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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Systems gemäß Patentanspruch 1.
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Stand der Technik
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Mikromechanische Systeme finden als Sensoren und Aktuatoren Anwendung im Automobilbereich und in der Unterhaltungselektronik und werden typischerweise mit oberflächenmikromechanischen Verfahren produziert. Dabei werden auf einem Substratwafer leitfähige Funktions- und isolierende Opferschichten abgeschieden, die häufig aus polykristallinem Silizium und aus Oxiden bestehen. Aus einer Funktionsschicht werden bewegliche mikromechanische Elemente gefertigt und durch Herauslösen der darunter befindlichen Opferschicht mechanisch freigestellt.
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Mehrkanalige Sensoren, die zur Detektion von Messgrößen, beispielsweise Beschleunigungen, in mehrere Raumrichtungen geeignet sind, werden gemäß dem Stand der Technik durch nebeneinander auf einem Substrat angeordnete, einkanalige Sensoren realisiert. Dies ist beispielsweise in der
DE 100 64 494 A1 beschrieben. Durch die Anordnung nebeneinander ergibt sich ein großer Platzbedarf. Alternativ wurde vorgeschlagen, einen mehrkanaligen Sensor mit einer einzelnen seismischen Masse auszubilden, die in mehrere Raumrichtungen beweglich ist. Diese Ausführung hat den Nachteil, dass es zu einem erhöhten Übersprechen zwischen den einzelnen Kanälen kommt.
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Es wurde auch vorgeschlagen, mikromechanische Sensoren aus Substraten mit mehr als einer Funktionsschicht zu fertigen. Die
DE 10 2007 060 878 A1 beschreibt ein einkanaliges mikromechanisches Sensorelement, das aus einem Substrat mit einer Leiterbahnebene und zwei funktionalen Ebenen gefertigt wird. Die
DE 10 2006 032 195 A1 beschreibt ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Systems anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein mikromechanisches System umfasst ein erstes bewegliches Element, das über ein erstes Federelement mit einem Substrat verbunden ist, und ein zweites bewegliches Element, das über ein zweites Federelement mit dem Substrat verbunden ist. Dabei sind das erste bewegliche Element und das zweite bewegliche Element unabhängig voneinander gegen das Substrat beweglich. Außerdem liegen das erste bewegliche Element und das zweite bewegliche Element in einer Richtung senkrecht zur Substratoberfläche wenigstens abschnittsweise übereinander. Vorteilhafterweise weist dieses mikromechanische System zwei unabhängig voneinander arbeitende Messkanäle auf, deren gegenseitige Beeinflussung gering ist. Die vertikale Anordnung übereinander erlaubt eine platzsparende und kostengünstige Ausführung.
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Bevorzugt sind das erste bewegliche Element und das zweite bewegliche Element elektrisch voneinander isoliert. Vorteilhafterweise können die beweglichen Elemente dann auf unterschiedliche elektrische Potentiale gelegt werden, wodurch sich eine große Freiheit bei der Auswahl eines optimalen elektrischen Auswerteprinzips ergibt.
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In einer Weiterbildung weist das mikromechanische System ein drittes bewegliches Element auf, das über ein drittes Federelement mit dem Substrat verbunden ist. Dabei ist das dritte bewegliche Element unabhängig vom ersten beweglichen Element und unabhängig vom zweiten beweglichen Element gegen das Substrat beweglich. Außerdem liegen das zweite bewegliche Element und das dritte bewegliche Element in einer Richtung senkrecht zur Substratoberfläche wenigstens abschnittsweise übereinander. Vorteilhafterweise können dadurch drei voneinander unabhängige Sensorkanäle realisiert werden, ohne den Platzbedarf des mikromechanischen Systems wesentlich zu erhöhen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Systems mit einem ersten beweglichen Element, das über ein erstes Federelement mit einem Substrat verbunden ist, und einem zweiten beweglichen Element, das über ein zweites Federelement mit dem Substrat verbunden ist, wobei das erste bewegliche Element und das zweite bewegliche Element unabhängig voneinander gegen das Substrat sind, umfasst Verfahrensschritte zum Abscheiden und Strukturieren einer zweiten Isolationsschicht, zum Abscheiden einer zweiten leitfähigen Schicht und Strukturieren eines beweglichen Elements in der zweiten leitfähigen Schicht, zum Abscheiden und Strukturieren einer dritten Isolationsschicht, zum Abscheiden einer dritten leitfähigen Schicht und Strukturieren eines zweiten beweglichen Elements in der dritten leitfähigen Schicht, wobei wenigstens ein Abschnitt des zweiten beweglichen Elements in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats oberhalb des ersten beweglichen Elements angeordnet ist, und zum Entfernen der zweiten Isolationsschicht unterhalb des ersten beweglichen Elements und der dritten Isolationsschicht unterhalb des zweiten beweglichen Elements. Vorteilhafterweise gestattet dieses Verfahren die Herstellung von mikromechanischen Sensoren mit mehreren voneinander unabhängigen Sensorkanälen und geringem Flächenbedarf. Zudem lassen sich die einzelnen Sensorstrukturen sehr flexibel anordnen und verdrahten.
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Bei diesem Verfahren werden nach dem Abscheiden und Strukturieren der dritten leitfähigen Schicht noch Schritte ausgeführt zum Abscheiden und Strukturieren einer vierten Isolationsschicht und zum Abscheiden einer vierten leitfähigen Schicht und Strukturieren eines dritten beweglichen Elements in der vierten leitfähigen Schicht, wobei wenigstens ein Abschnitt des dritten beweglichen Elements in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats oberhalb des zweiten beweglichen Elements angeordnet ist, und wobei anschließend auch die vierte Isolationsschicht unterhalb des dritten beweglichen Elements entfernt wird. Vorteilhafterweise lässt sich mit diesem Verfahren ein dritter unabhängiger Sensorkanal in das mikromechanische System integrieren, ohne dass dessen Platzbedarf wesentlich zunimmt.
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Bevorzugt werden vor dem Abscheiden und Strukturieren der zweiten Isolationsschicht noch Verfahrensschritte ausgeführt zum Abscheiden und Strukturieren einer ersten Isolationsschicht auf dem Substrat und zum Abscheiden und Strukturieren einer ersten leitfähigen Schicht. Vorteilhafterweise kann die erste leitfähige Schicht dann zum Herstellen von Festelektroden und Leiterbahnen dienen.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Schnitt durch einen ersten z-Sensor;
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2 eine Aufsicht auf den z-Sensor;
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3 einen Schnitt durch einen ersten x-Sensor;
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4 eine Aufsicht auf den x-Sensor;
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5 einen Schnitt durch einen x-z-Sensor gemäß einer ersten Ausführungsform;
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6 eine Aufsicht auf den x-z-Sensor;
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7 einen Schnitt durch einen zweiten z-Sensor;
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8 eine Aufsicht auf den zweiten z-Sensor;
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9 einen Schnitt durch einen zweiten x-Sensor;
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10 eine Aufsicht auf den zweiten x-Sensor;
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11 einen Schnitt durch einen x-z-Sensor gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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12 eine Aufsicht auf den x-z-Sensor der zweiten Ausführungsform;
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13 eine Aufsicht auf ein erstes bewegliches Element einer verschachtelten Sensorstruktur gemäß einer dritten Ausführungsform;
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14 eine Aufsicht auf ein zweites bewegliches Element der verschachtelten Sensorstruktur der dritten Ausführungsform;
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15 einen Schnitt durch die verschachtelte Sensorstruktur der dritten Ausführungsform;
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16 eine Aufsicht auf die verschachtelte Sensorstruktur der dritten Ausführungsform;
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17 bis 28 Verarbeitungsschritte bei der Herstellung einer Schichtenstruktur;
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29 einen Schnitt durch einen dritten z-Sensor;
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30 eine Aufsicht auf den dritten z-Sensor;
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31 einen Schnitt durch einen dritten x-Sensor;
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32 eine Aufsicht auf den dritten x-Sensor;
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33 einen Schnitt durch einen y-Sensor;
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34 eine Aufsicht auf den y-Sensor;
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35 einen Schnitt durch einen dreikanaligen Sensor gemäß einer vierten Ausführungsform; und
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36 eine Aufsicht auf den dreikanaligen Sensor der vierten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen zu einer y-z-Ebene parallelen Schnitt durch einen z-Sensor 100, der über einem in einer x-y-Ebene angeordneten, in 1 nicht dargestellten, Substrat angeordnet ist. 2 zeigt eine Aufsicht auf den z-Sensor 100. Der z-Sensor 100 ist zur Detektion von in z-Richtung wirkenden Beschleunigungen vorgesehen. Der z-Sensor 100 umfasst eine in einer x-y-Ebene angeordnete Wippenmasse 110. Die Wippenmasse 110 ist über eine zur x-Richtung parallele Torsionsfeder 120 mit einer Substratanbindung 130 verbunden, die in starrer Verbindung zum in z-Richtung unterhalb der Wippenmasse 110 liegenden Substrat steht. Die Substratanbindung 130 und die Torsionsfeder 120 können auch als Zuleitung dienen, über die die Wippenmasse 110 auf ein gewünschtes elektrisches Potential gelegt werden kann. Die Wippenmasse 110 ist um die Torsionsfeder 120 verdrehbar. Die Wippenmasse 110 ist bezüglich der Torsionsfeder 120 asymmetrisch ausgebildet. Der auf einer Seite der Torsionsfeder 120 gelegene Abschnitt der Wippenmasse 110 weist gegenüber dem auf der anderen Seite der Torsionsfeder 120 gelegenen Abschnitt der Wippenmasse 110 eine Zusatzmasse 115 auf. Unterhalb des mit der Zusatzmasse 115 versehenen Abschnitts der Wippenmasse 110 ist eine rechte Leiterbahnelektrode 150 angeordnet. Unterhalb des anderen Abschnitts der Wippenmasse 110 ist eine linke Leiterbahnelektrode 140 angeordnet. Die linke Leiterbahnelektrode 140 und die rechte Leiterbahnelektrode 150 können fest mit dem Substrat verbunden sein und bilden jeweils einen Kondensator mit der Wippenmasse 110. Eine in z-Richtung auf den z-Sensor 100 wirkende Beschleunigung führt wegen der Zusatzmasse 115 zu einem Verkippen der Wippenmasse 110 um die durch die Torsionsfeder 120 gebildete Drehachse, wodurch sich die Abstände zwischen der Wippenmasse 110 und der linken Leiterbahnelektrode 140 und der rechten Leiterbahnelektrode 150 ändern. Die sich ergebenden Änderungen der Kapazitäten der durch die Wippenmasse 110 und die linke Leiterbahnelektrode 140 bzw. die rechte Leiterbahnelektrode 150 gebildeten Kondensatoren stellen ein Maß für die Größe der in z-Richtung wirkenden Beschleunigung dar und können mittels einer elektrischen Auswertschaltung erfasst werden.
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3 zeigt einen zu einer y-z-Ebene parallelen Schnitt durch einen x-Sensor 200, der über einem in einer x-y-Ebene angeordneten und in 3 nicht dargestellten Substrat angeordnet ist. 4 zeigt eine Aufsicht auf den x-Sensor 200. Der x-Sensor 200 ist zur Detektion einer in x-Richtung wirkenden Beschleunigung vorgesehen. Der x-Sensor 200 weist eine seismische Masse 210 auf, die in x-Richtung gegen das Substrat beweglich ist. Die seismische Masse 210 ist über zwei Biegefedern 220 mit zwei Substratanbindungen 230 verbunden, die in starrer Verbindung mit dem Substrat stehen. Die Substratanbindungen 230 und die Biegefedern 220 können auch als Zuleitungen dienen, über die die seismische Masse 210 auf ein gewünschtes elektrisches Potential gelegt werden kann. Die seismische Masse 210 weist eine Mehrzahl von in positive und negative y-Richtung weisenden Massenfingern 215 auf. Weiter sind eine Mehrzahl erster Gegenelektroden 240 und zweiter Gegenelektroden 250 vorgesehen. Jede erste Gegenelektrode weist eine erste Substratanbindung 243 und einen ersten Elektrodenfinger 247 auf. Jede zweite Gegenelektrode 250 weist eine zweite Substratanbindung 253 und einen zweiten Elektrodenfinger 257 auf. Die Substratanbindungen 243, 253 dienen auch als Zuleitungen. Die ersten Elektrodenfinger 247 und die zweiten Elektrodenfinger 257 sind jeweils in y-Richtung orientiert. Je ein Massenfinger 215 ist zwischen einem ersten Elektrodenfinger 247 und einem zweiten Elektrodenfinger 257 angeordnet. Die ersten Elektrodenfinger 247 bilden mit den Massenfingern 215 einen ersten Kondensator, dessen Kapazität vom Abstand der Massenfinger 215 von den ersten Elektrodenfingern 247 abhängt. Die zweiten Elektrodenfinger 257 bilden mit den Massenfingern 215 einen zweiten Kondensator, dessen Kapazität vom Abstand der zweiten Elektrodenfinger 257 von den Massenfingern 215 abhängt. Eine in x-Richtung auf den x-Sensor 200 wirkende Beschleunigung führt zu einer Auslenkung der seismischen Masse 210 in x-Richtung gegen die Biegefeder 220, wodurch sich die Abstände zwischen den Massenfingern 215 und den ersten Elektrodenfingern 247 und den zweiten Elektrodenfingern 257 ändern. Die sich ergebenden Änderungen der Kapazitäten der beiden durch die Elektrodenfinger 247, 257 und die Massenfinger 215 gebildeten Kondensatoren stellt ein Maß für die Größe der auf den x-Sensor 200 wirkenden Beschleunigung dar und kann mittels einer Auswertelektronik erfasst werden.
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5 zeigt einen zu einer y-z-Ebene parallelen Schnitt durch einen x-z-Sensor 300 gemäß einer ersten Ausführungsform. 6 zeigt eine Aufsicht auf den x-z-Sensor 300. Der x-z-Sensor 300 kann sowohl in x-Richtung als auch in z-Richtung wirkende Beschleunigungen unabhängig voneinander detektieren und kann als Kombination des z-Sensors 100 und des x-Sensors 200 der 1 bis 4 verstanden werden. 5 zeigt, dass der x-z-Sensor 300 insgesamt drei in z-Richtung übereinander liegende Ebenen aufweist. In einer fest mit dem Substrat verbundenen Leiterbahnebene 310 sind die linke Leiterbahnelektrode 140, die rechte Leiterbahnelektrode 150, die Substratanbindung 130 des z-Sensors 100 und die Substratanbindungen 243, 253 der Gegenelektroden 240, 250 des x-Sensors 200 angeordnet. In z-Richtung beabstandet oberhalb der Leiterbahnebene 310 befindet sich eine erste Funktionsebene 320, in der die Wippenmasse 110 des z-Sensors 100 angeordnet ist. Auch die Substratanbindungen 230, 243, 253 des x-Sensors 200 sind abschnittsweise in der ersten Funktionsebene 320 angeordnet. In z-Richtung beabstandet oberhalb der ersten Funktionsebene 320 befindet sich eine zweite Funktionsebene 330, in der die seismische Masse 210 des x-Sensors 200 und die Elektrodenfinger 247, 257 des x-Sensors 200 angeordnet sind. Die Abstände zwischen den Ebenen 310, 320, 330 sind so bemessen, dass die Wippenmasse 110 des z-Sensors 100 unter dem Einfluss einer in z-Richtung wirkenden Beschleunigung verkippen kann, ohne mit den darüber und darunter liegenden Ebenen 310, 330 in Kontakt zu kommen.
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7 zeigt einen zu einer y-z-Ebene parallelen Schnitt durch einen zweiten z-Sensor 400. 8 zeigt eine Aufsicht auf den zweiten z-Sensor 400. Der z-Sensor 400 weist eine Wippenmasse 410 auf, die über eine zur x-Richtung parallele Torsionsfeder 420 und eine Substratanbindung 430 mit einem in den Figuren nicht dargestellten Substrat verbunden ist. Die Wippenmasse 410 weist auf einer Seite bezüglich der Torsionsfeder 420 eine Zusatzmasse 415 auf. 7 zeigt, dass die Torsionsfeder 420 und die Zusatzmasse 415 in z-Richtung über die übrigen Abschnitte der Wippenmasse 410 hinausragen. In z-Richtung unterhalb der Wippenmasse 410 sind eine linke Leiterbahnelektrode 440 und eine rechte Leiterbahnelektrode 450 angeordnet. Eine in z-Richtung auf den z-Sensor 400 wirkende Beschleunigung bewirkt wegen der Zusatzmasse 415 ein Verkippen der Wippenmasse 410 um die durch die Torsionsfeder 420 gebildete Drehachse, wodurch sich die Kapazitäten von durch die Wippenmasse 410 und die Leiterbahnelektroden 440, 450 gebildeten Kondensatoren ändern, was mittels einer Auswertelektronik detektiert werden kann. Die Funktionsweise des zweiten z-Sensors 400 entspricht insoweit derjenigen des ersten z-Sensors 100 der 1 und 2.
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9 zeigt einen zu einer y-z-Ebene parallelen Schnitt durch einen zweiten x-Sensor 500. 10 zeigt eine Aufsicht auf den zweiten x-Sensor 500. Der x-Sensor 500 weist eine seismische Masse 510 auf, die in z-Richtung oberhalb eines, in den Figuren nicht dargestellten, Substrats beweglich angeordnet ist. Die seismische Masse 510 ist als in der x-y-Ebene angeordneter Rahmen ausgebildet. Im durch den Rahmen der seismischen Masse 510 umgrenzten Bereich ist die seismische Masse 510 über zwei Biegefedern 520 mit Substratanbindungen 530 verbunden, die eine Verbindung zum darunterliegenden Substrat herstellen und auch als Zuleitungen dienen. Außerdem weist der Rahmen der seismischen Masse 510 eine Mehrzahl von Massenfingern 515 auf, die parallel zur y-Richtung in den Innenbereich des Rahmens der seismischen Masse 510 weisen. Im Innenbereich sind auch eine erste Gegenelektrode 540 und eine zweite Gegenelektrode 550 angeordnet. Jede der Gegenelektroden 540, 550 ist über eine auch als elektrische Zuleitung dienende Substratanbindung 543, 553 mit dem Substrat verbunden. Außerdem weisen die Gegenelektroden 540, 550 in y-Richtung verlaufende Elektrodenfinger 547, 557 auf, die gemeinsam mit den Massenfingern 515 der seismischen Masse 510 zwei Kondensatoren bilden. Durch eine Auslenkung der seismischen Masse 510 in x-Richtung ändern sich die Abstände zwischen den Massenfingern 515 und den Elektrodenfingern 547, 557 in entgegen gesetzte Richtungen, was zu einer Kapazitätsänderung der Kondensatoren führt, die mit einer Auswertelektronik detektiert werden kann. Die Funktionsweise des zweiten x-Sensors 500 entspricht insoweit derjenigen des ersten x-Sensors 200 der 3 und 4.
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11 zeigt einen zu einer y-z-Ebene parallelen Schnitt durch einen x-z-Sensor 600 gemäß einer zweiten Ausführungsform. 12 zeigt eine Aufsicht auf den x-z-Sensor 600. Der x-z-Sensor 600 umfasst in z-Richtung übereinander angeordnet den z-Sensor 400 der 7 und 8 und den x-Sensor 500 der 9 und 10. 11 zeigt, dass der x-z-Sensor 600 in z-Richtung übereinander angeordnet und jeweils voneinander beabstandet eine Leiterbahnebene 610, eine erste Funktionsebene 620 und eine zweite Funktionsebene 630 aufweist. In der Leiterbahnebene 610 sind fest mit dem Substrat verbunden die linke Leiterbahnelektrode 440, die rechte Leiterbahnelektrode 450 und die Substratanbindung 430 des z-Sensors 400 angeordnet. Außerdem sind die erste Substratanbindung 543 der ersten Gegenelektrode 540, die zweite Substratanbindung 553 der zweiten Gegenelektrode 550 und die Substratanbindung 530 des x-Sensors 500 in der Leiterbahnebene 610 mit dem Substrat verbunden. In der ersten Funktionsebene 620 ist die Wippenmasse 410 des z-Sensors 400 angeordnet. Durch eine nahe der Substratanbindung 430 und der Torsionsfeder 420 des z-Sensors 400 vorgesehenen Ausnehmung der Wippenmasse 410 verlaufen die erste Substratanbindung 543 der ersten Gegenelektrode 540 und die zweite Substratanbindung 553 der zweiten Gegenelektrode 550 des x-Sensors 500. In der zweiten Funktionsebene 630 befinden sich die seismische Masse 510 des x-Sensors 500, die erste Gegenelektrode 540 mit ihren ersten Elektrodenfingern 547 und die zweite Gegenelektrode 550 mit ihren zweiten Elektrodenfingern 557. Außerdem befinden sich in der zweiten Funktionsebene 630 die Torsionsfeder 420 und die Zusatzmasse 415 des z-Sensors 400. Die Torsionsfeder 420 und die Zusatzmasse 415 sind dabei von der seismischen Masse 510 und den Gegenelektroden 540, 550 beabstandet. Die beiden Teilsensoren des x-z-Sensors 600 sind somit in z-Richtung teilweise übereinander angeordnet, teilweise miteinander verschachtelt. In der zweiten Funktionsebene 630 sind Teile des z-Sensors 400 und Teile des x-Sensors 500 angeordnet. Die verschachtelte Anordnung des x-z-Sensors 600 hat den Vorteil, dass der zur Verfügung stehende dreidimensionale Raum optimal ausgenutzt wird.
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Die Teilsensoren einer mehrkanaligen Sensorstruktur können noch stärker miteinander verschachtelt werden. 15 und 16 zeigen einen Schnitt durch und eine Aufsicht auf eine verschachtelte Sensorstruktur 700, die über einem Substrat 730 angeordnet ist. Die verschachtelte Sensorstruktur 700 umfasst ein erstes bewegliches Element 710, das in 13 in einer Aufsicht dargestellt ist, und ein zweites bewegliches Element 720, das in 14 in einer Aufsicht gezeigt ist. Auf eine Darstellung von die beweglichen Elemente 710, 720 mit dem Substrat 730 verbindenden Federelementen wurde in den 13 bis 16 der Übersichtlichkeit halber verzichtet. Das erste bewegliche Element 710 und das zweite bewegliche Element 720 können beispielsweise beide in eine zur Oberfläche des Substrats 730 senkrechte z-Richtung auslenkbar sein. Die verschachtelte Sensorstruktur 700 kann dann zwei z-Kanäle zur Detektion von Beschleunigungen in z-Richtung aufweisen. Die Verwendung zweier getrennter Kanäle kann die Genauigkeit der Beschleunigungsmessung erhöhen. Das erste bewegliche Element 710 weist erste untere Massenabschnitte 713 und erste obere Massenabschnitte 717 auf. Das zweite bewegliche Element 720 weist zweite untere Massenabschnitte 723 und zweite obere Massenabschnitte 727 auf. Die unteren und oberen Massenabschnitte 713, 717 des ersten beweglichen Elements 710 sind dabei komplementär zu den unteren und oberen Massenabschnitten 723, 727 des zweiten beweglichen Elements 720 ausgebildet. Daher können das erste bewegliche Element 710 und das zweite bewegliche Element 720 miteinander verschachtelt werden, so dass in z-Richtung die unteren Massenabschnitte 713 des ersten beweglichen Elements 710 und die unteren Massenabschnitte 723 des zweiten beweglichen Elements 720 in einer gemeinsamen unteren Ebene und die oberen Massenabschnitte 717 des ersten beweglichen Elements 710 und die oberen Massenabschnitte 727 des zweiten beweglichen Elements 720 in einer gemeinsamen oberen Ebene angeordnet sind. Die untere und die obere Ebene sind dabei voneinander beabstandet. In den Übergangsbereichen zwischen unteren und oberen Massenabschnitten 713, 717, 723, 727 der beweglichen Elemente 710, 720 sind die einzelnen Massenabschnitte über den Abstand zwischen den in z-Richtung beabstandeten Ebenen hinweg durchverbunden.
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Der x-z-Sensor 300 der 5 und 6, der x-z-Sensor 600 der 11 und 12 und die verschachtelte Sensorstruktur 700 der 13 bis 16 weisen jeweils in z-Richtung senkrecht zur Oberfläche eines Substrats übereinander angeordnet eine Leiterbahnebene 310, 610, eine erste Funktionsebene 320, 620 und eine zweite Funktionsebene 330, 630 auf. Die zugrunde liegende Idee, bewegliche Elemente einzelner Sensorkerne in z-Richtung in unterschiedlichen leitfähigen Ebenen übereinander anzuordnen und miteinander zu verschachteln, kann auch auf ein System mit einer größeren Zahl von leitfähigen Ebenen und mehr als zwei Sensorkernen übertragen werden. Anhand der 17 bis 28 wird im Folgenden ein Verfahren erläutert, mit dem ein solches mikromechanisches System hergestellt werden kann.
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Die Bearbeitung beginnt mit einem Substrat 810, bei dem es sich beispielsweise um einen Silizium-Wafer handeln kann. Auf einer Oberfläche des Substrats 810 wird eine erste Isolationsschicht 820 abgeschieden. Die erste Isolationsschicht 820 kann beispielsweise aus einem Silizium-Oxid bestehen. Auf der ersten Isolationsschicht 820 wird eine erste leitfähige Schicht 830 abgeschieden, die beispielsweise aus polykristallinem Silizium besteht. In der ersten leitfähigen Schicht 830 können beispielsweise Leiterbahnen und fest mit dem Substrat 810 verbundene Elektroden erzeugt werden. Die erste leitfähige Schicht 830 entspricht dann den Leiterbahnebenen 310, 610 der 5 und 11. Die erste leitfähige Schicht 830 wird also entsprechend ihrer Verwendung strukturiert, was beispielsweise durch Ätzverfahren, etwa reaktives Ionenätzen, erfolgen kann. Anschließend wird eine zweite Isolationsschicht 840 abgeschieden und ebenfalls strukturiert. Die Strukturierung der zweiten Isolationsschicht 840 kann ebenfalls mittels geeigneterer Ätzverfahren erfolgen. Die nunmehr entstandene Schichtenstruktur 800 ist in 17 schematisch dargestellt.
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Im nächsten Verarbeitungsschritt wird eine zweite leitfähige Schicht 850 abgeschieden (18) und gegebenenfalls mittels beispielsweise chemomechanischer Verfahren planarisiert. Die zweite leitfähige Schicht 850 entspricht den ersten Funktionsebenen 320, 620 der 5 und 11. Überall dort, wo bei der Strukturierung der zuvor aufgebrachten zweiten Isolationsschicht 840 diese Isolationsschicht 840 entfernt wurde, entstehen leitfähige mechanische Verbindungen zwischen der ersten leitfähigen Schicht 830 und der zweiten leitfähigen Schicht 850. Auf diese Weise kann beispielsweise die leitfähige Substratanbindung 130 des x-z-Sensors 300 der 5 und 6 erzeugt werden. Anschließend wird die zweite leitfähige Schicht 850 strukturiert. In der zweiten leitfähigen Schicht 850 können bewegliche Elemente und andere Teile einer oder mehrerer mikromechanischer Sensorstrukturen angelegt werden. Der nunmehrige Bearbeitungsstand ist in 19 dargestellt.
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Im Folgenden wird eine dritte Isolationsschicht 860 abgeschieden und strukturiert. Beim Abscheiden der dritten Isolationsschicht 860 sollten die während des Strukturierens der zweiten leitfähigen Schicht 850 angelegten Ätzgräben möglichst gut verfüllt werden. Vor dem Strukturieren der dritten Isolationsschicht 860 kann, falls nötig, ein Politurschritt eingefügt werden. 20 zeigt den jetzigen Bearbeitungsstand.
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Anschließend wird eine dritte leitfähige Schicht 870 abgeschieden (21), die als zweite mikromechanische Funktionsebene dient und somit den zweiten Funktionsebenen 330, 630 der 5 und 11 entspricht. Nach einem optionalen Planarisieren der dritten leitfähigen Schicht 870 (22) wird die leitfähige Schicht 870 wiederum durch geeignete Verfahren strukturiert (23). Dabei werden die in dieser Funktionsebene vorgesehenen beweglichen Elemente, Federn und Gegenelektroden angelegt.
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Nun wird eine vierte Isolationsschicht 880 aufgebracht und strukturiert. Beim Abscheiden der vierten Isolationsschicht 880 ist wiederum eine möglichst gute Verfüllung der Ätzgräben in der darunter liegenden dritten leitfähigen Schicht 870 vorteilhaft. Der nunmehrige Bearbeitungsstand ist in 24 dargestellt.
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Anschließend wird eine vierte leitfähige Schicht 890 aufgebracht (25). Die vierte leitfähige Schicht 890 stellt eine dritte mikromechanische Funktionsebene dar, in der Teile einer oder mehrerer mikromechanischer Sensorstrukturen erzeugt werden können. Nach einem optionalen Planarisieren der vierten leitfähigen Schicht 890 kann eine Metallisierungsebene 900 aufgebracht und strukturiert werden. Das Strukturieren der Metallisierungsebene 900 kann ebenfalls mit Ätzverfahren erfolgen. Dies ist in 26 dargestellt. Die Metallisierungsebene 900 kann zum Kontaktieren der in der Schichtenstruktur 800 erzeugten mikromechanischen Systeme dienen. Anschließend wird die vierte leitfähige Schicht 890 wie gewünscht strukturiert. Dies ist in 27 gezeigt.
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Abschließend werden Teile der zweiten Isolationsschicht 840, der dritten Isolationsschicht 860 und der vierten Schicht 880 entfernt. Das Entfernen der Isolationsschichten 840, 860, 880 kann mit einem geeigneten Ätzverfahren, beispielsweise durch einen Opferschichtprozess mit gasförmiger Flusssäure erfolgen. Durch das Entfernen von Teilen der Isolationsschichten 840, 860, 880 können in der zweiten leitfähigen Schicht 850, der dritten leitfähigen Schicht 870 und der vierten leitfähigen Schicht 890 erzeugte mikromechanische Bauelemente freigestellt werden. 28 zeigt die fertig prozessierte Schichtenstruktur 800.
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Nach dem Abscheiden der leitfähigen Schichten 830, 850, 870, 890 können gegebenenfalls jeweils zusätzliche Prozessschritte zur Dotierung der leitfähigen Schichten 830, 850, 870, 890 durchgeführt werden. Das anhand der 17 bis 28 erläuterte Verfahren kann auch mit weiteren bekannten Prozessschritten kombiniert werden. Beispielsweise können Teilbereiche der Isolationsschichten 820, 840, 860, 880 eine reduzierte Schichtdicke aufweisen, wodurch sich in diesen Teilbereichen eine Noppenstruktur in der jeweils darüber liegenden leitfähigen Schicht 830, 850, 870, 890 ausbildet, was zu einer vorteilhaften Reduktion von Klebekräften führen oder die mechanische Robustheit erhöhen kann. Es ist ferner möglich, das erläuterte Verfahren mit einem Verfahren zur Substrat-Durchkontaktierung und zur Dünnschichtverkappung zu kombinieren. In diesem Fall kann auf die durch die erste leitfähige Schicht 830 gebildete Leiterbahnebene verzichtet werden. Das beschriebene Verfahren kann in trivialer Weise auch zur Herstellung einer Schichtenstruktur mit weiteren Isolationsschichten und leitfähigen Schichten erweitert werden.
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Die zweiten, dritten und vierten leitfähigen Schichten 850, 870, 890 können weitgehend unabhängig voneinander strukturiert werden, wodurch sich beliebige mikromechanische Elemente in den einzelnen Schichten anordnen und miteinander verschachteln lassen. In Bereichen, in denen die zwischen zwei leitfähigen Schichten liegenden Isolationsschichten 840, 860, 880 während des Strukturierens der Isolationsschichten 840, 860, 880 entfernt werden, werden die benachbarten leitfähigen Schichten 830, 850, 870, 890 miteinander verbunden. Dadurch ist es möglich, dass sich mehrere in den leitfähigen Schichten 850, 870, 890 erzeugte mikromechanische Elemente überbrücken bzw. untertunneln. Dies eröffnet große Freiheiten bei der mechanischen und elektrischen Verbindung der entstehenden mikromechanischen Strukturen. In der in 28 dargestellten Schichtenstruktur 800 mit vier leitfähigen Schichten 830, 850, 870, 890 kann insbesondere ein dreikanaliger Beschleunigungssensor mit drei voneinander unabhängig beweglichen, in z-Richtung teilweise übereinander angeordneten, teilweise miteinander verschachtelten, beweglichen Elementen erzeugt werden.
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29 zeigt einen Schnitt durch einen dritten z-Sensor 1100. 30 zeigt eine Aufsicht auf den dritten z-Sensor 1100. Der Aufbau des dritten z-Sensors 1100 entspricht dem des zweiten z-Sensors 400 der 7 und 8. Der z-Sensor 1100 ist zur Detektion von in z-Richtung wirkenden Beschleunigungen vorgesehen. Der z-Sensor 1100 umfasst eine Wippenmasse 1110, die über eine Torsionsfeder 1120 mit einer Substratanbindung 1130 verbunden ist, die ihrerseits in einer starren Verbindung mit einem nicht-dargestellten Substrat steht und auch als elektrische Zuleitung dient. Die Wippenmasse 1110 ist bezüglich der Torsionsfeder 1120 asymmetrisch ausgebildet und weist auf einer Seite der Torsionsfeder 1120 eine Zusatzmasse 1115 auf. In z-Richtung unterhalb der Wippenmasse 1110 sind fest mit dem Substrat verbunden eine linke Leiterbahnelektrode 1140 und eine rechte Leiterbahnelektrode 1150 angeordnet. Ein durch eine in z-Richtung wirkende Beschleunigung verursachtes Verkippen der Wippenmasse 1110 um die durch die Torsionsfeder 1120 gebildete Drehachse ändert die Kapazitäten der von linker Leiterbahnelektrode 1140 und Wippenmasse 1110, bzw. rechter Leiterbahnelektrode 1150 und Wippenmasse 1110, gebildeten Kondensatoren. Die Kapazitätsänderung stellt ein Maß für die Größe der Beschleunigung dar und kann mittels einer Auswertschaltung erfasst werden. 29 zeigt, dass die Zusatzmasse 1115 in z-Richtung oberhalb der übrigen Teile der Wippenmasse 1110 angeordnet ist. Auch die Torsionsfeder 1120 und die Substratanbindung 1130 ragen in z-Richtung über die Wippenmasse 1110 hinaus.
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31 zeigt einen Schnitt durch einen dritten x-Sensor 1200. 32 zeigt eine Aufsicht auf den dritten x-Sensor 1200. Der Aufbau des dritten x-Sensors 1200 entspricht dem des zweiten x-Sensors 500 der 9 und 10. Der x-Sensor 1200 weist eine seismische Masse 1210 mit in y-Richtung verlaufenden Massenfingern 1215 auf. Die seismische Masse 1210 ist über zwei Biegefedern 1220 mit zwei Substratanbindung 1230 verbunden, die eine Verbindung zum in z-Richtung unterhalb der seismischen Masse 1210 liegenden Substrat herstellen. Eine erste Gegenelektrode 1240 ist über eine erste Substratanbindung 1243 mit dem Substrat verbunden und weist erste Elektrodenfinger 1247 auf, die parallel zu einigen der Massenfinger 1215 verlaufen. Eine zweite Gegenelektrode 1250 ist über eine zweite Substratanbindung 1253 mit dem Substrat verbunden und weist zweite Elektrodenfinger 1257 auf, die parallel zu den übrigen Massenfingern 1215 der seismischen Masse 1210 verlaufen. Eine in x-Richtung auf den x-Sensor 1200 wirkende Beschleunigung führt zu einer Auslenkung der seismischen Masse 1210 in x-Richtung, wodurch sich die Abstände zwischen den Massenfingern 1215 und den ersten Elektrodenfingern 1247, bzw. den zweiten Elektrodenfingern 1257 verändern. Die durch die ersten Elektrodenfinger 1247 und die Massenfinger 1215, bzw. die zweiten Elektrodenfinger 1257 und die Massenfinger 1215 gebildeten Kondensatoren erfahren dadurch Kapazitätsänderungen, die ein Maß für die Größe der wirkenden Beschleunigung darstellen und mittels einer Auswertschaltung erfasst werden können.
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33 zeigt einen Schnitt durch einen y-Sensor 1300. 34 zeigt eine Aufsicht auf den y-Sensor 1300. Der y-Sensor 1300 ist zur Detektion von in y-Richtung wirkenden Beschleunigungen vorgesehen und entspricht in seinem Aufbau dem x-Sensor 1200 der 31 und 32, wobei der Sensor um einen Winkel von 90° um die z-Achse gedreht wurde. Somit weist der y-Sensor 1300 eine seismische Masse 1310 auf, die über zwei Biegefedern 1320 mit Substratanbindungen 1330 verbunden ist, die in starrer Verbindung mit dem Substrat stehen. Die seismische Masse 1310 kann gegen die Biegefedern 1320 in y-Richtung ausgelenkt werden. Die seismische Masse 1310 weist eine Mehrzahl von Massenfingern 1315 auf. Eine erste Gegenelektrode 1340 ist über eine Substratanbindung 1343 mit dem darunter liegenden Substrat verbunden. Die erste Gegenelektrode 1340 weist eine Mehrzahl erster Elektrodenfinger 1347 auf, die parallel zu den Massenfingern 1315 auf einer Seite der seismischen Masse 1310 verlaufen. Eine zweite Gegenelektrode 1350 ist über eine zweite Substratanbindung 1353 mit dem darunter liegenden Substrat verbunden. Zweite Elektrodenfinger 1357 der zweiten Gegenelektrode 1350 verlaufen parallel zu den Massenfingern 1315 auf der anderen Seite der seismischen Masse 1310. Die ersten Elektrodenfinger 1357 und die Massenfinger 1315 bilden einen ersten Kondensator mit einer ersten Kapazität. Die zweiten Elektrodenfinger 1357 und die Massenfinger 1315 bilden einen zweiten Kondensator mit einer zweiten Kapazität. Durch eine Auslenkung der seismischen Masse 1310 in y-Richtung ändern sich die Abstände zwischen den Massenfingern 1315 und den Elektrodenfingern 1347, 1357, wodurch sich die Kapazitäten der Kondensatoren ändern. Diese Kapazitätsänderungen können wiederum mit einer Auswertschaltung erfasst werden. Im Unterschied zum x-Sensor 1200 sind die Substratanbindungen 1330, 1343, 1353 des y-Sensors 1300 in z-Richtung verlängert, wie 33 zeigt. Die seismische Masse 1310 ist also in z-Richtung weiter oberhalb des Substrats angeordnet als die seismische Masse 1210 des x-Sensors 1200.
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35 zeigt einen Schnitt durch einen x-y-z-Sensor 1400 gemäß einer vierten Ausführungsform. 36 zeigt eine Aufsicht auf den x-y-z-Sensor 1400. Der x-y-z-Sensor 1400 weist drei voneinander unabhängige Sensorkerne mit drei unabhängig voneinander auslenkbaren beweglichen Elementen auf, mittels derer in x-, y- und z-Richtung wirkende Beschleunigungen unabhängig voneinander detektiert werden können. Zu diesem Zwecke sind beim x-y-z-Sensor 1400 der z-Sensor 1100 der 29 und 30, der x-Sensor 1200 der 31 und 32 und der y-Sensor 1300 der 33 und 34 miteinander kombiniert. Der x-y-z-Sensor 1400 umfasst in z-Richtung übereinander beabstandet angeordnet eine Leiterbahnebene 1410, eine erste Funktionsebene 1420, eine zweite Funktionsebene 1430 und eine dritte Funktionsebene 1440. In der Leiterbahnebene 1410 sind die linke Leiterbahnelektrode 1140 und die rechte Leiterbahnelektrode 1140 des z-Sensors 1100 angeordnet. Außerdem sind die Substratanbindung 1130 des z-Sensors 1100, die Substratanbindungen 1230, 1234, 1253 des x-Sensors 1200 und die Substratanbindungen 1330, 1343, 1353 des y-Sensors 1300 in der Leiterbahnebene 1410 mit dem Substrat verbunden. In der ersten Funktionsebene 1420 ist die Wippenmasse 1110 des z-Sensors 1100 angeordnet. Die Substratanbindungen 1230, 1243, 1253 des x-Sensors 1200 und die Substratanbindungen 1330, 1343, 1353 des y-Sensors 1300 verlaufen durch eine neben der Torsionsfeder angeordnete Ausnehmung in der Wippenmasse 1110 des z-Sensors 1100. In der zweiten Funktionsebene 1430 ist die Zusatzmasse 1115 der Wippenmasse 1110 des z-Sensors 1100 angeordnet. Außerdem befinden sich in der zweiten Funktionsebene 1430 die seismische Masse 1210 und die Elektrodenfinger 1247, 1257 des x-Sensors 1200. Die Substratanbindungen 1330, 1343, 1353 des y-Sensors 1300 verlaufen in der zweiten Funktionsebene 1430 durch eine Ausnehmung in der seismischen Masse 1210 des x-Sensors 1200. In der dritten Funktionsebene 1440 sind die seismische Masse 1310 und die Gegenelektroden 1340, 1350 des y-Sensors 1300 angeordnet.
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Der x-y-z-Sensor 1400 kann mittels des anhand der 17 bis 28 erläuterten Verfahrens hergestellt werden. Die Leiterbahnebene 1410, die erste Funktionsebene 1420, die zweite Funktionsebene 1430 und die dritte Funktionsebene 1440 entsprechen dann den leitfähigen Schichten 830, 850, 870, 890. Die Ebenen 1410, 1420, 1430, 1440 sind jeweils voneinander beabstandet. Diese Abstände sind durch Herauslösen der zwischenliegenden Isolationsschichten 840, 860, 880 entstanden. Der Abstand zwischen der ersten Funktionsebene 1420 und der zweiten Funktionsebene 1430 ist ausreichend groß, um ein Verkippen der Wippenmasse 1110 des z-Sensors 1100 um die durch die Torsionsfeder 1120 gebildete Drehachse zu ermöglichen, ohne dass die Wippenmasse 1110 mit der in z-Richtung darüber angeordneten seismischen Masse 1210 des x-Sensors 1200 in Kontakt kommt. Entsprechend sind auch die in der zweiten Funktionsebene 1430 angeordneten Teile des z-Sensors 1100 und des x-Sensors 1200 ausreichend voneinander beabstandet. Durch die in z-Richtung überlappende Anordnung des z-Sensors 1100, des x-Sensors 1200 und des y-Sensors 1300 ergibt sich eine äußerst kompakte Bauform des x-y-z-Sensors 1400.
