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Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil. Ebenso betrifft die Erfindung ein mikromechanisches Bauteil. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung mit der verstellbaren Masse des mikromechanischen Bauteils als sensitives Element und eine derartige Sensorvorrichtung.
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Stand der Technik
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Ein Beschleunigungssensor ist häufig als kapazitiver Beschleunigungssensor ausgebildet. Ein derartiger kapazitiver Beschleunigungssensor umfasst in der Regel eine an einer verstellbaren Masse angeordnete Aktorelektrode und eine fest mit einer Halterung des Beschleunigungssensors verbundene Statorelektrode. Bei einer Beschleunigung des kapazitiven Beschleunigungssensors bewirkt eine Verstellbewegung der verstellbaren Masse eine Änderung eines Abstands zwischen den Elektroden. Durch Auswerten einer zwischen den Elektroden anliegenden Spannung ist die Beschleunigung des Beschleunigungssensors ermittelbar.
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Die Elektroden eines kapazitiven Beschleunigungssensors können als Kammstrukturen ausgebildet sein. Als Alternative dazu beschreibt die
US 2008/0142914 A1 einen Beschleunigungssensor mit Aktor-Plattenelektroden, welche an einer Membran angeordnet sind. Benachbart zu den Aktor-Plattenelektroden sind Stator-Plattenelektroden fest mit der Halterung des Beschleunigungssensors verbunden. Um bei einer Beschleunigung des Beschleunigungssensors eine ausreichende Änderung einer Verwölbung der Membran zu erhalten, ist eine als träge Masse ausgebildete verstellbare Masse an der Membran angehängt.
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Die
US 2002/0196522 A1 beschreibt einen Verstellmechanismus für ein an einer verstellbaren Masse befestigtes optisches Element, wobei die verstellbare Masse mittels einer verformbaren Membran an einer Halterung aufgehängt ist und mit einer Aktor-Plattenelektrode bestückt ist. Eine an einer Verkappungsstruktur ausgebildete Stator-Plattenelektrode ist benachbart zu der Aktor-Plattenelektrode angeordnet, indem die Verkappungsstruktur über einen Abstandsring an der Halterung befestigt ist.
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Des Weiteren beschreibt die
DE 10 2007 046 017 A1 ein Sensorelement mit einer seismischen Masse und einer Gegenelektrode, wobei die seismische Masse und die Gegenelektrode aus einer gemeinsamen Schicht herausstrukturiert sind. Die seismische Masse ist mittels einer Membran an einer Halterung aufgehängt. Benachbart zu der Gegenelektrode liegende Bereiche der Membran wirken als Elektrodenbereiche mit der Gegenelektrode zusammen, so dass mittels eines Detektierens einer Abstandsänderung zwischen den Elektrodenbereichen und der Gegenelektrode eine Verstellbewegung der seismischen Masse ermittelbar sein soll.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6, ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
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Die Herstellungsverfahren sind auf einfache Weise in der Silizium-Mikrosystemtechnik ausführbar. Die Ausführbarkeit der Herstellungsverfahren ist jedoch nicht auf das Herausstrukturieren der verstellbaren Masse aus einem Siliziumsubstrat beschränkt. Als Alternative oder als Ergänzung zu Silizium können die verstellbare Masse und der Rahmen auch aus einem anderen Substratmaterial, wie einem Metall und/oder einem Halbleitermaterial, gebildet werden. Zum Herstellen des mikromechanischen Bauteils kann beispielsweise eine MEMS-Prozessierung herangezogen werden. Zusätzlich erleichtert die mindestens eine Ätzöffnung das Entfernen zumindest der Teilmasse der zweiten isolierenden Schicht. Bevorzugterweise kann die mindestens eine Ätzöffnung einen Durchmesser zwischen 0.05 µm und 5 µm aufweisen. Eine derart ausgebildete Ätzöffnung eignet sich besonders für ein Glob-Top und ein Vergelen zum Abdichten des mikromechanischen Bauteils gegen ein Eindringen von Fremdstoffen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird mindestens ein durch den Rahmen durchgehender und mindestens eine Kontaktfläche des mindestens einen Kontaktanschlusses kontaktierender Durchkontakt gebildet. Ein derartiger Durchkontakt beeinträchtigt nicht die Verstellbarkeit der verstellbaren Masse. Zusätzlich gewährleistet der Durchkontakt einen verlässlichen elektrischen Kontakt zwischen der mindestens einen der Kontaktfläche und der von den Elektroden weggerichteten zweiten Seite des Rahmens. Der Rahmen kann somit auf einfache Weise an der zweiten Seite auf einer Leiterplatte oder einem CMOS-Chip verbaut werden.
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Beispielsweise kann zum Bilden des mindestens einen Durchkontakts mindestens ein zweiter Graben gebildet werden, wobei der mindestens eine zweite Graben in die erste Richtung so geätzt wird, dass die mindestens eine Kontaktfläche freigelegt wird und/oder mindestens eine die mindestens eine Kontaktfläche umrahmende Grenzfläche des mindestens einen zweiten Grabens gebildet wird. Dies ist einfach und kostengünstig ausführbar.
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Vorzugsweise werden der mindestens eine erste Graben und der mindestens eine zweite Graben in einem gemeinsamen Ätzschritt gebildet. Unter einem Ätzen des mindestens einen ersten Grabens und des mindestens einen zweiten Grabens in einem gemeinsamen Ätzschritt ist beispielsweise zu verstehen, dass eine Maske strukturiert wird, deren durchgehende Aussparungen den Positionen und den Breiten des mindestens einen ersten Grabens und des mindestens einen zweiten Grabens entsprechen. Dies vereinfacht die Herstellung des mikromechanischen Bauteils und reduziert die Herstellungskosten.
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Vorteilhafterweise wird mittels des mindestens einen zweiten Grabens die mindestens eine Kontaktfläche freigelegt. Anschließend können isolierende Seitenwände und ein leitfähiger Kern in dem mindestens einen zweiten Graben gebildet werden. Die Herstellung des mindestens einen Durchkontakts ist somit leicht ausführbar.
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Das oben beschriebene Herstellungsverfahren ist auch zum Herstellen einer Sensorvorrichtung verwendbar.
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Die in den vorausgehenden Absätzen beschriebenen Vorteile sind auch bei einem entsprechenden mikromechanischen Bauteil gewährleistet. Bei dem mikromechanischen Bauteil kann die mindestens eine Federkomponente auch als Leitung zwischen der zugeordneten Aktor-Plattenelektrode und dem zugeordneten Kontaktanschluss verwendet werden. Durch diese Multifunktionalität der Federkomponente ist das hier beschriebene mikromechanische Bauteil in seiner Größe zusätzlich reduzierbar und seine Herstellung vereinfacht.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein mikromechanisches Bauteil mit einer in bis zu drei Raumrichtungen verstellbaren Masse. Die Verstellbarkeit der verstellbaren Masse in drei Raumrichtungen kann beispielsweise zum Realisieren einer Sensorvorrichtung mit drei sensitiven Richtungen verwendet werden. Beispielsweise ist auf diese Weise ein kostengünstiger Beschleunigungssensor realisierbar, mit welchem eine Beschleunigung in alle drei Raumrichtungen mittels einer einzigen verstellbaren Masse detektierbar ist. Aufgrund des vergleichsweise kleinen Bauraumbedarfs und der geringen Masse des mit nur einer verstellbaren Masse ausgebildeten Beschleunigungssensors ist dieser für eine große Anzahl von verschiedenen Verwendungsmöglichkeiten geeignet.
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Wie nachfolgend genauer beschrieben, kann das mikromechanische Bauteil über einen Glob-Top und/oder mittels eines Vergelens vor einem Eindringen von Partikeln und/oder einer Flüssigkeit geschützt werden. Es ist somit nicht notwendig, das mikromechanische Bauteil mittels einer Kappe, beispielsweise mittels einer Siliziumkappe, zu schützen. Zusätzlich zu einer Einsparung von Materialkosten entfällt somit auch die Notwendigkeit eines Bondrahmens. Dies ermöglicht eine zusätzliche Bauraumbedarf- und/oder Massenreduzierung des mikromechanischen Bauteils.
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Eine Sensorvorrichtung mit einem mikromechanischen Bauteil mit der verstellbaren Masse als sensitives Element der Sensorvorrichtung, wie so vorausgehend beschrieben wird, ist kostengünstig herstellbar, benötigt vergleichsweise wenig Bauraum und weist eine relativ kleine Masse auf. Die Sensorvorrichtung ist deshalb für viele Anwendungsmöglichkeiten geeignet. Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung der Sensorvorrichtung derart ausgelegt sein, dass mittels der Auswerteeinrichtung unter Berücksichtigung der Sensorgröße eine Beschleunigung als Information festlegbar ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der Sensorvorrichtung nicht auf einen Beschleunigungssensor beschränkt ist.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm zum Darstellen einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens;
- 2A und 2B einen Querschnitt und eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
- 3 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Sensorvorrichtung;
- 4 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
- 5 einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Flussdiagramm zum Darstellen einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
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In einem Verfahrensschritt S1 wird eine erste Seite eines Substrats zumindest teilweise mit einer isolierenden Schicht abgedeckt. Das auf der ersten Seite zumindest teilweise abgedeckte Substrat umfasst ein Metall und/oder ein Halbleitermaterial. Das Substrat kann beispielsweise ein Siliziumsubstrat sein. Das hier beschriebene Verfahren ist jedoch nicht auf die Verwendung eines Substrats aus Silizium beschränkt.
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Die erste isolierende Schicht kann eine Oxidschicht, wie beispielsweise Siliziumoxid, sein. Vorzugsweise wird in dem Verfahrensschritt S1 eine thermische Oxidierung der ersten Seite des Substrats durchgeführt. Die erste isolierende Schicht fungiert auch als erste Opferschicht. Durch diese Multifunktionalität der ersten isolierenden Schicht wird die Ausführbarkeit des hier beschriebenen Verfahrens vereinfacht.
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In der ersten isolierenden Schicht kann eine durchgehende Aussparung ausgebildet werden. Beispielsweise wird nach der thermischen Oxidierung mindestens eine durchgehende Aussparung in die erste isolierende Schicht geätzt. Mittels eines Ausbildens der mindestens einen durchgehenden Aussparung in der ersten isolierenden Schicht können später gebildete Komponenten des mikromechanischen Bauteils auf einfache Weise direkt an der ersten Seite des Substrats angeordnet werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt S2 wird zumindest ein erstes leitfähiges Material auf die erste isolierende Schicht aufgebracht. Mindestens eine Aktor-Plattenelektrode, mindestens ein Aktor-Kontaktanschluss und mindestens eine Federkomponente werden aus zumindest dem ersten leitfähigen Material gebildet. Dabei wird mindestens eine der Aktor-Plattenelektroden über die jeweilige Federkomponente mit dem zugeordneten Aktor-Kontaktanschluss verbunden. Vorzugsweise wird die mindestens eine Federkomponente so strukturiert/gebildet, dass die damit verbundene Aktor-Plattenelektrode mit einer vergleichsweise geringen Kraft in Bezug zu dem zugeordneten Aktor-Kontaktanschluss verstellbar ist. Als erstes leitfähiges Material kann beispielsweise eine dotierte Halbleiterschicht und/oder ein Metall abgeschieden und strukturiert werden. Geeignete Halbleitermaterialien sind Germanium und/oder Silizium. Bevorzugterweise wird eine dotierte Poly-Siliziumschicht gebildet.
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Insbesondere kann in dem Verfahrensschritt S2 die mindestens eine durchgehende Aussparung in der ersten isolierenden Schicht zumindest teilweise mit zumindest dem ersten leitfähigen Material gefüllt werden. Somit ist der mindestens eine Aktor-Kontaktanschluss auf einfache Weise direkt an der ersten Seite des Substrats anordbar. Der Vorteil einer derartigen Anordnung des mindestens einen Aktor-Kontaktanschlusses wird nachfolgend noch ersichtlich.
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In einem nachfolgenden Verfahrensschritt S3 werden zumindest die mindestens eine Aktor-Plattenelektrode, der mindestens eine Aktor-Kontaktanschluss und die mindestens eine Federkomponente mit einer zweiten isolierenden Schicht abgedeckt. Auch die zweite isolierende Schicht kann ein Oxid, wie beispielsweise Siliziumoxid, umfassen. Das hier beschriebene Verfahren ist jedoch nicht auf die Verwendung von ausschließlich Siliziumoxid als Material für die erste isolierende Schicht und/oder die zweite isolierende Schicht beschränkt. Auch die zweite isolierende Schicht weist die zusätzliche Funktionalität einer zweiten Opferschicht auf, was die Ausführbarkeit des Herstellungsverfahrens vereinfacht.
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Bevorzugterweise werden in einem optionalen Verfahrensschritt S4 die erste isolierende Schicht und/oder die zweite isolierende Schicht so strukturiert, dass mindestens eine durchgehende Aussparung gebildet wird, welche vorteilhafterweise eine Teiloberfläche der ersten Seite des Substrats freigelegt. An der mindestens einen freigelegten Teiloberfläche kann in einem nachfolgenden Verfahrensschritt mindestens eine Komponente direkt an der ersten Seite des Substrats gebildet/angeordnet werden.
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Als Alternative oder als Ergänzung zu dem Ausbilden mindestens einer durchgehenden Aussparung in der ersten isolierende Schicht und/oder der zweiten isolierenden Schicht kann in dem Verfahrensschritt S4 auch mindestens eine Vertiefung in der zweiten isolierenden Schicht gebildet werden. Der Verfahrensschritt S4 kann beispielsweise zwei Ätzschritte umfassen. Wie nachfolgend noch genauer ausgeführt wird, kann die mindestens eine Vertiefung in der zweiten isolierenden Schicht als Negativ/Formvorgabe zum Bilden von mindestens einem Anschlag an einer im Weiteren gebildeten Stator-Plattenelektrode verwendet werden.
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Anschließend wird in einem Verfahrensschritt S5 mindestens ein zweites leitfähiges Material auf die zweite isolierende Schicht aufgebracht. Das zweite leitfähige Material kann ein Metall und/oder ein Halbleitermaterial, wie beispielsweise Germanium und/oder Silizium, sein. Bevorzugterweise wird eine zweite dotierte Poly-Siliziumschicht als das zweite leitfähige Material abgeschieden. Aus zumindest dem zweiten leitfähigen Material wird mindestens eine Stator-Plattenelektrode gebildet. Zusätzlich kann aus zumindest dem zweiten leitfähigen Material noch mindestens ein Stator-Kontaktanschluss strukturiert werden, wobei jeder Stator-Kontaktanschluss einstückig mit der zugeordneten Stator-Plattenelektrode ausgebildet wird. Der mindestens eine Stator-Kontaktanschluss wird bevorzugterweise in mindestens einer der durchgehenden Aussparungen in der ersten isolierende Schicht und/oder der zweiten isolierenden Schicht direkt an der ersten Seite des Substrats angeordnet. Dies erleichtert das Bilden eines Durchkontakts an den mindestens einen Stator-Kontaktanschluss in einem nachfolgenden Verfahrensschritt.
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Bei der Strukturierung zumindest des zweiten leitfähigen Materials zum Bilden der mindestens einen Stator-Plattenelektrode werden auch Ätzzugänge für ein späteres Opferschicht-Ätzen angelegt. Insbesondere wird mindestens eine Ätzöffnung in der mindestens einen Stator-Plattenelektrode gebildet. Die mindestens eine Ätzöffnung kann einen Durchmesser in einem Bereich zwischen 0.05 µm und 5 µm haben. Vorteilhafterweise wird die mindestens eine Stator-Plattenelektrode mit einer senkrecht zu der ersten Seite ausgerichteten maximalen Dicke gebildet, welche kleiner als 8µm, vorteilhafterweise kleiner als 5 µm, insbesondere kleiner als 2 µm ist. Dies ist einfach ausführbar, indem das Material/die Materialien, welche in dem Verfahrensschritt S5 auf die zweite isolierende Schicht aufgebracht werden, mit einer Gesamtschichtdicke kleiner als 8µm, vorteilhafterweise kleiner als 5 µm, insbesondere kleiner als 2 µm abgeschieden wird/werden. Auf die Vorteile eines Durchmessers der mindestens einen Ätzöffnung der mindestens einen Stator-Plattenelektrode in diesem Bereich und der vergleichweise kleinen maximalen Dicke wird unten noch genauer eingegangen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird zusätzlich zu dem zweiten leitfähigen Material noch ein nicht-leitfähiges Material in dem Verfahrensschritt S5 auf die zweite isolierende Schicht aufgebracht. Das nicht-leitfähige Material kann beispielsweise eine (moderat druckverspannte) siliziumreiche Nitridschicht sein. Bevorzugterweise wird das zweite leitfähige Material, wie z.B. eine zweite dotierte Poly-Silizimschicht, in diesem Fall so strukturiert/abgeschieden, dass das zweite leitfähige Material lediglich zum Bilden von Elektronenflächen der mindestens einen Stator-Plattenelektrode, einer Kontaktfläche des mindestens einen Stator-Kontaktanschlusses an der ersten Seite und/oder mindestens einer Leitungsschicht, welche eine Kontaktfläche mit einer zugeordneten Elektronenflächen verbindet, verwendet wird. Insbesondere kann die mindestens eine Vertiefung in der zweiten isolierenden Schicht mit dem nicht-leitfähige Material gefüllt werden.
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An der mindestens einen Stator-Plattenelektrode kann somit auf einfache Weise mindestens ein Anschlag aus dem nicht-leitfähige Material gebildet werden. Derartige Anschläge können ein Verkleben bzw. Sticking zwischen der mindestens einen Aktor-Plattenelektrode und der mindestens Stator-Plattenelektrode bei einem späteren Betrieb des mikromechanischen Bauteils verhindern. Insbesondere wird aufgrund der isolierenden Eigenschaften der Anschläge ein Stromfluss zwischen den Elektroden verhindert. Somit tragen die Anschläge auch dazu bei, ein Verschweißen der Elektroden zu unterbinden.
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In einem optionalen Verfahrensschritt S6 kann auf einer der ersten Seite gegenüber liegenden zweiten Seite des Substrats ein Außenkontakt gebildet werden. Dazu kann ein für eine elektrische Kontaktierung geeignetes Material, beispielsweise ein Metall und/oder ein dotiertes Halbleitermaterial, auf der zweiten Seite abgeschieden und strukturiert werden. Der Verfahrensschritt S6 kann auch vor oder zwischen den Verfahrensschritten S1 bis S5 ausgeführt werden.
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In einem Verfahrensschritt S7 wird mindestens ein erster Graben in dem Substrat gebildet. Mittels des mindestens einen ersten Grabens werden eine verstellbare Masse (träge Masse) und ein die verstellbare Masse zumindest teilweise umgebender Rahmen einer Halterung des im Weiteren gebildeten mikromechanischen Bauteils aus dem Substrat strukturiert. Dabei wird/bleibt die verstellbare Masse über die mindestens eine Federkomponente so mit der Halterung verbunden, dass die verstellbare Masse gegenüber der Halterung verstellbar ist. Zur geeigneten Strukturierung der verstellbaren Masse und der Halterung wird in eine erste Richtung von der zweiten Seite zu der ersten Seite des Substrats geätzt. Man kann dies auch als ein Rückseitenätzen bezeichnen. Ein geeigneter Ätzprozess ist beispielsweise ein Reaktives lonentiefenätzen (Deep Reactive Ion Etching, DRIE).
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Bevorzugterweise wird in einem Verfahrensschritt S8 noch mindestens ein zweiter Graben gebildet, welcher in der ersten Richtung von der zweiten Seite zu der ersten Seite durchgehend durch das Substrat geätzt wird. Das Ätzen des mindestens einen zweiten Grabens erfolgt zum Bilden mindestens eines Durchkontakts, über welchen ein Stator-Kontaktanschluss oder ein Aktor-Kontaktanschluss an der ersten Seite kontaktierbar ist. Das Bilden des mindestens einen ersten Grabens und des mindestens einen zweiten Grabens kann in einem (gemeinsamen) Ätzschritt, beispielsweise in einem DRIE-Ätzschritt, unter Verwendung von nur einer Maske ausgeführt werden. Die Strukturierung der Maske kann den Positionen und Breiten des mindestens einen ersten Grabens und des mindestens einen zweiten Grabens entsprechen. Die Verfahrenschritte S8 und S9 können somit gleichzeitig ausgeführt werden. Ein derartiges Herstellungsverfahren ist vergleichsweise einfach und kostengünstig ausführbar. Als Alternative dazu kann das Bilden des mindestens einen zweiten Grabens in einem weiteren Ätzschritt vor oder nach dem Bilden des mindestens einen ersten Grabens erfolgen.
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Nachfolgend werden Vorgehensweisen zum Bilden von zwei unterschiedlichen Strukturen von Durchkontakten beschrieben:
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Bei der ersten Vorgehensweise wird der mindestens eine zweite Graben so durch das Substrat geätzt, dass mindestens eine die ersten Seite des Substrats kontaktierende Kontaktfläche des mindestens einen Aktor-Kontaktanschlusses und/oder Stator-Kontaktanschlusses von mindestens einem Boden/einer Grenzfläche des mindestens einen zweiten Grabens umrahmt wird. In diesem Fall können die von dem mindestens einen zweiten Graben umgebenen Bereiche aus dem Substratmaterial selbst als Durchkontakte verwendet werden. Um eine gute Leitfähigkeit durch die Durchkontakte, welche über den mindestens einen zweiten Graben von dem umgebenden Rahmen elektrisch ausreichend isoliert sind, zu gewährleisten, kann vor oder nach dem Verfahrensschritt S7 eine Dotierung der Bereiche aus dem Substratmaterial ausgeführt werden. Ebenso kann der mindestens eine zweite Graben mit einem isolierenden Material gefüllt werden, um die elektrische Isolierung zu verbessem. Das Bilden des mindestens einen Durchkontakts kann sich jedoch auch auf das Ätzen des in diesem Absatz beschriebenen mindestens einen zweiten Grabens beschränken.
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Bei der zweiten Vorgehensweise wird der mindestens eine zweite Graben so gebildet, dass die mindestens eine spätere Kontaktfläche freigelegt wird. In diesem Fall werden zum Bilden des mindestens einen leitfähigen Kontakts in einem weiteren Verfahrensschritt S9 zumindest die Seitenwände des mindestens einen zweiten Grabens mit einem isolierenden Material abgedeckt. Anschließend kann in einem Verfahrensschritt S10 der mindestens eine zweite Graben nach dem Abdecken zumindest der Seitenwände mit dem isolierenden Material mit einem dritten leitfähigen Material, wie z.B. einem Metall und/oder einem dotierten Halbleitermaterial, gefüllt werden. Die Verfahrensschritte S9 und S10 bieten einfach ausführbare Möglichkeiten zum Bilden eines leitfähigen Kontakts mit einem leitfähigen Kern und isolierenden Seitenwänden.
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Vor, während oder nach den Verfahrensschritten S7 bis S10 wird in einem Verfahrensschritt S11 zumindest eine zwischen der mindestens einen Aktor-Plattenelektrode und der mindestens einen Stator-Plattenelektrode liegende Teilmasse der zweiten isolierenden Schicht entfemt. Dabei wird in eine zweite Richtung von der ersten Seite zu der zweiten Seite des Substrats geätzt. Auch weitere Bereiche der ersten Isolierschicht und/oder der zweiten Isolierschicht können über das Opferschichtätzen im Verfahrensschritt S11 entfernt werden. Sofern mindestens eine der beiden isolierenden Schichten ein Oxid, wie beispielsweise Siliziumoxid, umfasst, kann der Verfahrensschritt S11 ein HF-Gasphasenätzen beinhalten. Der Verfahrensschritt S11 ist somit leicht ausführbar, ohne dass die Elektroden und die damit verbundenen Komponenten beschädigt werden. Insbesondere die in der mindestens einen Stator-Plattenelektrode ausgebildete mindestens eine Ätzöffnung kann die Ausführbarkeit des Ätzens erleichtern. Bei einer maximalen Dicke der mindestens einen Stator-Plattenelektrode unter 8µm, vorteilhafterweise unter 5 µm, insbesondere unter 2 µm, ist bereits ein Durchmesser der mindestens einen Ätzöffnung in dem Bereich zwischen 0.05 µm und 5 µm ausreichend.
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In den Verfahrensschritten S7 und S11 wird eine Kaverne gebildet, in welcher die aus dem Substrat herausstrukturierte verstellbare Masse auslenkbar angeordnet ist. Bei einer geeigneten Ausbildung der mindestens einen Federkomponente ist insbesondere eine Verstellbarkeit der verstellbaren Masse in alle drei Raumrichtungen gewährleistet. Die Vorteile eines mikromechanischen Bauteils mit einer derartigen frei-verstellbaren Masse werden anhand der weiteren Figuren beschrieben.
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In einem weiteren optionalen Verfahrensschritt S12 kann das mittels der Verfahrensschritte S1 bis S11 hergestellte mikromechanische Bauteil an einer Kontaktplatte angeordnet werden. Die Kontaktplatte kann beispielsweise eine Leiterplatte oder ein komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter (Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS-Chip) sein, auf welchem das mikromechanische Bauteil direkt verbaut wird. Für eine mechanische und/oder elektrische Kontaktierung des an der Kontaktplatte angeordneten mikromechanischen Bauteils können Spacer, insbesondere leitfähige Spacer (Bump-Technologie), eingesetzt werden. Die Kontaktplatte kann zusätzlich mindestens eine Drahtverbindung aufweisen.
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Optional kann auch in einem Verfahrensschritt S13 mindestens ein Ätzzugang zum Ausführen des Opferschichtätzens des Verfahrensschritts S11, wie z.B. die mindestens eine Ätzöffnung, mittels einer Verschlussschicht luftdicht abgeschlossen werden. Als Verschlussschicht kann beispielsweise ein PECVD-Nitrid (plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung, plasma enhanced chemical vapour deposition) aufgebracht werden. Mittels der Verschlussschicht kann ein Eindringen von Fremdpartikeln bei einem späteren Betrieb des mikromechanischen Bauteils verhindert werden. Insbesondere kleine Ätzzugänge mit Durchmessern in dem Bereich zwischen 0.05 µm und 5µm wirken sich vorteilhaft aus, da aufgrund des geringen Durchmessers der Ätzzugänge ein Eindringen von Material der Verschlussschicht unterbunden ist. Die Verschlussschicht kann beispielsweise eine Schichtdicke in einem Bereich zwischen 1 bis 5 µm haben. Als Alternative dazu kann das mikromechanische Bauteil mit einem Glob-Top und/oder mit einem Gel umgossen werden. Bei einer derartigen Verkappung ist das mikromechanische Bauteil verlässlich vor einem Eindringen von Fremdpartikeln geschützt. Zusätzlich gewährleistet eine derartige Verkappung einen besseren Halt des mikromechanischen Bauteils an der Kontaktplatte. Auch bei der Verkappung verhindern kleine Ätzzugänge mit Durchmessern in dem Bereich zwischen 0.05 µm und 5µm das Eindringen von Material.
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In einer Weiterbildung des in den vorhergehenden Absätzen beschriebenen Herstellungsverfahrens können noch weitere Schichten zur Waferbow-Minimierung abgeschieden werden. Neben den oben schon genannten Materialien kann beispielsweise ein strukturiertes, hoch verspanntes Nitrid zwischen dem Substrat und der ersten isolierenden Schicht gebildet werden. Auf diese Weise kann eine Spannung der ersten isolierenden Schicht kompensiert werden. Als Alternative oder als Ergänzung zu dem hoch verspannten Nitrid kann auch ein druckverspanntes Oxid auf die zweite Seite des Substrats aufgebracht werden.
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Als Alternative oder als Ergänzung können in der Weiterbildung die Halbleiterbereiche der Elektroden diodenartig dotiert werden. Beispielsweise wird die mindestens eine Aktor-Plattenelektrode mit Ionen eines ersten Leitungstyps und die mindestens eine Stator-Plattenelektrode mit Ionen eines von dem ersten Leitungstyp abweichenden zweiten Ladungstyps dotiert. Die diodenartige Dotierung der Elektroden trägt zusätzlich dazu bei, einen Stromfluss zwischen den Elektroden, und damit ein Verschweißen der Elektroden, zu verhindern.
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2A und 2B zeigen einen Querschnitt und eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Das in 2A und 2B schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil umfasst eine verstellbare Masse (träge Masse) 10, welche in Bezug zu einer Halterung des mikromechanischen Bauteils verstellbar ist. Die verstellbare Masse 10 ist aus einem Substratmaterial, wie beispielsweise Silizium, gebildet. An einer ersten Seite 11 der verstellbaren Masse 10 ist mindestens eine Aktor-Plattenelektrode 12 angeordnet. Zwischen der mindestens einen Aktor-Plattenelektrode 12 und der verstellbaren Masse 10 liegen zumindest Teilbereiche einer ersten isolierenden Schicht 14.
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Benachbart zu der mindestens einen Aktor-Plattenelektrode 12 ist mindestens eine Stator-Plattenelektrode 16 fest mit der Halterung des mikromechanischen Bauteils verbunden. Vorzugsweise sind vier Stator-Plattenelektroden 16 beabstandet zu der mindestens einen Aktor-Plattenelektrode 12 oder vier Aktor-Plattenelektroden 12 beabstandet zu der mindestens einen Stator-Plattenelektrode 16 angeordnet. In diesem Fall ist über ein Auswerten der zwischen den Elektroden 12 und 16 anliegenden Spannungen, bzw. der Kapazitäten der aus den Elektroden 12 und 16 gebildeten Kondensatoren eine Bewegung der verstellbaren Masse 10 in alle drei Raumrichtungen detektierbar.
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Außerdem weist die mindestens eine Stator-Plattenelektrode 16 mindestens eine Ätzöffnung 18 auf. Die Ausbildung der mindestens einen Stator-Plattenelektrode 16 mit mindestens einer Ätzöffnung 18 erleichtert die Herstellung des hier beschriebenen mikromechanischen Bauteils. Vorzugsweise weist die mindestens eine Ätzöffnung 18 einen Durchmesser in einem Bereich zwischen 0.05 µm und 5 µm auf. Eine derartige Ausbildung der mindestens einen Ätzöffnung 18 verhindert ein Eindringen eines Abdichtmaterials.
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Die mindestens eine Stator-Plattenelektrode 16 kann zusätzlich zu einem leitfähigen Material, aus welchem zumindest die Elektrodenflächen 20 gebildet sind, noch ein weiteres Material umfassen. Vorzugsweise sind nur die Elektrodenflächen 20 und Leitungsschichten 22, welche die Elektrodenflächen 20 kontaktieren, aus einem leitfähigen Material, wie beispielsweise dotiertem Poly-Silizium, gebildet. Weitere Bestandteile der mindestens einen Stator-Plattenelektrode 16, insbesondere ein Außengerüst 24, können aus einem isolierenden Material gebildet werden. Dies erleichtert die Herstellung der mindestens einen Stator-Plattenelektrode 16 mit einer vergleichsweise kleinen maximalen Breite senkrecht zu der ersten Seite 11 unter 8µm, vorteilhafterweise unter 5 µm, insbesondere unter 3 µm.
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Bevorzugterweise ist an einer zu der mindestens einen Aktor-Plattenelektrode 12 ausgerichteten Seite der mindestens einen Stator-Plattenelektrode 16 mindestens ein Anschlag 26 ausgebildet. Mittels derartiger Anschläge 26 kann ein Verkleben bzw. Sticking der Elektroden 12 und 16 verhindert werden. Insbesondere können die Anschläge 26 aus dem isolierenden Material des Außengerüsts 24 gebildet werden. Auf diese Weise ist ein Stromfluss zwischen den Elektroden 12 und 16 auch bei einem Anschlagen der Elektroden 12 und 16 unterbunden. Somit ist ein Verschweißen der sich berührenden Elektroden 12 und 16 verhindert.
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Die mindestens eine Stator-Plattenelektrode 16 ist zumindest über die Leitungsschicht 22 mit einem zugeordneten Stator-Kontaktanschluss 28 verbunden. Der mindestens eine Stator-Kontaktanschluss 28 ist vorzugsweise direkt an einem Rahmen 30 der Halterung angeordnet. Auch die mindestens eine Aktor-Plattenelektrode 12 ist über mindestens eine Federkomponente 32 mit mindestens einem zugeordneten Aktor-Kontaktanschluss 34, welcher bevorzugterweise direkt an dem Rahmen befestigt ist, verbunden. Der mindestens eine Stator-Kontaktanschluss 28 und der mindestens eine Aktor-Kontaktanschluss 34 werden vorzugsweise von dem isolierenden Material des Außengerüsts 24 abgedeckt. Dies verbessert die Multifunktionalität des Außengerüsts 24. Um einen Stromfluss zwischen den Elektroden 12 und 16 zusätzlich zu unterbinden, können Teilbereiche des Aktor-Kontaktanschlusses 34 und/oder der Aktor-Plattenelektrode 12 auch von einer zweiten isolierenden Schicht 36, deren mittlere Schichtdicke einen mittleren Abstand der Elektrodenflächen der Elektroden 12 und 16 definiert, umgeben sein.
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Der Rahmen 30 der Halterung ist aus dem Substratmaterial der verstellbaren Masse 10 gebildet. Der Rahmen 30 ist mittels mindestens eines ersten Grabens 38 von der verstellbaren Masse 10 getrennt. Somit kann die verstellbare Masse 10 bei der Herstellung des mikromechanischen Bauteils über ein Herausstrukturieren aus dem Substratmaterial in einer bevorzugten Stellung innerhalb des Rahmens 30 angeordnet werden. Eine aufwendige Justage/Befestigung der verstellbaren Masse 10 in dem mikromechanischen Bauteil entfällt. Dabei verläuft der erste Graben 38 zumindest von einer von den Elektroden 12 und 16 weggerichteten zweiten Seite 39 der verstellbaren Masse 10 und des Rahmens 30 zu der ersten Seite 11.
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Die verstellbare Masse 10 ist über die mindestens eine Federkomponente 32 mit der Halterung verbunden. Mindestens eine der Aktor-Plattenelektroden 12, der zugeordnete Aktor-Kontaktanschluss 34 und die dazwischen angeordnete Federkomponente 32 sind einstückig ausgebildet. Eine derartige Ausbildung der Komponenten 12, 32 und 34 erleichtert die Herstellung des mikromechanischen Bauteils.
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Bei der Ausführungsform der 2A und 2B weist das mikromechanische Bauteil für jeden Kontaktanschluss 28 und 34 einen Durchkontakt 40 auf, welcher von der zweiten Seite 39 durch den Rahmen 30 durchgehenden eine Kontaktfläche 42 des zugeordneten Kontaktanschlusses 28 und 34 kontaktiert. Unter einer Kontaktfläche ist eine die erste Seite 11 des Rahmens 30 berührende Fläche des jeweiligen Kontaktanschlusses 28 oder 34 zu verstehen. Vorzugsweise ist mindestens einer der Durchkontakte 40 mittels eines zweiten Grabens 44 aus dem Rahmen 30 herausstrukturiert. Der zweite Graben 44 weist benachbart zu dem zugeordneten Kontaktanschluss 28 oder 34 eine Grenzfläche 46/Bodenfläche auf, welche die Kontaktfläche 42 des zugeordneten Kontaktanschlusses 28 oder 34 umrahmt. Zur Verbesserung der Leitfähigkeit des leitfähigen Kontakts 40 kann das von dem zweiten Graben umrahmte Substratmaterial dotiert sein. Ein derartiger Durchkontakt 40 lässt sich kostengünstig und auf einfache Weise herstellen. An einem von der Kontaktfläche 42 weggerichteten Ende kann ein Außenkontakt 48 aus einem leitfähigen Material ausgebildet sein.
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Das in den vorhergehenden Absätzen beschriebene mikromechanische Bauteil ist beispielsweise mittels des anhand der 1 beschriebenen Herstellungsverfahrens einfach und kostengünstig herstellbar. Auf eine Verwendungsmöglichkeit des mikromechanischen Bauteils wird nachfolgend eingegangen.
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3 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Sensorvorrichtung.
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Die schematisch dargestellte Sensorvorrichtung umfasst das oben beschriebene mikromechanische Bauteil mit den Komponenten 10 bis 48. Über die als leitfähige Spacer ausgebildeten Außenkontakte 48 ist das mikromechanische Bauteil mit einer Kontaktplatte 60 verbunden. Vorzugsweise ermöglichen die Außenkontakte 48 zusätzlich zu der mechanischen Befestigung auch eine elektrische Kontaktierung zwischen dem mikromechanischen Bauteil und der Kontaktplatte 60. Die Kontaktplatte 60 kann beispielsweise eine Leiterplatte oder ein komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter (Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS-Chip) sein.
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Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Kontaktplatte 60 über eine Drahtverbindung 62 mit einer Auswerteeinrichtung verbunden. Die Auswerteeinrichtung ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass mittels der Auswerteeinrichtung eine Sensorgröße bezüglich eines zwischen der mindestens einen Stator-Plattenelektrode 16 und der mindestens einen Aktor-Plattenelektrode 12 anliegenden Spannungssignals oder bezüglich einer Kapazität des mindestens einen aus den Elektroden 12 und 16 gebildeten Kondensators ermittelbar ist. Bevorzugterweise ist die Auswerteeinrichtung zusätzlich dazu ausgelegt, unter Berücksichtigung der ermittelten Sensorgröße eine Information bezüglich einer Verstellbewegung der verstellbaren Masse in Bezug zu der Halterung festzulegen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung derart ausgelegt, dass mittels der Auswerteeinrichtung unter Berücksichtigung der ermittelten Sensorgröße eine Beschleunigung der Sensorvorrichtung als Information festlegbar ist. Aufgrund der guten Verstellbarkeit der verstellbaren Masse 10 in Bezug zu der Halterung kann die Beschleunigung insbesondere bezüglich aller drei Raumrichtungen festgelegt werden. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass die Sensorvorrichtung nicht auf eine Ausführung als Beschleunigungssensor beschränkt ist.
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Um das mikromechanische Bauteil während eines Betriebs der Sensorvorrichtung vor einem Eindringen von Fremdpartikeln zu schützen, ist das mikromechanische Bauteil mit einem Abdichtmaterial 64 umgossen. Ein geeignetes Abdichtmaterial kann beispielsweise einen Glob-Top oder ein Gel umfassen.
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4 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Das schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist die schon beschriebenen Komponenten 10 bis 40 auf. Im Unterschied zu dem mikromechanischen Bauteil der 2A und 2B weisen die Durchkontakte 40 des mikromechanischen Bauteils der 4 jeweils einen leitfähigen Kern 70 und isolierende Seitenwände 72 auf. Die Seitenwände 72 aus dem isolierenden Material sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie die zu dem Rahmen 30 ausgerichtete Grenzflächen des leitfähigen Kerns 20 abdecken.
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Auch bei einem Durchkontakt 40 mit einem leitfähigen Kern 70 und isolierenden Seitenwänden 72 ist eine elektrische Verbindung zwischen einem Kontaktanschluss 28 oder 34 und der zweiten Seite 39 des Rahmens 30 realisiert. Der derart ausgebildete Durchkontakt 40 lässt sich mittels der oben schon beschriebenen Verfahrensschritte auf einfache Weise und kostengünstig herstellen. Gegebenenfalls wird eine Galvanik zum Auffüllen des leitfähigen Kontakts 40/Bilden des leitfähigen Kerns 70 verwendet. Man kann als leitfähigen Kern 70 auch einen Refill verwenden, welcher den Widerstand des leitfähigen Kontakts 40 reduziert. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Das in 5 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist bis auf die Durchkontakte durch den Rahmen 30 alle Komponenten der vorhergehenden Ausführungsformen auf. Anstelle der Durchkontakte sind benachbart zu einer Außenseite der mindestens einen Stator-Plattenelektrode Alupads 80 gebildet, welche die Kontaktanschlüsse kontaktieren. Für einen elektrischen Kontakt zwischen einem Alupad 80 und dem zugeordneten Aktor-Kontaktanschluss 34 kann eine weitere Leitungsschicht 82 in eine Aussparung in der zweiten isolierenden Schicht 36 hineinragen. Somit kann das hier beschriebene mikromechanische Bauteil auch über die klassische Bondpad-Technik hergestellt werden.
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In einer Weiterbildung der anhand der 2A, 2B, 4 und 5 beschriebenen mikromechanischen Bauteile können Halbleiterbereiche der Elektroden 12 und 16 diodenartig dotiert sein. Die mindestens eine Aktor-Plattenelektrode 12 kann beispielsweise eine p-Dotierung aufweisen. In diesem Fall ist eine n-Dotierung für die mindestens eine Stator-Plattenelektrode 16 vorteilhaft. Entsprechend kann bei einer n-Dotierung der mindestens einen Aktor-Plattenelektrode 12 die mindestens eine Stator-Plattenelektrode 16 eine p-Dotierung aufweisen. In beiden Fällen bilden die Elektroden 12 und 16 im Berührungsfall eine Diode, bei welcher die Ladungsspannung so gepolt ist, dass die Diode in ihre Speerrichtung geschaltet ist. Aufgrund des unterbundenen Stromflusses zwischen den Elektroden 12 und 16 ist ein Verschweißen der Elektroden 12 und 16 verhindert. Die Halbleiterbereiche der Elektroden 12 oder 16 können beispielsweise mittels eines Epi-Poly-Prozesses gebildet werden.
