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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Struktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche mikromechanischen Strukturen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 102 37 410 A1 ein Drehratensensor mit Coriolis-Elementen bekannt, wobei die Coriolis-Elemente mittels Antriebsstrukturen zu Schwingungen parallel zu einer ersten Achse angeregt werden und wobei Auslenkungen der Coriolis-Elemente aufgrund senkrecht zur ersten Achse auf die Coriolis-Elemente wirkenden Corioliskräften mittels Detektionsstrukturen detektiert werden. Die Antriebs- und Detektionsstrukturen umfassen dabei mikromechanische Strukturen, wobei die Antriebsstrukturen in Form von Kammstrukturen ausgebildet sind. Die Kammstrukturen umfassen einen festen und einen beweglichen Kamm, welche im Wesentlichen in der gleichen Ebene parallel zum Substrat angeordnet sind. Sowohl der feste Kamm, als auch der bewegliche Kamm weisen jeweils eine Mehrzahl von Fingerelektroden auf, welche parallel zu einer Antriebsrichtung ineinandergreifen. Die Antriebskraft parallel zur Antriebsrichtung ist dabei reziprok abhängig von den Abständen zwischen den Fingerelektroden des beweglichen Kamms und den Fingerelektroden des festen Kamms. Der mögliche Mindestabstand wird dabei durch den mikromechanischen Herstellungsprozess limitiert, welcher eine untere Strukturierungsgrenze aufweist. Zusätzlich weist der mikromechanische Herstellungsprozess eine Streuung bei der Herstellung der mikromechanischen Struktur auf, durch welche der Abstand zwischen den Fingerelektroden in gewissen Grenzen variiert. Darüberhinaus weist die mikromechanische Struktur eine Asymmetrie auf, da oberhalb der Antriebsstrukturen deutlich mehr Raum als unterhalb der Antriebsstruktur zur Verfügung steht. Dies führt dazu, dass die Antriebsstruktur auf die seismische Masse nicht nur eine Antriebskraft parallel zum Substrat, sondern auch eine sogenannte Levitationskraft senkrecht zum Substrat ausübt. Die seismische Masse führt infolgedessen eine sogenannte Levitationsbewegung senkrecht zum Substrat aus, welche der durch die Corioliskräfte erzeugten Detektionsbewegung in ungewünschter Weise überlagert ist. Eine weitere Kammstruktur ist aus der
DE 600 38 137 T2 bekannt, in der eine Anordnung beschrieben wird, bei der die beweglichen Kammfinger senkrecht zur Haupterstreckungsebene der seismischen Masse abstehen und die festen Kammfinger senkrecht zur Substratebene und parallel zu den beweglichen Kammfingern abstehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur und das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellung einer mikromechanischen Struktur, sowie die erfindungsgemäße Verwendung der mikromechanischen Struktur gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass einerseits die Effizienz bzw. die Empfindlichkeit der mikromechanischen Struktur erhöht wird und andererseits die Levitationskräfte erheblich reduziert werden. Die Steigerung der Effizienz bzw. der Empfindlichkeit wird dadurch erzielt, dass entlang einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung deutlich kleinere Minimalabstände zwischen der Gegenelektrode und der Festelektrode realisierbar sind und sich somit die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen der Gegenelektrode und der Festelektrode erhöhen. Die Steigerung der Effizienz bzw. der Empfindlichkeit führt darüberhinaus dazu, dass bei der gleichen elektrostatischen Wechselwirkungskraft zwischen der Festelektrode und der Gegenelektrode bei der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur eine im Vergleich zum Stand der Technik erhebliche kleinere Substratfläche benötigt wird. Die Bauraumkompaktheit und die Herstellungskosten sind somit reduzierbar. Eine Reduktion der Levitationskräfte wird dadurch erzielt, dass senkrecht zur Haupterstreckungsebene auf beiden Seite der Gegenelektrode die Festelektrode angeordnet ist und somit die Symmetrie der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur senkrecht zur Haupterstreckungsebene erhöht wird. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur gegenüber dem Stand der Technik ist, dass die Strukturen der mikromechanischen Struktur mit größerer Präzision herstellbar ist, da die herstellungsbedingten Streuungen parallel zur Haupterstreckungsebene üblicherweise deutlich höher als senkrecht zur Haupterstreckungsebene sind. Dies führt dazu, dass elektrostatische Wechselwirkungen zwischen der Gegenelektroden und der Festelektrode deutlich genauer einstellbar und/oder detektierbar sind. Das Substrat umfasst bevorzugt ein Halbleitersubstrat und besonders bevorzugt ein Siliziumsubstrat, während die seismische Masse, die Gegenelektrode und/oder die Festelektrode bevorzugt Polysilizium und/oder epitaktisches Silizium umfassen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Festelektrodenbereich als Leiterbahn auf dem Substrat ausgebildet ist. In vorteilhafter Weise ist somit der erste Festelektrodenbereich vergleichsweise einfach und kostengünstig in einem Standardhalbleiterherstellungsverfahren herstellbar. Eine Ausbildung des ersten Festelektrodenbereichs in Form einer Leiterbahn hat zudem den Vorteil, dass eine vergleichsweise geringe Bauhöhe senkrecht zur Haupterstreckungsebene verbunden mit einer vergleichsweise guten elektrischen Leitfähigkeit realisierbar ist. Die Leiterbahn umfasst vorzugsweise ein Polysilizium. Alternativ ist aber auch eine Realisierung der Leiterbahn aus Metall denkbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zweite Festelektrodenbereich mittels eines Anschlussbereichs mit dem ersten Festelektrodenbereich elektrisch leitfähig verbunden ist, wobei der Anschlussbereich sich im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsebene erstreckt und der Anschlussbereich von der Gegenelektrode parallel zur Haupterstreckungsebene beabstandet ist. In vorteilhafter Weise wird somit ein gleiches elektrisches Potential auf dem ersten und dem zweiten Festelektrodenbereich gewährleistet und gleichzeitig ein elektrischer Kurzschluss zwischen der Festelektrode und der Gegenelektrode wirksam verhindert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur eine Mehrzahl von Festelektroden und eine Mehrzahl von Gegenelektroden aufweist. In vorteilhafter Weise ist somit eine Anpassung der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen der Gegenelektrode und der Festelektrode in einfacher Weise möglich. Eine derartige Anpassung wird im Übrigen beispielsweise über die Wahl der Überlapplänge zwischen der Gegenelektrode und der Festelektrode, durch die Wahl des Abstands zwischen der Gegenelektrode und der Festelektrode und/oder durch die Wahl der Dicke der Gegenelektrode senkrecht zur Haupterstreckungsebene erzielt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein erster Abstand zwischen dem ersten Festelektrodenbereich und der Gegenelektrode senkrecht zur Haupterstreckungsebene im Wesentlichen gleich einem zweiten Abstand zwischen dem zweiten Festelektrodenbereich und der Gegenelektrode senkrecht zur Haupterstreckungsebene ist. In vorteilhafter Weise wird somit die Symmetrie der mikromechanischen Struktur senkrecht zur Haupterstreckungsebene maximiert, so dass im Wesentlichen keinerlei Levitationskräfte senkrecht zur Haupterstreckungsebene auftreten. Unerwünschte Auslenkungen der seismischen Masse senkrecht zur Haupterstreckungsebene werden somit vermieden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur eine Antriebsstruktur und/oder eine Detektionsstruktur umfasst, wobei die mikromechanische Struktur bevorzugt eine Antriebs- und/oder eine Detektionsstruktur eines Sensorelements, besonders bevorzugt eines Beschleunigungs- und/oder Drehratensensorelements umfasst. In vorteilhafter Weise wird somit insbesondere eine vergleichsweise effiziente und somit bauraumkompakte Antriebsstruktur zum Antreiben der seismischen Masse realisierbar, mit welcher vergleichsweise hohe Antriebskräfte auf die seismische Masse zu erzeugen sind. Andererseits ist ebenso eine effiziente und bauraumkompakte Detektionsstruktur zur Detektion einer Bewegung der seismischen Masse realisierbar, wobei eine vergleichsweise hohe Detektionsempfindlichkeit und somit eine hohe Messgenauigkeit zu erzielen ist.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur, wobei in einem ersten Verfahrensschritt das Substrat bereitgestellt wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt der erste Festelektrodenbereich auf dem Substrat angeordnet wird, wobei in einem dritten Verfahrensschritt eine erste Opferschicht auf dem ersten Festelektrodenbereich angeordnet wird, wobei in einem vierten Verfahrensschritt die Gegenelektrode auf der ersten Opferschicht angeordnet wird und wobei in einem fünften Verfahrensschritt eine zweite Opferschicht auf der Gegenelektrode angeordnet wird, wobei in einem sechsten Verfahrensschritt der zweite Festelektrodenbereich auf der zweiten Opferschicht angeordnet wird und wobei in einem siebten Verfahrensschritt die erste und/oder die zweite Opferschicht geätzt werden. In vorteilhafter Weise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine vergleichsweise präzise Herstellung der mikromechanischen Struktur, so dass geringere Abstände zwischen der Gegenelektrode und den Festelektroden realisierbar sind. Dies führt dazu, dass eine mikromechanische Struktur realisierbar ist, welche im Vergleich zum Stand der Technik eine deutlich höhere Effizienz bzw. Empfindlichkeit aufweist und wobei ferner die ungewünschten Levitationskräfte reduziert werden. Desweiteren werden die herstellungsbedingten Streuungen reduziert, so dass die Strukturgenauigkeit der mikromechanischen Struktur erhöht wird. Dies führt dazu, dass beispielsweise bei einer Ausbildung der mikromechanischen Struktur als Detektionsstruktur die Variation der Detektionsempfindlichkeit reduziert wird. Die erste und die zweite Opferschicht umfassen bevorzugt Oxidschichten und besonders bevorzugt Siliziumdioxidschichten. Zur Erhöhung der Symmetrie ist die Dicke der ersten Opferschicht senkrecht zur Haupterstreckungsebene vorzugsweise im Wesentlichen gleich der Dicke der zweiten Opferschicht. Der siebte Herstellungsschritt umfasst vorzugsweise ein Gasphasenätzprozess. Das Substrat wird vor dem ersten Verfahrensschritt vorzugsweise ferner mit einer Isolationsschicht beschichtet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im dritten Verfahrensschritt die erste Opferschicht und/oder eine Mehrzahl von ersten Opferschichten abgeschieden und strukturiert werden und/oder dass im fünften Verfahrensschritt die zweite Opferschicht und/oder eine Mehrzahl von zweiten Opferschichten abgeschieden und strukturiert werden, wobei bevorzugt die Mehrzahl von ersten und/oder zweiten Opferschichten unterschiedliche Materialstärken und/oder unterschiedliche Strukturierungen aufweisen. In vorteilhafter Weise werden die Mehrzahl von ersten Opferschichten unterschiedlich dick ausgebildet und/oder unterschiedlich strukturiert und/oder werden die Mehrzahl von ersten Opferschichten unterschiedlich dick ausgebildet und/oder unterschiedlich strukturiert, so dass in vorteilhafter Weise die Geometrie der verschiedenen Elektrodenbereiche frei anpassbar und unterschiedlich zueinander auszubilden ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in einem achten Verfahrensschritt die erste und/oder die zweite Opferschicht zumindest in einem Kontaktbereich geätzt werden, wobei bevorzugt der achte Verfahrensschritt zeitlich vor dem vierten und/oder sechsten Verfahrensschritt durchgeführt wird. In vorteilhafter Weise wird die erste und/oder zweite Opferschicht im achten Herstellungsschritt zumindest im Kontaktbereich entfernt, so dass sich im Rahmen des sechsten Verfahrensschritts der Anschlussbereich im Kontaktbereich ausbilden kann. Im siebten Verfahrensschritt wird dann nur noch die restliche erste und zweite Opferschicht (außerhalb des Kontaktbereichs) entfernt. In vorteilhafter Weise wird somit in einfacher Weise ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Festelektrodenbereich hergestellt.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Verwendung einer mikromechanischen Struktur zum Antreiben der seismischen Masse relativ zum Substrat und/oder als Detektionsstruktur zur Detektion einer Bewegung der seismischen Masse relativ zum Substrat. In vorteilhafter Weise wird somit, wie oben bereits ausführlich dargestellt wurde, eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich höhere Effizienz beim Antreiben der seismischen Masse und/oder eine deutlich höhere Empfindlichkeit beim Detektieren einer Bewegung der seismischen Masse erzielt.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Figurenliste
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Es zeigen
- 1 eine schematische Aufsicht einer Kammelektrodenstruktur gemäß dem Stand der Technik,
- 2 eine schematische Schnittbildansicht einer Kammelektrodenstruktur gemäß dem Stand der Technik und
- 3 eine schematische Perspektivansicht einer mikromechanischen Struktur gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
1 ist eine schematische Aufsicht einer Kammelektrodenstruktur 20 gemäß dem Stand der Technik dargestellt, wobei die Kammelektrodenstruktur 20 einen mit einem Substrat 21 fest verbundenen ersten Kamm 22 und einen gegenüber dem ersten Kamm 22 entlang einer Antriebsrichtung 23 beweglichen zweiten Kamm 24 aufweist. Der erste Kamm 22 umfasst eine Mehrzahl von ersten Fingerelektroden 22', während der zweite Kamm 24 eine Mehrzahl von zweiten Fingerelektroden 24' aufweist. Die ersten und zweiten Fingerelektroden 22', 24' sind senkrecht zur Antriebsrichtung 23 versetzt zueinander angeordnet und greifen entlang der Antriebsrichtung 23 ineinander. Durch eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Kamm 22, 23 wird eine elektrostatische Wechselwirkung zwischen den ersten und den zweiten Fingerelektroden 22', 24' erzeugt, wodurch auf den zweiten Kamm 24 eine Antriebskraft 25 parallel zur Antriebsrichtung 23 und in Richtung des ersten Kamms 22 wirkt. Im unteren Bereich der
1 ist eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts 27 des ersten und zweiten Kamms 22, 24 abgebildet. Die Größe der Antriebskraft 25 ist reziprok proportional zum jeweiligen Abstand 26 zwischen den ersten und zweiten Fingerelektroden 22', 24'. Der Abstand 26 ist in der vergrößerten Teilansicht 27 der Kammelektrodenstruktur 20 illustriert. Die Antriebskraft 25 (F
Kamm) ergibt sich insbesondere aus
wobei N die Anzahl der zweiten Fingerelektroden 24', h die Dicke der zweiten Fingerelektroden 24' senkrecht zum Substrat 21, d der Abstand 26 und U die elektrische Spannung zwischen den ersten und zweiten Fingerelektroden 22', 24' ist. Alternativ wird eine derartige Kammelektrodenstruktur 20 auch als Detektionsstruktur verwendet, wobei eine Bewegung des zweiten Kamms 24 relativ zum ersten Kamm 22, beispielsweise aufgrund einer externen Trägheits- oder Corioliskraft, eine Veränderung der elektrischen Kapazität zwischen den ersten und den zweiten Fingerelektroden 22', 24' führt, welche durch Analyse der elektrischen Spannung U ausgewertet wird.
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In 2 ist eine schematische Schnittbildansicht einer Kammelektrodenstruktur 20 gemäß dem Stand der Technik dargestellt, wobei die Kammelektrodenstruktur 20 der in 1 illustrierten Kammelektrodenstruktur 20 ähnelt und lediglich zur Illustration einer Levitationskraft 28 in einer Schnittbildansicht abgebildet ist. Der zweite Kamm 24 ist dabei parallel zum Substrat 21 zwischen zwei ersten Kämmen 22 angeordnet. Aufgrund der Nähe zum Substrat 21 ist auf einer dem Substrat 21 abgewandten Seite des zweiten Kamms 24 deutlich mehr Raum, als auf einer dem Substrat 21 zugewandten Seite des zweiten Kamms 24. Dies führt dazu, dass eine elektrische Spannung U zwischen dem zweiten Kamm 24 und einem der ersten Kämme 22 auch eine Kraftkomponente, die sogenannte Levitationskraft 28 senkrecht zum Substrat 21 auf den zweiten Kamm 24 ausübt. Mit den Pfeilen 29 ist schematisch das elektrische Feld zwischen dem zweiten Kamm 24 und den ersten Kämmen 22 aufgrund der elektrischen Spannung U illustriert.
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In
3 ist eine schematische Perspektivansicht einer mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die mikromechanische Struktur 1 ein eine Haupterstreckungsebene 100 aufweisendes Substrat 2 und eine seismische Masse 3 umfasst. Die seismische Masse 3 ist gegenüber dem Substrat 2 beweglich gelagert. Die mikromechanische Struktur 1 umfasst ferner eine an der seismischen Masse 3 befestigte Gegenelektrode 5 und eine am Substrat 2 befestigte Festelektrode 4. Die Festelektrode 4 umfasst einen ersten Festelektrodenbereich 4' und einen zweiten Festelektrodenbereich 4". Die Gegenelektrode 5 ist senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 zumindest teilweise zwischen dem ersten und dem zweiten Festelektrodenbereich 4', 4" angeordnet, wobei ein erster Abstand zwischen dem ersten Festelektrodenbereich 4' und der Gegenelektrode 5 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 im Wesentlichen gleich einem zweiten Abstand zwischen dem zweiten Festelektrodenbereich 4" und der Gegenelektrode 5 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 ist. Der erste und der zweiten Festelektrodenbereich 4', 4" sind mittels eines Anschlussbereichs 6, welcher sich senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 vom ersten Festelektrodenbereich 4' bis zum zweiten Festelektrodenbereich 4" erstreckt, elektrisch leitfähig miteinander verbunden bzw. elektrisch kurzgeschlossen. Der Anschlussbereich 6 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Festelektrodenbereich 4', 4" entlang einer Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene 100 von der Gegenelektroden 5 beabstandet, so dass die Bewegungsfreiheit der seismischen Masse 3 parallel zur Haupterstreckungsebene 100 nicht eingeschränkt wird. Eine elektrische Spannung U zwischen der Gegenelektrode 5 und der Festelektrode 4 bewirkt eine auf die seismische Masse 3 parallel zur Haupterstreckungsebene 100 in Richtung des Anschlussbereichs 6 wirkende Antriebskraft 8, welche sich insbesondere aus
berechnet, wobei b
vert die Breite 10 der Gegenelektrode 5 parallel zur Haupterstreckungsebene 100 und senkrecht zur Antriebskraft 8 ist und wobei d
ox gleich dem ersten und dem zweiten Abstand ist. In
3 ist ferner die Überlappungslänge 9 der Gegenelektrode 5 und der Festelektrode 4 parallel zur Antriebskraft 8 illustriert. Das Substrat 2 umfasst vorzugsweise ein insbesondere monokristallines Wafersubstrat und/oder eine polykristalline Siliziumschicht. Ferner umfassen die Gegenelektrode 5, der Anschlussbereich 6 und der zweite Festelektrodenbereich 4" vorzugsweise polykristalline Siliziumschichten, während der erste Festelektrodenbereich 4' vorzugsweise eine Polysilizium-Leiterbahn umfasst. Die Herstellung der mikromechanischen Struktur 1 umfasst insbesondere einen ersten Verfahrensschritt zur Bereitstellung des Substrats 2, einen zweiten Verfahrensschritt zur Abscheidung des ersten Festelektrodenbereichs 4' auf dem Substrat 2, einen dritten Verfahrensschritt zur Abscheidung einer ersten Opferschicht, insbesondere einer ersten Oxidschicht auf dem ersten Festelektrodenbereich 4', einen vierten Verfahrensschritt zur Abscheidung der Gegenelektrode 5 auf der ersten Opferschicht, einen fünften Verfahrensschritt zur Abscheidung einer zweiten Opferschicht, insbesondere einer zweiten Oxidschicht, einen sechsten Verfahrensschritt zur Abscheidung des zweiten Festelektrodenbereichs 4" auf der zweiten Opferschicht und einen abschließenden siebten Verfahrensschritt zum Ätzen der ersten und der zweiten Opferschicht, wodurch die Gegenelektrode 5 und der zweite Festelektrodenbereich 4" freigestellt werden. Die erste und die zweite Opferschicht werden im dritten und fünften Verfahrensschritt jeweils abgeschieden und strukturiert. Der erste Festelektrodenbereich 4' umfasst insbesondere einen Kontaktbereich 7, in welchem die erste und die zweite Opferschicht in einem zeitlich vor dem sechsten Verfahrensschritt durchgeführten achten Verfahrensschritt geätzt werden, so dass sich im sechsten Verfahrensschritt im Kontaktbereich 7 der Anschlussbereich 6 zum elektrisch leitfähigen Verbinden des ersten und des zweiten Festelektrodenbereichs 4', 4" ausbildet. Die mikromechanische Struktur 1 wird insbesondere als Antriebsstruktur zum Antreiben der seismischen Masse 3 relativ zum Substrat 2 oder alternativ als Detektionsstruktur zur Detektion einer Bewegung der seismischen Masse 3 relativ zum Substrat 2 verwendet, wobei die Antriebs- oder Detektionsstruktur vorzugsweise in einen mikromechanischen Drehratensensor implementiert sind. Das Substrat 2 wird vor dem ersten Verfahrensschritt vorzugsweise mit einer Isolationsschicht beschichtet.
