DE102009027873B4

DE102009027873B4 - Mikromechanisches System und zugehöriges Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102009027873B4
Application number: DE102009027873.7A
Authority: DE
Inventors: Jochen Reinmuth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2022-11-17
Anticipated expiration: 2029-07-22
Also published as: DE102009027873A1

Abstract

Mikromechanisches System
mit einem Substrat (100), einem ersten leitfähigen Element (260, 1260, 2260) und einem zweiten leitfähigen Element (240, 1240, 2240),
wobei das erste Element (260, 1260, 2260) und das zweite Element (240, 1240, 2240) elektrisch voneinander isoliert sind,
wobei das erste Element (260, 1260, 2260) und das zweite Element (240, 1240, 2240) mechanisch im Wesentlichen starr miteinander verbunden sind, und
wobei das erste Element (260, 1260, 2260) und das zweite Element (240, 1240, 2240) über mindestens ein Federelement mit dem Substrat (100) verbunden und gegen das Substrat (100) beweglich sind,
wobei das erste Element (260, 1260, 2260) und das zweite Element (240, 1240, 2240) in eine Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats (100) wenigstens abschnittsweise überlappen,
wobei das erste Element (260, 1260, 2260) und das zweite Element (240, 1240, 2240) über eine elektrisch isolierende Verbindung (250, 1250, 2250) mechanisch miteinander verbunden sind,
wobei das erste Element (260, 1260, 2260) das zweite Element (240, 1240, 2240) zumindest abschnittsweise umhüllt,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (260) einen hülsenförmigen Bereich (265) aufweist
und das zweite Element (240) einen stabförmigen Bereich (245) aufweist, wobei der stabförmige Bereich (245) des zweiten Elements (240) im hülsenförmigem Bereich (265) des ersten Elements (260) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches System gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Systems gemäß Patentanspruch 4.
Stand der Technik
Aus Halbleitersubstraten gefertigte mikromechanische Systeme sind bekannt. Solche Systeme weisen über Federelemente an das Substrat gekoppelte freitragende Bereiche auf. Es ist bekannt, die freitragenden Elemente aus einer dicken Schicht von polykristallinem Silizium zu fertigen, die über einer als Leiterbahn dienenden dünnen Schicht von polykristallinem Silizium angeordnet ist und über einen Opferschichtprozess freigestellt wird. Aus der DE 101 52 254 A1 ist außerdem bekannt, ein solches bewegliches Element lateral in zwei voneinander isolierte leitfähige Bereiche zu unterteilen.
Aus der DE 10 2007 060 878 A1 ist weiterhin bekannt, insgesamt drei leitfähige Schichten aus polykristallinem Silizium durch Oxidschichten getrennt übereinander anzuordnen. Die zusätzliche leitfähige Schicht ermöglicht Leiterbahnkreuzungen und kann auch als mechanisch freitragende Schicht verwendet werden. Bewegliche Elemente können aus einer oder zwei der leitfähigen Schichten hergestellt und mechanisch gekoppelt werden.
Aus der US 2004 231 420 A1 ist ein monolithisch integrierter 3-Achsen-Beschleunigungsmesschip bekannt, der ein Einkristallsubstrat mit einer Einkristallmembran aufweist. Dadurch können Beschleunigungen in jeder der drei orthogonalen Richtungen gemessen werden.
Aus der DE 10 2009 000 053 A1 ist eine mikromechanische Mikrofonstruktur mit einer Messkapazität und einer weiteren Kapazität bekannt, die eine durch den Schalldruck auslenkbare erste Membran, die als auslenkbare Elektrode fungiert, ein feststehendes akustisch durchlässiges Gegenelement, das als Gegenelektrode fungiert, und eine weitere Kapazität zur Auswertung der Kapazitätsänderungen zwischen der ersten auslenkbaren Elektrode und der Gegenelektrode aufweist.
Aus der WO 03/010545 A1 ist ein mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat und einem Bauglied, das bewegbar an dem Substrat angebracht ist, bekannt. Das Bauglied weist eine erste Elektrode und eine von der ersten Elektrode elektrisch isolierte zweite Elektrode auf. Das Substrat weist eine dritte Elektrode auf, die der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zumindest teilweise gegenüber liegt.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes mikromechanisches System bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein mikromechanisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Systems anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes mikromechanisches System umfasst ein Substrat, ein erstes leitfähiges Element und ein zweites leitfähiges Element. Dabei sind das erste Element und das zweite Element elektrisch voneinander isoliert und mechanisch im Wesentlichen starr miteinander verbunden. Außerdem sind das erste Element und das zweite Element über mindestens ein Federelement mit dem Substrat verbunden und gegen das Substrat beweglich. Weiter überlappen das erste Element und das zweite Element in eine Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats wenigstens abschnittsweise.
Vorteilhafterweise gestattet dieses mikromechanische System eine Verwendung neuartiger Auswertekonzepte. Beispielsweise sind Beschleunigungssensoren mit volldifferenzieller Auswertung realisierbar. Außerdem ist es beispielsweise möglich, ein mikromechanisches System zu realisieren, dessen bewegliches Element induktiv angetrieben und kapazitiv ausgelesen wird.
Das erste Element und das zweite Element sind über eine elektrisch isolierende Verbindung mechanisch miteinander verbunden. Vorteilhafterweise kann eine solche elektrisch isolierende Verbindung im Wesentlichen starr ausgeführt werden.
Das erste Element ümhüllt das zweite Element zumindest abschnittsweise.
Das erste Element weist einen hülsenförmigen Bereich und das zweite Element einen stabförmigen Bereich auf. Dabei ist der stabförmige Bereich des zweiten Elements im hülsenförmigen Bereich des ersten Elements angeordnet. Vorteilhafterweise gestattet diese Anordnung eine platzsparende und stabile mechanische Verbindung der beiden Elemente.
Gemäß einer Ausführungsform weist der durch das erste Element umhüllte Abschnitt des zweiten Elements eine Biegung auf. Vorteilhafterweise ist diese Anordnung besonders platzsparend und gestattet es, bei der Herstellung des mikromechanischen Systems einen Ätzprozess mit sehr großer Unterätzungstiefe durchzuführen.
Bevorzugt umhüllt das erste Element das zweite Element in einer Längsrichtung über eine vorgegebene Länge, wobei das erste Element eine Breite senkrecht zur Längsrichtung aufweist, die geringer als die vorgegebene Länge ist. Vorteilhafterweise gestattet es diese Geometrie, das erste und das zweite Element freitragend und dennoch starr miteinander verbunden auszuführen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren eignet sich zur Herstellung eines mikromechanischen Systems mit einem Substrat, einem ersten leitfähigen Element und einem zweiten leitfähigen Element. Dabei überlappen das erste leitfähige Element und das zweite leitfähige Element in eine Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats wenigstens abschnittsweise. Zwischen dem ersten und dem zweiten Element wird eine elektrisch isolierende Verbindung vorgesehen, die das erste Element und das zweite Element elektrisch voneinander isoliert und mechanisch im Wesentlichen starr miteinander verbindet. Das erste Element und das zweite Element werden derart räumlich freigestellt, dass das erste Element und das zweite Element über mindestens ein Federelement mit dem Substrat verbunden und gegen das Substrat beweglich sind. Vorteilhafterweise gestattet dieses Verfahren die Herstellung von Beschleunigungssensoren, die volldifferenziell auswertbar sind. Außerdem gestattet es die Herstellung einer freitragenden Spulenanordnung, die mechanisch starr und elektrisch isolierend an ein kapazitives System gekoppelt ist. Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte System erlaubt dann vorteilhafterweise einen induktiven Antrieb und eine kapazitive Detektion.
Das Verfahren umfasst Schritte zum Vorsehen des Substrats mit der Oberfläche, die eine laterale Ebene definiert, zum Abscheiden einer ersten Isolationsschicht auf der Oberfläche des Substrats, zum Aufbringen einer leitfähigen Schicht in einem ersten lateralen Bereich, zum Abscheiden und Strukturieren einer zweiten Isolationsschicht derart, dass die leitfähige Schicht in einem Randbereich des ersten lateralen Bereichs von außen zugänglich bleibt, zum Aufbringen einer leitfähigen zweiten Funktionsschicht in einem zweiten lateralen Bereich, wobei sich der zweite laterale Bereich von einem lateral außerhalb des ersten lateralen Bereichs gelegenen dritten lateralen Bereich durch eine laterale Öffnung des Randbereichs in den ersten lateralen Bereich erstreckt, zum Abscheiden und Strukturieren einer dritten Isolationsschicht derart, dass im dritten lateralen Bereich und im Randbereich die zweite Funktionsschicht von außen zugänglich bleibt, zum Abscheiden und Strukturieren einer leitfähigen ersten Funktionsschicht derart, dass die erste Funktionsschicht zwei getrennte Bereich bildet, wobei der erste Bereich der ersten Funktionssicht im dritten lateralen Bereich mit der zweiten Funktionsschicht verbunden ist und der zweite laterale Bereich der ersten Funktionsschicht im Randbereich mit der zweiten Funktionsschicht verbunden ist, und zum Entfernen von Teilen der ersten Isolationsschicht, der zweiten Isolationsschicht und der dritten Isolationsschicht, wobei im ersten lateralen Bereich die erste Isolationsschicht vollständig entfernt wird und wobei im ersten lateralen Bereich die zweite Isolationsschicht und die dritte Isolationsschicht teilweise verbleiben. Vorteilhafterweise erfordert dieses Verfahren nur geringe Änderungen gegenüber herkömmlichen Prozessfolgen, gestattet jedoch die Herstellung einer mechanisch starren und elektrisch isolierenden Kopplung zwischen zwei freitragenden mikromechanischen Elementen.
Gemäß einer bevorzugten Ausprägung des Verfahrens ist eine Länge des sich innerhalb des Randbereichs erstreckenden Abschnitts des zweiten lateralen Bereichs größer als eine Breite des ersten lateralen Bereichs in einer Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung des zweiten lateralen Bereichs. Vorteilhafterweise wird dadurch sichergestellt, dass während des Verfahrensschritts zum Entfernen von Teilen der ersten Isolationsschicht, der zweiten Isolationsschicht und der dritten Isolationsschicht zwei voneinander elektrisch isolierte Elemente entstehen, die gegen das Substrat freigestellt, miteinander jedoch mechanisch starr verbunden sind.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei werden für gleiche oder gleichwirkende Teile einheitliche Bezugszeichen verwendet. Es zeigen:

1 eine Aufsicht auf ein Substrat mit einer ersten Isolationsschicht;
2 einen ersten Schnitt durch das Substrat mit der ersten Isolationsschicht;
3 einen zweiten Schnitt durch das Substrat mit der ersten Isolationsschicht;
4 eine Aufsicht auf das Substrat mit einer vergrabenen Leiterbahnschicht;
5 einen Schnitt durch das Substrat mit der vergrabenen Leiterbahnschicht;
6 einen weiteren Schnitt durch das Substrat mit der vergrabenen Leiterbahnschicht;
7 eine Aufsicht auf das Substrat mit einer zweiten Isolationsschicht;
8 einen Schnitt durch das Substrat mit der zweiten Isolationsschicht;
9 einen weiteren Schnitt durch das Substrat mit der zweiten Isolationsschicht;
10 eine Aufsicht auf das Substrat mit einer zweiten Funktionsschicht;
11 einen Schnitt durch das Substrat mit der zweiten Funktionsschicht;
12 einen weiteren Schnitt durch das Substrat mit der zweiten Funktionsschicht;
13 eine Aufsicht auf das Substrat mit einer dritten Isolationsschicht;
14 einen Schnitt durch das Substrat mit der dritten Isolationsschicht;
15 einen weiteren Schnitt durch das Substrat mit der dritten Isolationsschicht;
16 eine Aufsicht auf das Substrat mit einer ersten Funktionsschicht;
17 einen Schnitt durch das Substrat mit der ersten Funktionsschicht;
18 einen weiteren Schnitt durch das Substrat mit der ersten Funktionsschicht;
19 eine Aufsicht auf ein mikromechanisches System gemäß einer ersten Ausführungsform;
20 einen Schnitt durch das mikromechanische System gemäß der ersten Ausführungsform;
21 einen weiteren Schnitt durch das mikromechanische System gemäß der ersten Ausführungsform;
22 eine Aufsicht auf ein Substrat mit einer zweiten Funktionsschicht gemäß einer zweiten Ausführungsform;
23 eine Aufsicht auf ein mikromechanisches System gemäß einer dritten Ausführungsform;
24 einen Schnitt durch das mikromechanische System gemäß der dritten Ausführungsform;
25 einen weiteren Schnitt durch das mikromechanische System gemäß der dritten Ausführungsform;
26 einen weiteren Schnitt durch das mikromechanische System gemäß der dritten Ausführungsform;
27 einen weiteren Schnitt durch das mikromechanische System gemäß der dritten Ausführungsform;
28 eine Aufsicht auf ein mikromechanisches System gemäß einer vierten Ausführungsform;
29 einen Schnitt durch das mikromechanische System gemäß der vierten Ausführungsform.

Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 bis 21 illustrieren Verarbeitungsschritte zur Herstellung eines mikromechanischen Systems gemäß einer ersten Ausführungsform.
1 zeigt eine Aufsicht auf eine Oberfläche eines Substrats 100, auf die eine erste Isolationsschicht 110 aufgebracht worden ist. Das Substrat 100 ist bevorzugt ein Halbleitersubstrat, beispielsweise ein Siliziumkristall. Die erste Isolationsschicht 110 ist eine Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus einem Siliziumoxid. Die Oberfläche des Substrats 100 definiert eine laterale Ebene. Die Bezeichnung „lateral“ gibt im Folgenden eine Richtung an, die parallel zur Oberfläche des Substrats 100 orientiert ist. In 1 sind zwei Schnittachsen A, B eingezeichnet. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittachse A. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittachse B.
4 zeigt eine Aufsicht auf das Substrat 100, nachdem eine vergrabene Leiterbahnschicht 120 auf die erste Isolationsschicht 110 aufgebracht und strukturiert worden ist. 5 zeigt einen Schnitt entlang der in 4 eingezeichneten Schnittachse A. 6 zeigt einen Schnitt entlang der in 4 eingezeichneten Schnittachse B. Die vergrabene Leiterbahnschicht 120 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus polykristallinem Silizium. Während des Strukturierens der vergrabenen Leiterbahnschicht 120 verbleibt die vergrabene Leiterbahnschicht 120 in der durch die Oberfläche des Substrats 100 definierten lateralen Ebene lediglich in einem lateralen Hülsenbereich 310. Der laterale Hülsenbereich 310 kann beispielsweise eine rechteckige Form aufweisen.
7 zeigt eine Aufsicht auf das Substrat 100, nachdem eine zweite Isolationsschicht 130 aufgebracht und strukturiert worden ist. 8 zeigt einen Schnitt entlang der in 7 eingezeichneten Schnittachse A. 9 zeigt einen Schnitt entlang der in 7 eingezeichneten Schnittachse B. Die zweite Isolationsschicht 130 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus einem Siliziumoxid. Während des Strukturierens der zweiten Isolationsschicht 130 wird die zweite Isolationsschicht 130 in einem lateralen Hülsenrandbereich 320 entfernt, der einen Rand des lateralen Hülsenbereichs 310 bildet. Dadurch bleibt die vergrabene Leiterbahnschicht 120 im lateralen Hülsenrandbereich 320 zugänglich, während sie in anderen Bereichen des lateralen Hülsenbereichs 310 durch die zweite Isolationsschicht 130 abgedeckt wird. Der laterale Hülsenrandbereich 320 umfasst im dargestellten Beispiel drei Außenkanten des lateralen Hülsenbereichs 310 und hat somit in lateraler Richtung eine hufeisenförmige bzw. U-förmige Gestalt. Der durch den lateralen Hülsenrandbereich 320 umgrenzte und durch die zweite Isolationsschicht 130 abgedeckte Bereich des lateralen Hülsenbereichs 310 weist eine rechteckige Form mit einer Breite 270 und einer Länge 275 auf. Anders ausgedrückt bildet der laterale Hülsenrandbereich 320 in der lateralen Ebene eine Kavität, deren Tiefe der Länge 275 entspricht, und deren Öffnung die Breite 270 aufweist.
10 zeigt eine Aufsicht auf das Substrat 100, nachdem eine zweite Funktionsschicht 140 aufgebracht und strukturiert worden ist. 11 zeigt einen Schnitt entlang der in 10 eingezeichneten Schnittachse A. 12 zeigt einen Schnitt entlang der in 10 eingezeichneten Schnittachse B. Die zweite Funktionsschicht 140 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus polykristallinem Silizium. Während des Strukturierens der zweiten Funktionsschicht 140 wird die zweite Funktionsschicht 140 in allen lateralen Bereichen außer in einem lateralen Stabbereich 330 entfernt. Der laterale Stabbereich 330 ist im in 10 dargestellten Beispiel rechteckig ausgebildet und erstreckt sich von außerhalb des lateralen Hülsenbereichs 310 und des lateralen Hülsenrandbereichs 320 durch die Öffnung des lateralen Hülsenrandbereichs 320 in den durch den lateralen Hülsenrandbereich 320 umgrenzenden Teil des lateralen Hülsenbereichs 310. Der außerhalb des lateralen Hülsenbereichs 310 angeordnete Teil des lateralen Stabbereichs 330 bildet einen lateralen Befestigungsbereich 340. Wie in 10 erkennbar ist, überschneiden der laterale Stabbereich 330 und der laterale Hülsenrandbereich 320 einander in lateraler Richtung nicht. Der laterale Stabbereich 330 wird somit durch den lateralen Hülsenrandbereich 320 teilweise eingerahmt.
13 zeigt eine Aufsicht auf das Substrat 100, nachdem in einem weiteren Verarbeitungsschritt eine dritte Isolationsschicht 150 aufgebracht und strukturiert worden ist. 14 zeigt einen Schnitt entlang der in 13 eingezeichneten Schnittachse A. 15 zeigt einen Schnitt entlang der in 13 eingezeichneten Schnittachse B. Die dritte Isolationsschicht 150 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus einem Siliziumoxid. Nach dem Strukturieren der dritten Isolationsschicht 150 verbleibt diese in allen lateralen Bereichen bis auf den lateralen Befestigungsbereich 340 und den lateralen Hülsenrandbereich 320. Im lateralen Befestigungsbereich 340 bleibt somit die zweite Funktionsschicht 140 von außen zugänglich. Im lateralen Hülsenrandbereich 320 bleibt die vergrabene Leiterbahnschicht 120 von außen zugänglich. Der im lateralen Befestigungsbereich 340 zugängliche Teil der zweiten Funktionsschicht 140 und der im lateralen Hülsenrandbereich 320 zugängliche Teil der vergrabenen Leiterbahnschicht 120 sind elektrisch voneinander isoliert. Zwischen dem lateralen Befestigungsbereich 340 und der Öffnung des lateralen Hülsenrandbereichs 320 ist ein lateraler Trennbereich 350 angeordnet.
16 zeigt eine Aufsicht auf das Substrat 100, nachdem in einem weiteren Verarbeitungsschritt eine erste Funktionsschicht 160 aufgebracht und strukturiert worden ist. 17 zeigt einen Schnitt entlang der in 16 eingezeichneten Schnittachse A. 18 zeigt einen Schnitt entlang der in 16 eingezeichneten Schnittachse B. Die erste Funktionsschicht 160 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus polykristallinem Silizium. Nach dem Strukturieren der ersten Funktionsschicht 160 verbleibt die erste Funktionsschicht 160 in lateraler Richtung in einem ersten lateralen Teilbereich 370, der den lateralen Befestigungsbereich 340 umfasst, und in einem zweiten lateralen Teilbereich 380, der den lateralen Hülsenbereich 310 umfasst. Zwischen dem ersten Teilbereich 370 und dem zweiten Teilbereich 380 liegt der laterale Trennbereich 350, in dem die erste Funktionssicht 160 nicht vorhanden ist, und der den ersten Teilbereich 370 vom zweiten Teilbereich 380 trennt. Sowohl im ersten Teilbereich 370 als auch im zweiten Teilbereich 380 kann die erste Funktionsschicht 160 eine oder mehrere Trenchöffnungen 360 aufweisen, die sich von der Oberfläche der ersten Funktionsschicht 160 durch die erste Funktionsschicht 160 bis zur dritten Isolationsschicht 150 erstrecken. Die erste Funktionsschicht 160 im ersten Teilbereich 370 ist im lateralen Befestigungsbereich 340 elektrisch leitfähig mit einem Abschnitt der zweiten Funktionsschicht 140 verbunden und bildet ein zweites leitfähiges Element 240. Die erste Funktionsschicht 160 im zweiten Teilbereich 380 ist im lateralen Hülsenrandbereich 320 elektrisch leitfähig mit einem Abschnitt der vergrabenen Leiterbahnschicht 120 verbunden und bildet ein erstes leitfähiges Element 260. Das zweite leitfähige Element 240 und das erste leitfähige Element 260 berühren einander nicht und sind elektrisch voneinander isoliert. Das erste leitfähige Element 260 weist im lateralen Hülsenbereich 310 einen einseitig geöffneten hülsenförmigen Bereich 265 auf, dessen Außenwände im lateralen Hülsenrandbereich 320 liegen und aus der vergrabenen Leiterbahnschicht 120 und der ersten Funktionsschicht 160 geformt sind. Das zweite leitfähige Element 260 weist im lateralen Stabbereich 330 einen stabförmigen Bereich 245 auf, der aus der zweiten Funktionsschicht 140 gebildet ist. Der stabförmige Bereich 245 des zweiten leitfähigen Elements 240 erstreckt sich durch die Öffnung des hülsenförmigen Bereichs 265 des ersten leitfähigen Elements 260 und ist zumindest teilweise innerhalb des hülsenförmigen Bereichs 265 angeordnet. Innerhalb des hülsenförmigen Bereichs 265 sind der stabförmige Bereich 245 des zweiten leitfähigen Elements 240 und der hülsenförmige Bereich 265 des ersten leitfähigen Elements 260 durch eine isolierende Verbindung 250 miteinander verbunden, die aus der zweiten Isolationsschicht 130 und der dritten Isolationsschicht 150 gebildet ist.
19 zeigt eine Aufsicht auf das Substrat 100, nachdem in einem weiteren Verarbeitungsschritt Teile der ersten Isolationsschicht 110, der zweiten Isolationsschicht 130 und der dritten Isolationsschicht 150 entfernt worden sind. Das Entfernen der Isolationsschichten 110, 130, 150 kann beispielsweise durch einen Opferschichtprozess erfolgt sein, bei dem Teile der Isolationsschichten 110, 130, 150 durch nasschemisches Ätzen mit einem Ätzmedium herausgelöst werden. Das Ätzmedium, beispielsweise Flusssäure, kann dabei im lateralen Trennbereich 350 und durch die Trenchöffnungen 360 zu den Isolationsschichten 110, 130, 150 vordringen. Dabei wird die erste Isolationsschicht 110 im lateralen Hülsenbereich 310 unterhalb des hülsenförmigen Bereichs 265 des ersten leitfähigen Elements 260 vollständig entfernt. Die zweite Isolationsschicht 130 und die dritte Isolationsschicht 150 werden in der Umgebung des ersten leitfähigen Elements 260 und des zweiten leitfähigen Elements 240 ebenfalls vollständig entfernt. Lediglich innerhalb des hülsenförmigen Bereichs 265 des ersten leitfähigen Elements 260 verbleiben jene Teile der zweiten Isolationsschicht 130 und der dritten Isolationsschicht 150, die die isolierende Verbindung 250 bilden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Breite 270 des hülsenförmigen Bereichs 265 geringer ist als die Länge bzw. Tiefe 275 des hülsenförmigen Bereichs 265 des ersten leitfähigen Elements 260, in dem der stabförmige Bereich 245 des zweiten leitfähigen Elements 240 angeordnet ist. Dies ermöglicht es, die Ätzdauer derart zu wählen, dass die erste Isolationsschicht 110 unterhalb des hülsenförmigen Bereichs 265 über die volle Breite 270 herausgelöst wird, während die Ätzlösung innerhalb des hülsenförmigen Bereichs 265 nicht über dessen vollständige Länge 275 eindringen kann.
Wie die 19 bis 21 zeigen, ist das Ergebnis der beschriebenen Bearbeitungsschritte ein mikromechanisches System mit einem ersten leitfähigen Element 260 und einem zweiten leitfähigen Element 240. Das erste leitfähige Element 260 und das zweite leitfähige Element 240 sind durch die isolierende Verbindung 250 elektrisch voneinander isoliert und mechanisch im Wesentlichen starr miteinander verbunden. Das erste leitfähige Element 260 und das zweite leitfähige Element 240 sind gegen das Substrat 100 freigestellt und über ein oder mehrere in den Figuren nicht gezeigte Federelemente beweglich mit dem Substrat 100 verbunden. Das erste leitfähige Element 160 und das zweite leitfähige Element 240 sind also mechanisch gekoppelt, elektrisch jedoch entkoppelt. Die ein oder mehreren Federelemente erlauben eine elastische Auslenkung der leitfähigen Elemente 260, 240 gegen das Substrat 100.
22 zeigt eine Aufsicht auf einen Bearbeitungsstand während der Herstellung eines mikromechanischen Systems gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Der Bearbeitungsstand der 22 entspricht dem Bearbeitungsstand der 10. Auf der Oberfläche des Substrats befindet sich die strukturierte zweite Isolationsschicht 130. Durch Öffnungen in der zweiten Isolationsschicht 130 ist in einem lateralen gebogenen Hülsenrandbereich 3320 die vergrabene Leiterbahnschicht 120 zugänglich. Der laterale gebogene Hülsenrandbereich 3320 bildet drei Außenkanten eines lateralen gebogenen Hülsenbereichs 3310. Der laterale gebogene Hülsenbereich 3310 entspricht funktionell dem lateralen Hülsenbereich 310 der 10. Der laterale gebogene Hülsenrandbereich 3320 entspricht funktionell dem lateralen Hülsenrandbereich 320 der 10. Der laterale gebogene Hülsenbereich 3310 und entsprechend auch der laterale gebogene Hülsenrandbereich 3320 sind jedoch nicht geradlinig ausgeführt, sondern in lateraler Richtung gebogen. Außerdem ist in 22 in einem lateralen gebogenen Stabbereich 3330 die zweite Funktionsschicht 140 angeordnet. Der laterale gebogene Stabbereich 3330 erstreckt sich wie in 10 von dem lateralen Befestigungsbereich 340 durch die Öffnung des lateralen gebogenen Hülsenrandbereichs 3320 in den durch den Hülsenrandbereich 3320 umgrenzten Teil des lateralen gebogenen Hülsenbereichs 3310. Wie in 10 ist die Tiefe der durch den Hülsenrandbereich 3320 gebildeten Kavität in Erstreckungsrichtung des Stabbereichs 3330 größer als die Breite des Hülsenbereichs 3310 in einer Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Stabbereichs 3330. Während des Opferschichtprozesses kann das Ätzmedium daher in der Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung bzw. Längsrichtung des Stabbereichs 3330 vollständig unter den Hülsenbereich 3310 eindringen, während es in Längs- bzw. Erstreckungsrichtung des Stabbereichs 3330 nicht bis zur vollen Tiefe der durch den Hülsenrandbereich 3320 gebildeten Kavität in den Hülsenbereich 3310 eindringen kann. Dadurch verbleibt nach dem Opferschichtprozess innerhalb des Hülsenbereichs 3310 ein Teil der Isolationsschichten und bildet eine zur isolierenden Verbindung 250 analoge Verbindung. Der Vorteil der Geometrie der 22 gegenüber der Geometrie der 10 besteht darin, dass die Tiefe der durch den Hülsenrandbereich 3320 gebildeten Kavität wesentlich größer als die Breite des Hülsenbereichs 3310 sein kann, ohne dass der Hülsenbereich 3310 übermäßig länglich ausgebildet sein muss.
23 bis 27 zeigen ein fertig prozessiertes mikromechanisches System gemäß einer dritten Ausführungsform. 23 zeigt eine Aufsicht auf das mikromechanische System. 24 bis 27 zeigen Schnitte durch das mikromechanische System entlang der 23 eingezeichneten Schnittachsen A, B, C und D. Anstelle des ersten leitfähigen Elements 260 der ersten Ausführungsform weist das mikromechanische System der dritten Ausführungsform ein erstes leitfähiges Element 2260 mit einem umhüllenden Bereich 2265 auf. Anstelle des zweiten leitfähigen Elements 240 der ersten Ausführungsform weist das mikromechanische System der dritten Ausführungsform ein zweites leitfähiges Element 2240 mit einem umhüllten Bereich 2245 auf. Der umhüllende Bereich 2265 des ersten leitfähigen Elements 2260 umhüllt den umhüllten Bereich 2245 des zweiten leitfähigen Elements 2240. Der umhüllte Bereich 2245 und der umhüllende Bereich 2265 sind dabei über eine isolierende Verbindung 2250 miteinander verbunden, die das erste leitfähige Element 2260 und das zweite leitfähige Element 2240 mechanisch koppelt, elektrisch jedoch voneinander isoliert. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist der umhüllte Bereich 2245 des zweiten leitfähigen Elements 2240 jedoch nicht stabförmig, sondern als Gitter ausgebildet, das parallel zur Substratoberfläche, also in einer lateralen Ebene, orientiert ist. Dies hat den Vorteil, dass das erste leitfähige Element 2260 und das zweite leitfähige Element 2240 über eine große Fläche über die isolierende Verbindung 2250 miteinander verbunden sind. Dadurch ist die mechanische Kopplung zwischen den leitfähigen Elementen 2240, 2260 besonders stabil und starr.
28 und 29 zeigen ein fertig prozessiertes mikromechanisches System gemäß einer vierten Ausführungsform. 28 zeigt eine Aufsicht, während in 29 ein Schnitt entlang der in 28 eingezeichneten Schnittachse B dargestellt ist. Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform der 1 bis 21 dadurch, dass zwischen der vergrabenen Leiterbahnschicht 120 und der zweiten Isolationsschicht 130 eine weitere Isolationsschicht 1130 und eine weitere Funktionsschicht 1140 vorgesehen sind. Senkrecht zur Oberfläche des Substrats 100 folgen auf die vergrabene Leiterbahnschicht 120 somit die weitere Isolationsschicht 1130, die weitere Funktionsschicht 1140 und die zweite Isolationsschicht 130. Die weitere Isolationsschicht 1130 besteht aus einem isolierenden Material, beispielsweise aus Siliziumoxid. Die weitere Funktionsschicht 1140 besteht aus einem leitfähigen Material, beispielsweise aus polykristallinem Silizium. Das mikromechanische System der vierten Ausführungsform umfasst ein erstes leitfähiges Element 1260, dass das erste leitfähige Element 260 der ersten Ausführungsform ersetzt. Außerdem umfasst das mikromechanische System der vierten Ausführungsform ein zweites leitfähiges Element 1240, dass das zweite leitfähige Element 240 der ersten Ausführungsform ersetzt. Das erste leitfähige Element 1260 ist aus der ersten Funktionsschicht 160, der zweiten Funktionsschicht 140 und der vergrabenen Leiterbahnschicht 120 gebildet. Das zweite leitfähige Element 1240 ist aus der ersten Funktionsschicht 160 und der weiteren Funktionsschicht 1140 gebildet. Das erste leitfähige Element 1260 weist einen hülsenförmigen Bereich 1265 auf. Das zweite leitfähige Element 1240 weist einen tellerförmigen Bereich 1245 auf. Der tellerförmige Bereich 1245 wird zumindest abschnittsweise durch den hülsenförmigen Bereich 1265 umhüllt. Innerhalb des hülsenförmigen Bereichs 1265 sind das erste leitfähige Element 1260 und das zweite leitfähige Element 1240 über eine isolierende Verbindung 1250 miteinander verbunden, die die leitfähigen Elemente 1260, 1240 mechanisch aneinander koppelt, elektrisch jedoch voneinander isoliert. Die isolierende Verbindung 2250 ist aus der weiteren Isolationsschicht 1130 und der zweiten Isolationsschicht 130 gebildet. Während des Operschichtprozesses ist der Weg, den das Ätzmedium zum Eindringen in den hülsenförmigen Bereich 1265 des ersten leitfähigen Elements 1260 nehmen muss, länger als der zum vollständigen Herauslösen der ersten Isolationsschicht 110 unterhalb des hülsenförmigen Bereichs 1265 zurückzulegende Weg. Daher werden die leitfähigen Elemente 1260, 1240 während des Opferschichtprozesses vollständig freigestellt, während innerhalb des hülsenförmigen Bereichs 1265 die isolierende Verbindung 1250 zwischen den leitfähigen Elementen 1260, 1240 verbleibt. Die vierte Ausführungsform der 28 und 29 bietet gegenüber der ersten Ausführungsform der 1 bis 21 den Vorteil, das die leitfähigen Elemente 1260, 1240 über eine große Fläche über die isolierende Verbindung 1250 miteinander verbunden sind, wodurch eine besonders stabile und starre Kopplung zwischen den leitfähigen Elementen 1260, 1240 bewirkt wird.

Claims

Mikromechanisches System mit einem Substrat (100), einem ersten leitfähigen Element (260, 1260, 2260) und einem zweiten leitfähigen Element (240, 1240, 2240), wobei das erste Element (260, 1260, 2260) und das zweite Element (240, 1240, 2240) elektrisch voneinander isoliert sind, wobei das erste Element (260, 1260, 2260) und das zweite Element (240, 1240, 2240) mechanisch im Wesentlichen starr miteinander verbunden sind, und wobei das erste Element (260, 1260, 2260) und das zweite Element (240, 1240, 2240) über mindestens ein Federelement mit dem Substrat (100) verbunden und gegen das Substrat (100) beweglich sind, wobei das erste Element (260, 1260, 2260) und das zweite Element (240, 1240, 2240) in eine Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats (100) wenigstens abschnittsweise überlappen, wobei das erste Element (260, 1260, 2260) und das zweite Element (240, 1240, 2240) über eine elektrisch isolierende Verbindung (250, 1250, 2250) mechanisch miteinander verbunden sind, wobei das erste Element (260, 1260, 2260) das zweite Element (240, 1240, 2240) zumindest abschnittsweise umhüllt, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (260) einen hülsenförmigen Bereich (265) aufweist und das zweite Element (240) einen stabförmigen Bereich (245) aufweist, wobei der stabförmige Bereich (245) des zweiten Elements (240) im hülsenförmigem Bereich (265) des ersten Elements (260) angeordnet ist.
Mikromechanisches System gemäß Anspruch 1, wobei der durch das erste Element (260) umhüllte Abschnitt des zweiten Elements (240) eine Biegung aufweist.
Mikromechanisches System gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, wobei das erste Element (260) das zweite Element (240) in einer Längsrichtung über eine vorgegebene Länge (275) umhüllt, wobei das erste Element (260) eine Breite (270) senkrecht zur Längsrichtung aufweist, die geringer als die vorgegebene Länge (275) ist.
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Systems mit einem Substrat (100), einem ersten leitfähigen Element (260, 1260, 2260) und einem zweiten leitfähigen Element (240, 1240, 2240), wobei das erste leitfähige Element (260, 1260, 2260) und das zweite leitfähige Element (240, 1240, 2240) in eine Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats (100) wenigstens abschnittsweise überlappen, wobei zwischen dem ersten Element (260, 1260, 2260) und dem zweiten Element (240, 1240, 2240) eine elektrisch isolierende Verbindung (250, 1250, 2250) vorgesehen wird, die das erste Element (260, 1260, 2260) und das zweite Element (240, 1240, 2240) elektrisch voneinander isoliert und das erste Element (260, 1260, 2260) und das zweite Element (240, 1240, 2240) mechanisch im Wesentlichen starr miteinander verbindet, wobei das erste Element (260, 1260, 2260) und das zweite Element (240, 1240, 2240) derart räumlich freigestellt werden, dass das erste Element (260, 1260, 2260) und das zweite Element (240, 1240, 2240) über mindestens ein Federelement mit dem Substrat (100) verbunden und gegen das Substrat (100) beweglich sind, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: - Vorsehen des Substrats (100) mit der Oberfläche, die eine laterale Ebene definiert; - Abscheiden einer ersten Isolationsschicht (110) auf der Oberfläche des Substrats (100); - Aufbringen einer leitfähigen Schicht (120) in einem ersten lateralen Bereich (310, 3310); - Abscheiden und Strukturieren einer zweiten Isolationsschicht (130) derart, dass die leitfähige Schicht (120) in einem Randbereich (320, 3320) des ersten lateralen Bereichs (310, 3310) von Außen zugänglich bleibt, - Aufbringen einer leitfähigen zweiten Funktionsschicht (140) in einem zweiten lateralen Bereich (330, 3330), wobei sich der zweite laterale Bereich (330, 3330) von einem lateral außerhalb des ersten lateralen Bereichs (310, 3310) gelegenen dritten lateralen Bereich (340) durch eine laterale Öffnung des Randbereichs (320, 3320) in den ersten lateralen Bereich (310, 3310) erstreckt; - Abscheiden und Strukturieren einer dritten Isolationsschicht (150) derart, dass im dritten lateralen Bereich (340) und im Randbereich (320, 3320) die zweite Funktionsschicht (140) von Außen zugänglich bleibt; - Abscheiden und Strukturieren einer leitfähigen ersten Funktionsschicht (160) derart, dass die erste Funktionsschicht (160) zwei getrennte Bereiche (370, 380) bildet, wobei der erste Bereich (370) der ersten Funktionsschicht (160) im dritten lateralen Bereich (340) mit der zweiten Funktionsschicht (140) verbunden ist und der zweite Bereich (380) der ersten Funktionsschicht (160) im Randbereich (320, 3320) mit der zweiten Funktionsschicht (140) verbunden ist; - Entfernen von Teilen der ersten Isolationsschicht (110), der zweiten Isolationsschicht (130) und der dritten Isolationsschicht (150), wobei im ersten lateralen Bereich (310, 3310) die erste Isolationsschicht (110) vollständig entfernt wird, wobei im ersten lateralen Bereich (310, 3310) die zweite Isolationsschicht (130) und die dritte Isolationsschicht (150) teilweise verbleiben.
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Systems gemäß Anspruch 4, wobei eine Länge (275) des sich innerhalb des Randbereichs (320, 3320) erstreckenden Abschnitts des zweiten lateralen Bereichs (330) größer ist als eine Breite (270) des ersten lateralen Bereichs (310, 3310) in einer Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung des zweiten lateralen Bereichs (330, 3330).