilweise abdeckt.
In einem Schritt S2 wird eine zweite Beschichtung mit einer Druckspannung auf eine analog aus der mikromechanischen Funktionsschicht heraus zu strukturierende zweite Aufhängefeder abgeschieden und strukturiert. Die zweite Beschichtung mit der Druckspannung kann beispielsweise ein Oxid umfassen.
Es wird hier darauf hingewiesen, dass die Bezeichnungen der Schritte S1 und S2 keine zeitliche Reihenfolge der Schritte festlegen. Beispielsweise kann der Schritt S2 auch vor dem Schritt S1 ausgeführt werden.
Nachfolgend wird in einem Schritt S3 ein Rückseiten-Trenchen mittels einer Trenchmaske, welche beispielsweise aus Lack oder aus Oxid gebildet ist, ausgeführt. Als Ätzstopp wird dabei die Opferschicht zwischen dem Grundsubstrat und der mikromechanischen Funktionsschicht genutzt. Bei dem Rückseiten-Trenchen wird unter das später aus der mikromechanischen Funktionsschicht herausstrukturierte bewegliche Teil eine Kaverne in das Grundsubstrat geätzt. Die Kaverne verbessert die Beweglichkeit des späteren beweglichen Teils. Auf weitere Vorteile des Schritts S3 wird unten noch eingegangen.
In einem weiteren Schritt S4 wird ein bewegliches Teil, welches mittels mindestens einer ersten Aufhängefeder und einer zweiten Aufhängefeder über dem Grundsubstrat aufgehängt ist, aus der mikromechanischen Funktionsschicht herausstrukturiert. Das Herausstrukturieren der mindestens zwei Aufhängefedern und des beweglichen Teils aus der mikromechanischen Funktionsschicht erfolgt über ein Vorderseiten-Trenchen mit einer Trenchmaske, welche beispielsweise aus Lack oder einem Oxid besteht. Die Opferschicht dient dabei als Ätzstopp.
Das bewegliche Teil kann beispielsweise ein Spiegelelement aufweisen, welches nach einem Fertigstellen des mikromechanischen Bauteils gegenüber dem Grundsubstrat verstellbar ist. Zusätzlich kann das bewegliche Teil mindestens eine Aktor-Elektrode umfassen.
Des Weiteren kann in dem Schritt S4 mindestens eine Stator-Elektrode aus der mikromechanischen Funktionsschicht herausstrukturiert werden, wobei die mindestens eine Stator-Elektrode fest gegenüber dem Grundsubstrat angeordnet wird. In diesem Fall kann bei dem fertig hergestellten mikromechanischen Bauteil eine Spannung zwischen der mindestens einen Stator-Elektrode und der mindestens einen Aktor-Elektrode angelegt werden und das bewegliche Teil mittels der angelegten Spannung zumindest teilweise gegenüber dem Grundsubstrat verstellt werden. Durch das Herausätzen der Elektroden aus einer gemeinsamen mikromechanischen Funktionsschicht können die Elektroden auf einfache Weise in einem vorteilhaften kleinen Abstand zueinander angeordnet werden. Somit entfällt eine arbeitsaufwändige Justage der Elektroden.
In dem Schritt S5 wird ein Opferschichtätzen zum Ätzen der Opferschicht ausgeführt. Das Opferschichtätzen ist beispielsweise ein HF-Gasphasenätzen, ein HF-Dampfätzen oder ein Ätzen in einer wässrigen HF-haltigen Lösung. Dabei werden die Anbindungsbereiche der mindestens einen Stator-Elektrode und der Aufhängefedern nicht vollständig unterätzt, so dass die mindestens eine Stator-Elektrode und die Aufhängefedern am Substrat angebunden bleiben.
Nach dem zumindest teilweisen Entfernen der Opferschicht können sich die Aufhängefedern automatisch verformen und somit das gewünschte Vorauslenken des beweglichen Teils gegenüber dem Grundsubstrat und/oder der Aktor-Elektroden gegenüber den Stator-Elektroden bewirken.
Die oben beschriebenen Schritte S0 bis S5 können in einem Waferprozess ausgeführt werden. Somit können auf kostengünstige Weise mehrere mikromechanische Bauteile gleichzeitig produziert werden. In einem weiteren Schritt S6 werden die fertig hergestellten Substrate vereinzelt.
Das in den oberen Absätzen beschriebene Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil ist besonders einfach in der Bulk-Mikromechanik ausführbar. Dabei können Standard-Prozesse der Bulk-Mikromechanik verwendet werden. Die Vorteile der Bulk-Mikromechanik sind somit bei dem Herstellungsverfahren gewährleistet.
Das Ausführen des Schritts S3 ist vorteilhaft, um ein Ätzen der Opferschicht von der Vorderseite zu vermeiden. Vor allem bei einem beweglichen Teil mit einer flächigen Komponente, wie beispielsweise einem Spiegelelement, können bei einem Gasphasenätzen von der Vorderseite aufgrund der großen lateralen Ausdehnung der flächigen Komponente Probleme auftreten. Herkömmlicherweise ist deshalb ein Unterätzen der flächigen Komponente von der Vorderseite nicht auf einfache Weise und zufriedenstellend ausführbar. Über das hier beschriebene Herstellungsverfahren ist dieses Problem behebbar.
5 zeigt ein Flussdiagramm zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
In einem ersten Schritt S10 des Verfahrens wird eine Isolierschicht auf einem als Grundsubstrat bezeichneten Träger gebildet. Für das Grundsubstrat kann ein Siliziumwafer verwendet werden. Die Isolierschicht kann beispielsweise ein Oxid umfassen. Anschließend wird die Isolierschicht so strukturiert, dass die späteren Elektrodenanbindungen gegenüber dem Substratmaterial isoliert sind. Man kann dies auch als ein Herausstrukturieren der späteren Spacer bezeichnen.
Nachfolgend wird in Schritt S10 eine Opferschicht auf das Grundsubstrat aufgebracht. Ein vorteilhaftes Material für die Opferschicht ist beispielsweise Siliziumgermanium (SiGe). Die Opferschicht wird so strukturiert, dass die Opferschicht an den (später gebildeten) Anbindungsstellen der Elektroden und optional an den Verankerungen der (später gebildeten) Aufhängefedern frei gelegt wird.
In einem Schritt S11 wird die mikromechanische Funktionsschicht auf die Isolierschicht, bzw. die Opferschicht aufgebracht. Die mikromechanische Funktionsschicht umfasst beispielsweise Silizium oder Polysilizium.
Im Anschluss an den Schritt S11 können die schon beschriebenen Schritte S1 und S2 ausgeführt werden. Auf eine erneute Beschreibung der Schritte S1 und S2 wird hier verzichtet.
Nach den Schritten S1 und S2 wird ein Vorderseiten-Trenchen (Schritt S12) mittels einer Trenchmaske ausgeführt. Die Trenchmaske umfasst beispielsweise einen Lack oder ein Oxid. Als Ätzstopp dient bei dem Vorderseiten-Trenchen die Opferschicht. Als Alternative dazu kann auch ein Trenchen in die Opferschicht oder ein Trenchen durch die Opferschicht ausgeführt werden.
Der Schritt S12 wird ausgeführt, um das bewegliche Teil und die beiden Aufhängefedern aus der mikromechanischen Funktionsschicht herauszustrukturieren. Des Weiteren können die mindestens eine Aktor-Elektrode und die mindestens eine Stator-Elektrode ebenfalls in Schritt S12 aus der mikromechanischen Funktionsschicht herausstrukturiert werden.
Optional können kleine Ätzöffnungen in mindestens eine flächige Komponente des beweglichen Teils, beispielsweise in ein Spiegelelement, geätzt werden. Dies erleichtert ein späteres Unterätzen der flächigen Komponente des beweglichen Teils von der Vorderseite.
Der Schritt S13 ist ein Opferschichtätzen, beispielsweise mittels ClF3 oder XiF2. Da Siliziumgermanium eine höhere Ätzrate besitzt als Silizium, wird es vorzugsweise auch unter dem Spiegelelement weggeätzt. Die Anbindungsstellen der Elektroden und die Verankerungen der Aufhängefedern sind direkt am Grundsubstrat angebunden und werden somit durch das Opferschichtätzen nicht beeinträchtigt.
Nach dem Entfernen der Opferschicht können sich die Aufhängefedern automatisch verformen und zu dem gewünschten Vorauslenken der mindestens einen Aktor-Elektrode gegenüber der mindestens einen Stator-Elektrode beitragen.
Die oben beschriebenen Schritte S10 bis S13 sind als Wafer-Prozesse ausführbar. Der Schritt S14 ein Vereinzeln der fertig hergestellten Substrate.
Das in den vorhergehenden Absätzen beschriebene Herstellungsverfahren ist ein reiner OMM-Prozess. Ein Rückseiten-Trenchen ist dabei nicht notwendig. Somit entfällt auch eine präzise Justierung der Substrat-Vorderseite zu der Substrat-Rückseite, welche bei einer beidseitigen Strukturierung des Substrats erforderlich ist.

Claims

Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Schritten: Herausätzen eines beweglichen Teils (65), einer ersten Aufhängefeder (66a) und einer zweiten Aufhängefeder (66b) aus einer mikromechanischen Funktionsschicht, wobei die erste Aufhängefeder (66a) über eine an einem ersten Ende der ersten Aufhängefeder (66a) ausgebildete erste Verankerung (68) mit einem Grundsubstrat (50) und über einen an einem zweiten Ende der ersten Aufhängefeder (66a) ausgebildeten ersten Übergangsbereich (72a) einstückig mit dem beweglichen Teil (65) verbunden wird und die zweite Aufhängefeder (66b) über eine an einem ersten Ende der zweiten Aufhängefeder (66b) ausgebildete zweite Verankerung (68) mit dem Grundsubstrat (50) und über einen an einem zweiten Ende der zweiten Aufhängefeder (66b) ausgebildeten zweiten Übergangsbereich (72b) einstückig mit dem beweglichen Teil (65) verbunden wird; Aufbringen einer ersten Beschichtung (74a) auf die erste Aufhängefeder (66a) zum Bilden einer beschichten ersten Aufhängefeder (66a, 74a) mit einer ersten mechanischen Gesamt-Eigenspannung; und Aufbringen einer zweiten Beschichtung (74b) auf die zweite Aufhängefeder (66b) zum Bilden einer beschichten zweiten Aufhängefeder (66b, 74b) mit einer von der ersten mechanischen Gesamt-Eigenspannung abweichenden zweiten mechanischen Gesamt-Eigenspannung; wobei das bewegliche Teil (65) aufgrund einer Differenz zwischen der ersten mechanischen Gesamt-Eigenspannung der beschichten ersten Aufhängefeder (66a, 74a) und der zweiten mechanischen Gesamt-Eigenspannung der beschichten zweiten Aufhängefeder (66b, 74b) in einem Neigungswinkel (Ω) ungleich 0° und ungleich 180° gegenüber dem Grundsubstrat (50) ausgerichtet wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei ein bewegliches Teil (65) mit mindestens einer Aktor-Elektrode (58), welche einstückig an dem beweglichen Teil (65) ausgebildet wird, aus der mikromechanischen Funktionsschicht herausgeätzt wird, und mindestens eine Stator-Elektrode (60) fest gegenüber dem Grundsubstrat (50) angeordnet wird, und wobei elektrische Kontakte gebildet werden, mittels welchen eine elektrische Spannung (U) ungleich Null zwischen der mindestens einen Aktor-Elektrode (58) des beweglichen Teils (65) und der mindestens einen Stator-Elektrode (60) anlegbar ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, wobei mindestens ein Elektrodenfinger (58a) der mindestens einen Aktor-Elektrode (58) des beweglichen Teils (65) aufgrund der Differenz zwischen der ersten mechanischen Gesamt-Eigenspannung und der zweiten mechanischen Gesamt-Eigenspannung um den Neigungswinkel (Ω) geneigt zu mindestens einem Elektrodenfinger (60a) der mindestens einen Stator-Elektrode (60) ausgerichtet wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die mindestens eine Stator-Elektrode (60) aus der mikromechanischen Funktionsschicht herausgeätzt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als erste Beschichtung (74a) ein erstes Material mit einer gegenüber der mikromechanischen Funktionsschicht größeren extrinsischen Eigenspannung und/oder intrinsischen Eigenspannung auf die erste Aufhängefeder (66a) und als zweite Beschichtung (74b) ein zweites Material mit einer gegenüber der mikromechanischen Funktionsschicht kleineren extrinsischen Eigenspannung und/oder intrinsischen Eigenspannung auf die zweite Aufhängefeder (66b) aufgebracht werden.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als erste Beschichtung (74a) ein erstes Material mit einem gegenüber der mikromechanischen Funktionsschicht größeren Temperaturausdehnungskoeffizienten auf die erste Aufhängefeder (66a) und als zweite Beschichtung (74b) ein zweites Material mit einem gegenüber der mikromechanischen Funktionsschicht kleineren Temperaturausdehnungskoeffizienten auf die zweite Aufhängefeder (66b) aufgebracht werden, und wobei die erste Beschichtung (74a) und die zweite Beschichtung (74b) anschließend abgekühlt werden.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erster Abstand (d1) zwischen dem ersten Übergangsbereich (72a) und dem Grundsubstrat (50) aufgrund der Differenz zwischen der ersten mechanischen Gesamt-Eigenspannung und der zweiten mechanischen Gesamt-Eigenspannung vergrößert und ein zweiter Abstand (d1) zwischen dem zweiten Übergangsbereich (72b) und dem Grundsubstrat (50) aufgrund der Differenz zwischen der ersten mechanischen Gesamt-Eigenspannung und der zweiten mechanischen Gesamt-Eigenspannung reduziert wird.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den zusätzlichen Schritten: Ausführen eines Rückseiten-Trenchens an einem Aufbau zumindest aus dem Grundsubstrat (50), einer Opferschicht, welche eine Oberseite des Grundsubstrats (50) zumindest teilweise abdeckt, und der mikromechanischen Funktionsschicht, welche eine Oberseite der Opferschicht zumindest teilweise abdeckt, zum Ätzen mindestens einer Kaverne (76) in das Grundsubstrat (50), wobei die Opferschicht als Ätzstoppschicht verwendet wird; Ausführen eines Vorderseiten-Trenchens für das Herausätzen zumindest des beweglichen Teils (65), der ersten Aufhängefeder (66a) und der zweiten Aufhängefeder (66b) aus der mikromechanischen Funktionsschicht; und Zumindest teilweises Wegätzen der Opferschicht unter Verwendung der mindestens einen in das Grundsubstrat (50) geätzten Kaverne (76).
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit den zusätzlichen Schritten: Ausführen eines ersten Vorderseiten-Trenchens an einem Aufbau zumindest aus dem Grundsubstrat (50), einer Opferschicht aus Siliziumgermanium, welche eine Oberseite des Grundsubstrats (50) zumindest teilweise abdeckt, und der mikromechanischen Funktionsschicht, welche eine Oberseite der Opferschicht zumindest teilweise abdeckt, für das Herausätzen zumindest des beweglichen Teils (65), der ersten Aufhängefeder (66a) und der zweiten Aufhängefeder (66b) aus der mikromechanischen Funktionsschicht; und Ausführen eines zweiten Vorderseiten-Trenchens unter Verwendung von ClF₃ und/oder XeF₂ für ein zumindest teilweises Wegätzen der Opferschicht.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 9, wobei beim ersten Vorderseiten-Trenchen durchgehende Ätzöffnungen in das bewegliche Teil (65) geätzt werden.
Mikromechanisches Bauteil mit: einem Grundsubstrat (50); einem beweglichen Teil (65); einer ersten Aufhängefeder (66a), welche über eine an einem ersten Ende der ersten Aufhängefeder (66a) ausgebildete erste Verankerung (68) mit dem Grundsubstrat (50) und über einen an einem zweiten Ende der ersten Aufhängefeder (66a) ausgebildeten ersten Übergangsbereich (72a) einstückig mit dem beweglichen Teil (65) verbunden ist und mit einer ersten Beschichtung (74a) so beschichtet ist, dass die beschichte ersten Aufhängefeder (66a, 74a) eine erste mechanischen Gesamt-Eigenspannung aufweist; und einer zweiten Aufhängefeder (66b), welche über eine an einem ersten Ende der zweiten Aufhängefeder (66b) ausgebildete zweite Verankerung (68) mit dem Grundsubstrat (50) und über einen an einem zweiten Ende der zweiten Aufhängefeder (66b) ausgebildeten zweiten Übergangsbereich (72b) einstückig mit dem beweglichen Teil (65) verbunden ist und mit einer zweiten Beschichtung (74b) so beschichtet ist, dass die beschichte zweite Aufhängefeder (66b, 74b) eine von der ersten mechanischen Gesamt-Eigenspannung abweichende zweite mechanischen Gesamt-Eigenspannung aufweist; wobei das bewegliche Teil (65) aufgrund einer Differenz zwischen der ersten mechanischen Gesamt-Eigenspannung der beschichten ersten Aufhängefeder (66a, 74a) und der zweiten mechanischen Gesamt-Eigenspannung der beschichten zweiten Aufhängefeder (66b, 74b) in einen ersten Neigungswinkel (Ω) ungleich 0° und ungleich 180° gegenüber dem Grundsubstrat (50) ausrichtbar ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 11, wobei das bewegliche Teil (65) mindestens eine Aktor-Elektrode (58), welche einstückig an dem beweglichen Teil (65) ausgebildet ist, umfasst und mindestens eine Stator-Elektrode (60) fest gegenüber dem Grundsubstrat (50) angeordnet ist, und wobei das mikromechanische Bauteil elektrische Kontakte aufweist, mittels welchen eine elektrische Spannung (U) ungleich Null zwischen der mindestens einen Aktor-Elektrode (58) des beweglichen Teils (65) und der mindestens einen Stator-Elektrode (60) anlegbar ist, so dass das bewegliche Teil (65) durch Anlegen der elektrischen Spannung (U) ungleich Null zwischen der mindestens einen Aktor-Elektrode (58) und der mindestens einen Stator-Elektrode (60) verstellbar ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 12, wobei das bewegliche Teil (65) über das Anlegen der elektrischen Spannung (U) ungleich Null zwischen der mindestens einen Aktor-Elektrode (58) und der mindestens einen Stator-Elektrode (60) gegenüber dem Grundsubstrat (50) in mindestens einen zweiten Neigungswinkel, welcher kleiner als der erste Neigungswinkel (Ω) ist, verstellbar ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 12 oder 13, wobei das bewegliche Teil (65) ein Spiegelelement (52), welches einstückig an dem beweglichen Teil (65) ausgebildet ist, umfasst.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 14, wobei das mikromechanische Bauteil ein Lichtfenster (18) umfasst, zu welchem das Spiegelelement (52) bei einer zwischen der mindestens einen Aktor-Elektrode (58) und der mindestens einen Stator-Elektrode (60) anliegenden elektrischen Spannung (U) gleich Null um den ersten Neigungswinkel (Ω) geneigt ausgerichtet ist.