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Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit einem über zumindest eine Feder mit einem Restsubstrat verbundenen verstellbaren Teil.
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Stand der Technik
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In der
DE 10 2008 041 178 A1 sind ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil und ein mikromechanisches Bauteil beschrieben. Zum Herstellen eines elektrischen Antriebs des mikromechanischen Bauteils sind zumindest eine erste Ätzstoppschicht, eine erste Elektroden-Material-Schicht, eine zweite Ätzstoppschicht und eine zweite Elektroden-Material-Schicht auf einem Substrat abzuscheiden.
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Die Dokumente
US 2009/0 278 628 A1 ,
WO 2011/083160 A2 ,
DE 10 2006 058 563 B3 und
US 2004/0232107 A1 beschreiben ebenfalls Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit einem über zumindest eine Feder mit einem Restsubstrat verbundenen verstellbaren Teil mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein mikromechanisches Bauteil mit einem über zumindest eine Feder mit einem Restsubstrat verbundenen verstellbaren Teil, welches auf einfache Weise und vergleichsweise kostengünstig herstellbar ist. Insbesondere wird zur Herstellung des mikromechanischen Bauteils kein teures Substratmaterial, wie insbesondere ein SOI-Substrat, benötigt. Ebenso ist es nicht notwendig, zum Herstellen des mikromechanischen Bauteils mehrere Elektroden-Material-Schichten abzuscheiden.
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Außerdem ist das mikromechanische Bauteil mittels einer Prozessfolge herstellbar, bei welcher Feinstrukturen des mikromechanischen Bauteils, wie beispielsweise Elektroden, mit einem vertretbaren Arbeitsaufwand genauer strukturierbar sind. Somit können die Zwischenabstände der einzelnen Komponenten des mikromechanischen Bauteils durch kleinere Abstände voneinander getrennt werden. Dies ist häufig mit einer vorteilhafteren Funktionsweise der einzelnen Komponenten miteinander verbunden. Beispielsweise können Elektroden an dem mikromechanischen Bauteil ausgebildet werden, zwischen welchen vergleichsweise kleine Gap-Abstände liegen. Die vorteilhafte Wechselwirkung der Elektroden erfolgt somit bereits bei einer geringeren Antriebsspannung, wodurch eine energiesparsamere Funktionsweise der Elektroden realisiert ist.
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Des Weiteren ist das mittels der vorliegenden Erfindung realisierbare mikromechanische Bauteil mittels einer Prozessfolge herstellbar, welche mit bekannten mikromechanischen Prozessen kompatibel ist. Man kann dies auch so umschreiben, dass das unten genauer beschriebene erfindungsgemäße Herstellungsverfahren mit bekannten mikromechanischen Prozessen realisierbar ist.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit einem über mindestens eine Feder mit einem Restsubstrat verbundenen verstellbaren Teil, bei welchem die einzelnen Schichten des Schichtaufbaus nacheinander aufgebaut werden, wobei das Strukturieren der einzelnen Komponenten des mikromechanisches Bauteils bereits nach dem Aufbringen der jeweiligen Schicht erfolgen kann. Danach können die zumindest teilweise strukturierten Komponenten vor dem Aufbringen der nächsten Schicht auf einfache Weise vergraben werden. Durch diesen Ansatz des Herstellungsverfahrens können viele Konstruktionselemente des später gebildeten mikromechanischen Bauteils gleichzeitig angelegt werden. Dies erlaubt eine Herstellung der einzelnen Konstruktionselemente mit einer sehr hohen Genauigkeit bei einem vertretbaren Arbeitsaufwand. Außerdem wird die Prozessfolge durch diesen Ansatz vereinfacht und benötigt eine geringe Anzahl von Strukturierungsvorgängen.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1A bis 1D eine Gesamtaufsicht und drei Querschnitte zum Darstellen einer Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
- 2A bis 2M Querschnitte durch ein Substrat zum Veranschaulichen einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Technologie wird nachfolgend anhand eines als Mikrospiegel ausgebildeten mikromechanischen Bauteils und eines Herstellungsverfahrens zum Herstellen eines Mikrospiegels beschrieben. Die im Weiteren beschriebene Nutzungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Technologie ermöglicht insbesondere die Herstellung eines sehr kostengünstigen Mikrospiegels. Außerdem sind mittels des Herstellungsprozesses zum Herstellen des Mikrospiegels deutlich geringere Prozesstoleranzen und eine Steigerung der Ausbeute an hergestellten Mikrospiegeln gegenüber einem SOI-Prozess gemäß dem Stand der Technik bewirkbar.
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Die Nutzung der erfindungsgemäßen Technologie ist jedoch nicht auf Mikrospiegel beschränkt. Anstelle eines mikromechanischen Bauteils, dessen verstellbarer Teil eine reflektierende Oberfläche aufweist, ist die erfindungsgemäße Technologie auch auf andere mikromechanische Bauteile mit zumindest einem verstellbaren Teil, welches über eine Feder mit einem Restsubstrat verbunden ist, anwendbar.
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1A bis 10 zeigen eine Gesamtaufsicht und drei Querschnitte zum Darstellen einer Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Das in 1A in Gesamtaufsicht schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil umfasst ein verstellbares Teil 10, welches über zumindest eine Feder 12 mit einem Restsubstrat verbunden ist. Das (in 1A nicht dargestellte) Restsubstrat ist Bestandteil einer Halterung 14.
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Beispielhaft umfasst das verstellbare Teil 10 ein Spiegelelement 16, welches um eine Drehachse 18 in seiner Ausrichtung zu der Halterung 14 verstellbar ist. Die Ausbildung des im Weiteren beschriebenen mikromechanischen Bauteils ist jedoch nicht auf ein verstellbares Teil 10 mit dem Spiegelelement 16 limitiert. Stattdessen sind die nachfolgenden Beschreibungen zu dem verstellbaren Teil 10 lediglich beispielhaft zu verstehen.
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Optionalerweise kann das verstellbare Teil 10 auch zwei parallel zu der Drehachse 18 ausgerichtete Stegelemente 20 aufweisen, welche an entgegengesetzten Enden des Spiegelelements 16 angeordnet sind. Jedes der beiden Stegelemente 20 kann an seinem von dem Spiegelelement 16 weggerichteten Ende über je eine Feder 12 mit der Halterung 14 verbunden sein. Die mindestens eine Feder 12 des mikromechanischen Bauteils kann als Torsionsfeder ausgebildet sein. Die Ausbildbarkeit der mindestens einen Feder 12 ist jedoch nicht auf Torsionsfedern beschränkt.
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Das mikromechanische Bauteil kann einen Antrieb, wie insbesondere einen elektrischen Antrieb, umfassen. Bevorzugter Weise ist zumindest ein Teilbereich des verstellbaren Teils 10 als mindestens ein Aktor-Elektrodenfinger 22 ausgebildet. In diesem Fall umfasst das mikromechanische Bauteil zusätzlich noch mindestens einen dem mindestens einen Aktor-Elektrodenfinger 22 zugeordneten Stator-Elektrodenfinger 24. Beispielsweise können mehrere Aktor-Elektrodenfinger 22 sich an beiden Seiten der Stegelemente 20 senkrecht von der Drehachse 18 wegerstrecken. Dies gewährleistet, dass die Stegelemente 22 und das Spiegelelement 10 über den mindestens einen Aktor-Elektrodenfinger 22 mitbewegbar sind. Demgegenüber ist der mindestens eine Stator-Elektrodenfinger 24 bevorzugter Weise so an der Halterung 14 fest angeordnet, dass seine Position und seine Stellung in Bezug zu der Halterung 14 trotz einer Verstellbewegung des verstellbaren Teils 10 unverändert bleiben.
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Es wird darauf hingewiesen, dass das im Weiteren beschriebene mikromechanische Bauteil nicht auf eine bestimmte Anbringposition der Elektrodenfinger 22 und 24, eine bestimmte Anzahl der Elektrodenfinger 22 und 24 oder auf eine Ausstattung damit beschränkt ist. (Insbesondere sind die in 1A dargestellte Anzahl der Elektrodenfinger 22 und 24 und ihre Anordnung zueinander lediglich beispielhaft zu interpretieren.)
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1B zeigt einen Querschnitt durch das mikromechanische Bauteil entlang einer senkrecht zu der Drehachse 18 ausgerichteten Linie AA' der 1A. Die Linie AA' verläuft durch Bereiche der Halterung 14 und der mindestens einen Feder 12.
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Wie in 1B zu erkennen ist, ist die Halterung 14 bei der dargestellten Ausführungsform aus einem Restsubstrat 26, einer eine Vorderseite 28 des Restsubstrats 26 zumindest teilweise abdeckenden Restisolierschicht 30 und einer auf der Restisolierschicht 30 liegenden Resthalbleiterschicht 32 zusammengesetzt. Das Restsubstrat 26 umfasst zumindest ein Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium. Bevorzugter Weise ist das Restsubstrat 26 aus Silizium gebildet.
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Die Restisolierschicht 30 umfasst mindestens ein isolierendes Material, wie z.B. Siliziumoxid. Die Ausbildbarkeit der Restisolierschicht 30 ist jedoch nicht auf die Verwendung von (ausschließlich) Siliziumoxid limitiert. Auch für die Resthalbleiterschicht 32 ist eine Vielzahl von reinen Halbleitermaterialien oder Verbindungen aus mindestens einem Halbleitermaterial verwendbar. Kostengünstigerweise kann die Resthalbleiterschicht 32 auch aus Silizium gebildet sein.
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Das Restsubstrat 26 weist an seiner Vorderseite 28 mindestens eine hineingeätzte Kaverne 34 auf. Die mindestens eine Kaverne 34 ist in eine erste Ätzrichtung 36, welche von der Vorderseite in Richtung auf eine von der Vorderseite 28 weggerichtete Rückseite 38 des Restsubstrats 26 gerichtet ist, geätzt. An der Rückseite 38 ist außerdem mindestens eine Aushöhlung 40 ausgebildet. Die mindestens eine Aushöhlung 40 ist in eine der ersten Ätzrichtung 36 entgegen gerichtete zweite Ätzrichtung 42 in das Restsubstrat 26 geätzt. Außerdem ist mindestens ein durch die Resthalbleiterschicht 32 gehender Trenngraben 44 entlang der ersten Ätzrichtung 36 in diese 32 geätzt.
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Mittels des mindestens einen Trenngrabens 44 kann beispielsweise die mindestens eine Feder 12 aus dem Material der Resthalbleiterschicht 32 gebildet werden. Dies ist auch so umschreibbar, dass die mindestens eine Feder 12 aus einer Halbleiterschicht herausstrukturiert ist, die später die Resthalbleiterschicht 32 bildet. In diesem Fall ist die mindestens eine Feder 12 freitragend über der mindestens einen Kaverne 34 ausgebildet.
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Die mindestens eine Feder 12 und das verstellbare Teil 10 können somit die mindestens eine Kaverne 34 überspannen.
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Durch das Herausstrukturieren der mindestens einen Feder 12 aus der Halbleiterschicht ist eine senkrecht zu einer Außenfläche der Halbleiterschicht/Resthalbleiterschicht 32 ausgerichtete Dicke der mindestens einen Feder 12 über eine Auftragdicke a der Halbleiterschicht/Resthalbleiterschicht 32 verlässlich festlegbar. (Mittels des unten genauer beschriebenen Herstellungsverfahrens sind auch eine Breite und eine Länge der mindestens einen Feder 12, welche parallel zu der Außenfläche der Halbleiterschicht/Resthalbleiterschicht 32 ausgerichtet sind, innerhalb eines geringen Toleranzbereichs ausbildbar.
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Zur weiteren Erläuterung der Ausbildung der Gräben 34, 40 und 44 wird ebenfalls auf das unten genauer beschriebene Herstellungsverfahren verwiesen.
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1C zeigt einen Querschnitt durch das mikromechanische Bauteil entlang einer senkrecht zu der Drehachse 18 ausgerichteten Linie BB' der 1A. Die Linie BB' verläuft durch Bereiche der Halterung 14 und des verstellbaren Teils 10, insbesondere des Spiegelelements 16.
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Wie anhand des Querschnitts der 1C zu erkennen ist, umfasst das verstellbare Teil 10 eine erste Untereinheit 46 und eine zweite Untereinheit 48. Die erste Untereinheit 46 und die zweite Untereinheit 48 sind mittels einer dazwischen liegenden (in 1C nicht skizzierten) isolierenden Zwischenschicht und mindestens einer Halbleitergrenzfläche 50 voneinander getrennt. Unter der Halbleitergrenzfläche 50 kann eine Grenzfläche, Innenfläche und/oder Zwischenfläche verstanden werden, welche entsteht, wenn auf eine fertigkristallisierte Substrataußenfläche ein Schichtmaterial mit mindestens einem Halbleitermaterial abgeschieden wird. Somit kann die mindestens eine Halbleitergrenzfläche 50 selbst bei Untereinheiten 46 und 48 aus dem gleichen Material mikroskopisch nachweisbar sein. Beispielsweise kann die Halbleitergrenzfläche 50 anhand eines veränderten Festkörperaufbaus optisch und/oder rasterkraftmikroskopisch nachweisbar sein.
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Ein zu der zweiten Untereinheit 48 ausgerichteter Innenbereich 52 der ersten Untereinheit 46 ist mittels der in die erste Ätzrichtung 36 geätzten mindestens einen Kaverne 34 geformt. Demgegenüber ist ein von der zweiten Untereinheit 48 weggerichteter Außenbereich 54 der ersten Untereinheit 46 mittels der mindestens einen Aushöhlung 40, welche in die zweite Ätzrichtung 42 geätzt ist, gebildet. Man kann dies auch so umschreiben, dass der Innenbereich 52 der ersten Untereinheit 46 mittels der mindestens einen in die erste Ätzrichtung 36 geätzten Kaverne 34 und der Außenbereich 54 der ersten Untereinheit 46 mittels der mindestens einen in die zweite Ätzrichtung 42 geätzten Aushöhlung 40 (zusammen mit dem Restsubstrat 26) aus einem Substrat herausstrukturiert sind.
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Die zweite Untereinheit 48 ist mittels des zumindest einen durchgehenden Trenngrabens 44 aus einer auf die mindestens eine isolierende Zwischenschicht und/oder auf die mindestens eine Halbleitergrenzfläche 50 aufgebrachten Halbleiterschicht herausstrukturiert. (Von der Halbleiterschicht verbleibt nach dem Herstellungsverfahren die Resthalbleiterschicht 32.) Wie unten genauer beschrieben wird, können somit zum Formen des verstellbaren Teils 10 drei unterschiedliche Ätzschritte völlig unabhängig voneinander ausgeführt werden.
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Die unterschiedlichen Ätzrichtungen der Gräben 34, 40 und 44 können beispielsweise durch eine Analyse mittels eines Mikroskops, eines Bruchs, eines Schnitts, eines Schliffs und/oder eines REM an dem mikromechanischen Bauteil nachweisbar sein. Die Ausbildbarkeit des verstellbaren Teils 10 mittels der unabhängig voneinander durchführbaren Ätzschritte ist durch das unten genauer beschriebene Herstellungsverfahren realisiert.
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Wie unten genauer ausgeführt wird, ist durch das vorteilhafte Herstellungsverfahren die mindestens eine Kaverne 34 so ausbildbar, dass sie parallel zu der mindestens einen isolierenden Zwischenschicht und/oder der mindestens einen Halbleitergrenzfläche 50 eine maximale Ausdehnung s aufweist, welche mindestens um einen Faktor 2 größer als eine Schichtdicke d der Restisolierschicht 30, bzw. der (nicht skizzierten) isolierenden Zwischenschicht, ist. Die maximale Ausdehnung s der mindestens einen Kaverne 34 ist vorzugsweise mindestens um einen Faktor 3, insbesondere um mindestens einen Faktor 5, bevorzugter Weise um mindestens einen Faktor 8, größer als die Schichtdicke d der Restisolierschicht 30, bzw. der (nicht skizzierten) isolierenden Zwischenschicht.
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Außerdem bewirkt das Ausbilden des verstellbaren Teils 10 mittels der Gräben 34, 40 und 44 große Designfreiheiten, wodurch sich die Form des verstellbaren Teils 10 gut an den späteren Verwendungszweck anpassen lässt. Beispielsweise kann die zweite Untereinheit 48 mit der reflektierenden Oberfläche des Spiegelelements 16 zumindest teilweise flächig ausgebildet sein, während der Innenbereich 52 der ersten Untereinheit 46 und/oder der Außenbereich 54 der ersten Untereinheit 46 zur Stabilisierung des flächig ausgebildeten Bereichs der zweiten Untereinheit 48 Stabilisierungsstege 56 und 58 umfassen. Durch die zumindest teilweise flächige Ausbildung der zweiten Untereinheit 48 kann optionaler Weise eine reflektierende Beschichtung 59 des Spiegelelements 16 auf einfache Weise darauf aufgebracht sein, welche vorzugsweise mittels einer Isolierung 60 von der zweiten Untereinheit 48 getrennt ist. Auch für die Stabilisierungsstege 56 des Innenbereichs 52 und die Stabilisierungsstege 58 des Außenbereichs 54 sind große Designfreiheiten möglich. Beispielsweise können die Stabilisierungsstege 56 des Innenbereichs 52 parallel zu der mindestens einen isolierenden Zwischenschicht und/oder der mindestens einen Halbleitergrenzfläche 50 eine erste Breite aufweisen, während die Stabilisierungsstege 58 des Außenbereichs 54 parallel zu der mindestens einen isolierenden Zwischenschicht und/oder der mindestens einen Halbleitergrenzfläche 50 eine kleinere zweite Breite haben. Weitere Designfreiheiten beim Ausbilden der Stabilisierungsstege 57 und 58 zum Gewährleisten einer vorteilhaften Stabilität des Spiegelelements 16 sind ebenso ausführbar.
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1D zeigt einen Querschnitt durch das mikromechanische Bauteil entlang einer senkrecht zu der Drehachse 18 ausgerichteten Line CC' der 1A. Die Line CC' verläuft durch die Halterung 14 an einem Verankerungsbereich der mindestens einen Feder 12.
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Wie in 1D zu erkennen ist, weist die Restisolierschicht 30 an dem Verankerungsbereich der mindestens einen Feder 12 mit der Halterung 14 ein Kontaktfenster 62 auf. Über das Abscheiden des Materials zum Bilden der Halbleiterschicht, aus welcher später zumindest Teile des verstellbaren Teils 10 und der mindestens einen Feder 12 sowie die Resthalbleiterschicht 32 herausstrukturiert werden, ist über dem Kontaktfenster 62 ein einkristallener Halbleiterbereich 64 (in der Resthalbleiterschicht 32) ausgebildet. An einer von dem Kontaktfenster 62 weggerichteten Außenseite des einkristallenen Halbleiterbereichs 64 ist ein piezoempfindlicher Widerstand 66 ausgebildet. Der piezoempfindliche Widerstand 66 wird von zwei Leitungen 68 kontaktiert. Die Leitungen 68 sind vorzugsweise mittels mindestens einer darunter ausgebildeten Isolierung 70 von dem einkristallenen Halbleiterbereich 64 und der Resthalbleiterschicht 32 elektrisch isoliert.
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Die einfach herstellbaren Komponenten 64 bis 68 realisieren eine Messeinrichtung zum Festlegen einer Auslenkungsgröße bezüglich einer Drehung des verstellbaren Teils 10 um die Drehachse 18 durch Ermitteln einer zeitlichen Änderung einer durch den piezoelektrischen Widerstand fließenden Stromstärke oder einer zeitlichen Änderung einer an den piezoelektrischen Widerstand 66 anliegenden Spannung. Eine Drehung des verstellbaren Teils 10 um die Drehachse 18 bewirkt eine mechanische Spannung in dem einkristallenen Halbleiterbereich 64, welche mittels des Ermittelns der zeitlichen Änderung einer der genannten Größen nachweisbar ist. Die aus den Komponenten 64 bis 68 aufgebaute Messeinrichtung gewährleistet eine vorteilhafte Robustheit und eine verlässliche Messgenauigkeit.
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Es wird darauf hingewiesen, dass auch andere Bereiche des verstellbaren Teils 10 außer dem Spiegelelement 16 Teilbereiche der ersten Untereinheit 46 und der zweiten Untereinheit 48 aufweisen können. Beispielsweise kann der mindestens eine Aktor-Elektrodenfinger 22 des verstellbaren Teils 10 einen von der ersten Untereinheit 46 umfassten ersten Aktor-Elektrodenfingerbereich und einen von der zweiten Untereinheit 48 umfassten zweiten Aktor-Elektrodenfingerbereich aufweisen. Der erste Aktor-Elektrodenfingerbereich und der zweite Aktor-Elektrodenfingerbereich können mittels der mindestens einen isolierenden Zwischenschicht voneinander getrennt sein. Auf diese Weise ist gewährleistbar, dass unterschiedliche Potenziale an den ersten Aktor-Elektrodenfingerbereich und an den zweiten Aktor-Elektrodenfingerbereich des mindestens einen Aktor-Elektrodenfingers 22 anlegbar sind.
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In diesem Fall ist es auch vorteilhaft, wenn der mindestens eine Stator-Elektrodenfinger 24 einen von dem Restsubstrats 26 umfassten ersten Stator-Elektrodenfingerbereich und einen von der Resthalbleiterschicht 32 umfassten und von dem ersten Stator-Elektrodenfingerbereich elektrisch isolierten zweiten Stator-Elektrodenfingerbereich umfasst. Zur elektrischen Isolierung des ersten Stator-Elektrodenfingerbereichs von dem zweiten Stator-Elektrodenfingerbereich des mindestens einen Stator-Elektrodenfingers 24 kann insbesondere die Restisolierschicht 30 genutzt werden.
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Somit ist das hier beschriebene mikromechanische Bauteil auf einfache Weise mit einem elektrostatischen Antrieb aus vertikal geteilten Elektroden ausstattbar. Unter den vertikal geteilten Elektroden können Stator- und Aktor-Elektroden verstanden werden, welche in einer Ebene der mindestens einen isolierenden Zwischenschicht und/oder der Restisolierschicht 30 unterteilt sind. Diese vertikal geteilte Ausbildung der Elektroden macht eine Anordnung der miteinander wechselwirkenden Aktor- und Stator-Elektroden in unterschiedlichen Höhen überflüssig.
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Bevorzugter Weise sind deshalb bei einer vertikalen Unterteilung der Elektroden der erste Aktor-Elektrodenfingerbereich, der zweite Aktor-Elektrodenfingerbereich, der erste Stator-Elektrodenfingerbereich und der zweite Stator-Elektrodenfingerbereich von einem Leiterbahnsystem des mikromechanischen Bauteils so kontaktiert, dass gleichzeitig ein erstes Potenzial an den ersten Aktor-Elektrodenfingerbereich und den zweiten Stator-Elektrodenfingerbereich und ein von dem ersten Potenzial abweichendes zweites Potenzial an den zweiten Aktor-Elektrodenfingerbereich und den ersten Stator-Elektrodenfingerbereich anlegbar sind. Durch das Anlegen der Potenziale an die hier genannten Elektrodenfingerbereiche kann der mindestens eine Aktor-Elektrodenfinger 22 aus seiner Ausgangsebene herausgehoben werden. Die Verstellrichtung des mindestens einen Aktor-Elektrodenfingers 22, bzw. die Drehrichtung des verstellbaren Teils 10, sind durch die Wahl der Potenziale festlegbar. Insbesondere kann die Drehrichtung durch Umdrehung der Beschaltung um 180° verändert werden.
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Wie nachfolgend genauer ausgeführt ist, ist der in den vorausgehenden Absätzen beschriebene elektrostatische Antrieb aus vertikal geteilten Elektroden kostengünstig und mit einem vergleichsweise geringen Arbeitsaufwand herstellbar.
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2A bis 2M zeigen Querschnitte durch ein Substrat zum Veranschaulichen einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
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Anhand der nachfolgenden Beschreibung wird beispielsweise ein Ausführen des Herstellungsverfahrens zum Herstellen des vorausgehend beschriebenen mikromechanischen Bauteils erläutert. (Die in den 2A bis 2M schematisch dargestellten Querschnitte verlaufen senkrecht zu der Drehachse 18 entlang der Linie DD' der 1A, welche mittig durch mindestens einen Stator-Elektrodenfinger verläuft.) Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Ausführbarkeit des Verfahrens nicht auf ein Herstellen dieser Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils limitiert ist. Stattdessen ist eine Vielzahl von verschiedenen Typen eines mikromechanischen Bauteils mit einem über zumindest eine Feder mit einem Restsubstrat verbundenen verstellbaren Teil mittels des nachfolgend beschriebenen Herstellungsverfahrens herstellbar.
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2A zeigt einen Querschnitt durch ein Substrat 100 nach einem Bilden einer Isolierschicht 102 mit durchgehenden Aussparungen 104 als Ätzmaske auf einer Vorderseite 28 des Substrats 100. Das Substrat 100 kann insbesondere ein Standard-Silizium-Substrat sein. Anstelle dieses kostengünstigen Ausführungsbeispiels kann jedoch auch eine Vielzahl von anders ausgebildeten Substraten für das im Weiteren beschriebene Verfahren verwendet werden.
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Die Isolierschicht 102 kann beispielsweise eine Hartmaske aus einem Dielektrikum sein. Beispielsweise kann zum Bilden der Isolierschicht 102 eine TEOS-Schicht abgeschieden werden. Das Bilden einer derartigen Isolierschicht 102 mit einem Zugstress bewirkt, dass in den nachfolgenden Verfahrensschritten die Isolierschicht 102 keine Neigung zum Durchbiegen hat. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass für die Isolierschicht auch zugstressfreie Materialien verwendbar sind. Beispielsweise kann die Isolierschicht 102 auch durch eine thermische Oxidation gebildet werden, wobei in einem thermischen Schritt eine Oxidschicht auf einem aus Silizium bestehenden Substrat 100 aufgewachsen wird.
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Vorzugsweise werden die durchgehenden Aussparungen 104 über Substratbereichen, welche in mindestens einen nachfolgenden Verfahrensschritt zu ätzen sind, ausgebildet. Das Ausbilden der durchgehenden Aussparungen 104 kann durch teilweises Öffnen/Ätzen der Isolierschicht 102 unter Verwendung einer Fotomaske erfolgen.
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Bevorzugter Weise wird beim Bilden der als Ätzmaske nachfolgend verwendeten Isolierschicht 102 durch Ätzen der durchgehenden Aussparungen 104 mindestens ein Gitter 106 in mindestens einem Teilbereich der Isolierschicht 102 ausgebildet. Die durchgehenden Aussparungen 104 können dazu in dem mindestens einen Teilbereich der Isolierschicht 102 so gebildet werden, dass ein Gitter 106 aus dem Material der Isolierschicht 102 zurückbleibt. Das zurückbleibende Gitter 106 kann in einer Vielzahl von unterschiedlichen Formen gestaltet sein. In einer einfach ausführbaren Ausführungsform kann das Gitter 106 lediglich aus einzelnen parallel zueinander verlaufenden Stegen aus dem Material der Isolierschicht 102 bestehen. Bevorzugter Weise sind die einzelnen parallel zueinander verlaufenden Stege mit der Isolierschicht 102 verbunden. Als Alternative zu der hier beschriebenen Ausbildung des einfach herstellbaren Gitters 106 können die Stege sich auch kreuzen und auf diese Weise miteinander verbunden sein. Sofern die Isolierschicht 102 einen Druckstress aufweist, ist es auch vorteilhaft die Stege so anzuordnen/auszubilden, dass der Druckstress durch eine Verbiegung der Stege in der Ebene der Isolierschicht 102 ausgleichbar ist. Beispielsweise können die Stege dazu auch meanderförmig ausgebildet werden.
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Vorzugsweise sind die Stege des mindestens einen Gitters 106 so schmal ausgebildet, dass ihre Breiten parallel zu der Vorderseite 28 unter der Breite der durchgehenden Aussparungen 104 parallel zu der Vorderseite 28 und/oder unter der Schichtdicke der isolierenden Schicht 102 liegen. Auch für die durchgehenden Aussparungen 104 wird parallel zu der Vorderseite 28 eine Breite bevorzugt, welche kleiner als die Schichtdicke der isolierenden Schicht 102 ist. Da die Isolierschicht 102 in einem weiteren Verfahrensschritt als Ätzmaske verwendet wird, ist ein niedriges Flächenverhältnis der Stege zu den durchgehenden Aussparungen 104 vorteilhaft, um eine hohe Ätzrate zu ermöglichen.
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2B zeigt das Substrat 100 nach einem Ätzen mindestens einer Kaverne 34 durch die Vorderseite 28 unter Verwendung der auf die Vorderseite des Substrats 100 ausgebildeten Isolierschicht 102 mit durchgehenden Aussparungen 104 als Ätzmaske. Durch das Ätzen der mindestens einen Kaverne 34 wird ein Innenbereich einer ersten Untereinheit des verstellbaren Teils des zu verstellenden mikromechanischen Bauteils zumindest vorgeformt. Dabei werden zu den durchgehenden Aussparungen 104 benachbarte Bereiche der Isolierschicht, insbesondere das mindestens eine Gitter 106, unterätzt. Insbesondere bei einer schmalen Ausbildung der Stege ist ein Unterätzen des mindestens einen Gitters 106 auf einfache Weise und verlässlich ausführbar.
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Der unter Verwendung der Isolierschicht 102 als Ätzmaske ausgeführte Ätzschritt ist vorzugsweise ein anisotroper Trenchprozess. Mittels einer geeigneten Wahl der Prozessparameter für die Ätz- und Passivierungsschritte des anisotropen Trenchprozesses kann ein ausreichendes/vollständiges Unterätzen der (auch breiteren) Stege des mindestens einen Gitters 106 verlässlich gewährleistet werden. Die Unterätzung der feinen Stege kann auch in einem den Trenchprozess nachfolgenden Prozessschritt erfolgen, indem die während des Trenchprozesses entstandene Passivierungsschicht (z.B. mittels eines Ätzschritts) entfernt wird. Anschließend können in einem (bevorzugt isotropen) Ätzverfahren, z. B. unter Verwendung von SF6, CIF3, XeF2 und/oder einem anderen Ätzgas, sich unter den Stegen des mindestens einen Gitters 106 befindende Siliziumwände entfernt werden.
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Mittels des hier beschriebenen Verfahrens ist eine vorteilhaft große maximale Ausdehnung s der mindestens einen Kaverne 34 parallel zu der Vorderseite 28 bewirkbar. Auf die maximale Ausdehnung s der mindestens einen Kaverne 34 wird unten noch genauer eingegangen.
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2C zeigt einen Querschnitt durch das Substrat 100 nach einem Abdichten der durchgehenden Aussparungen durch Aufbringen eines Abdichtmaterials. Dabei wird auch ein Hohlraum 108 der mindestens einen Kaverne 34 mittels des Abdichtmaterials gegenüber einer äußeren Umgebung des Substrats 100 abgeschlossen. Insbesondere bei einer Ausbildung der durchgehenden Aussparungen mit einer geringen Breite parallel zu der Vorderseite 28 kann das Abdichten des mindestens einen Hohlraums 108 schnell und zuverlässig erfolgen.
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In der Regel wird bei dem Abdichten innerhalb der mindestens einen Kaverne 34 eine dünne Schicht 110 aus dem Abdichtmaterial gebildet, welche die mindestens eine Wand und den mindestens einen Boden der mindestens einen Kaverne 34 bedeckt. Die Dicke dieser Schicht 110 kann durch eine Wahl des Abdichtmaterials und der Gitterparameter eingestellt werden.
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Als Abdichtmaterial wird vorzugsweise ein elektrisch isolierendes Material, wie z.B. das Material der Isolierschicht 102, insbesondere Siliziumoxid, verwendet. Die Ausführbarkeit des hier beschriebenen Verfahrensschritts ist jedoch nicht auf ein bestimmtes Abdichtmaterial limitiert. Sofern ein elektrisch isolierendes Material als Abdichtmaterial verwendet wird, ist die Vorderseite 28 des Substrats 100 mit einer abgedichteten Isolierschicht 111 zumindest teilweise bedeckt, deren Schichtdicke über der Schichtdicke der vorigen Isolierschicht 102 liegt. (Unter der abgedichteten Isolierschicht 111 kann eine Schicht aus den Materialien der vorigen Isolierschicht 102 und dem Abdichtmaterial verstanden werden.)
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Mittels des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens ist eine maximale Ausdehnung s der mindestens einen Kaverne 34 parallel zu der Vorderseite 28 ausbildbar, welche um mindestens einen Faktor 2 größer als eine Schichtdicke d der abgedichteten Isolierschicht 111 (nach dem Aufbringen des Abdichtmaterials) ist. Die maximale Ausdehnung s kann insbesondere um einen Faktor 3, vorzugsweise um einen Faktor 5, bevorzugter Weise um einen Faktor 8, größer als die Schichtdicke d der abgedichteten Isolierschicht 111 sein.
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Optionalerweise kann über einen weiteren Ätzprozess zum Ätzen der abgedichteten Isolierschicht 111 mindestens eine spätere Halbleitergrenzschicht 50 an der Vorderseite 28 des Substrats 100 freigelegt werden. Man kann dies auch als Bilden eines Kontaktbereichs zwischen den späteren Untereinheiten des verstellbaren Teils des mikromechanischen Bauteils beschreiben. Das Ergebnis dieses optionalen Ätzprozesses ist in 2D dargestellt.
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2E zeigt einen Querschnitt durch das Substrat 100 nach einem Aufbringen einer Halbleiterschicht 112 auf der abgedichteten Isolierschicht 111 und/oder der mindestens einen Halbleitergrenzfläche 50. Die auf der abgedichteten Isolierschicht 111 gebildete Halbleiterschicht 112 kann beispielsweise eine Polysilizium-Schicht sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird zum Bilden der Halbleiterschicht 112 eine Epi-Polyabscheidung mit einer LPCVD-Poly-Startschicht oder mindestens eine Auto-Seed-Epi-Schicht verwendet.
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Optionalerweise kann für eine spätere Messeinrichtung zum Ermitteln einer Auslenkung eines verstellbaren Teils bei einem Betrieb des fertig hergestellten mikromechanischen Bauteils mindestens ein einkristallener Halbleiterbereich beim Aufwachsen der Halbleiterschicht 112 gebildet werden. (Auf dem einkristallenen Halbleiterbereich können später der Piezo-Widerstand und weitere Komponenten der Messeinrichtung gebildet werden.
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Des Weiteren kann die Halbleiterschicht 112 entweder während des Epi-Prozesses oder danach dotiert werden. Somit können leitfähige Teilbereiche der Halbleiterschicht 112 ausgebildet werden, welche bei einem Betrieb des mikromechanischen Bauteils beispielsweise als Elektrodenbereiche nutzbar sind.
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Bevorzugter Weise weist die Halbleiterschicht 112 eine Schichtdicke zwischen 10 bis 120 µm auf. Optionalerweise kann die Halbleiterschicht 112 poliert werden, um eine geringe Rauigkeit und/oder eine vorgegebene Schichtdicke der Halbleiterschicht 112 zu gewährleisten.
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2F zeigt einen Querschnitt durch das Halbleitersubstrat 100 nach einem Aufbringen einer Außenisolierschicht 114 auf der Halbleiterschicht 112.
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Für eine Verwendung der Außenisolierschicht 114 als Ätzmaske in einem weiteren Ätzverfahren kann mindestens eine durchgehende Aussparung 116 in dieser ausgebildet werden. Insbesondere kann mittels der mindestens einen durchgehenden Aussparung 116 mindestens ein Gitter 118, vergleichbar den zuvor beschriebenen Gittern, in der Außenisolierschicht 114 ausgebildet werden, wie dies in der 2G gezeigt ist.
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2H zeigt einen Querschnitt des Halbleitersubstrats 100 nach einem Vorformen/Herausstrukturieren zumindest einer späteren zweiten Untereinheit des verstellbaren Teils des mikromechanischen Bauteils mittels mindestens eines durch die Halbleiterschicht 112 durchgehenden Trenngrabens 44. Insbesondere kann das Bilden des mindestens einen Trenngrabens 44 durch das Unterätzen des mindestens einen in der Außenisolierschicht 114 ausgebildeten Gitters 118 verfolgen. Die abgedichteten Isolierschicht 111 kann bei dem Ätzen des mindestens einen Trenngrabens 44 als Ätzstopp-Schicht genutzt werden.
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Mittels eines Aufbringens eines weiteren Abdichtmaterials kann die mindestens eine durchgehende Aussparung 116 in der Außenisolierschicht 114 abgedichtet werden. Dabei kann auch der mindestens eine Hohlraum 120 des mindestens einen Trenngrabens 44 von einer äußeren Umgebung des Substrats 100 abgeschlossen werden. Des Weiteren kann mindestens eine dünne Schicht 122 aus dem Abdichtmaterial, welche die mindestens eine Wand und den mindestens einen Boden des mindestens einen Trenngrabens 44 bedeckt, in diesem Verfahrensschritt gebildet werden. Die bei dem Abdichten auf der Halbleiterschicht 112 gebildete abgedichtete Außenisolierschicht 123 ist in 2I gezeigt.
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2J zeigt einen Querschnitt durch das Substrat 100 nach einem Freilegen mindestens einer späteren Kontaktfläche 124 des mikromechanischen Bauteils. Der (optionale) Verfahrensschritt der 2J kann insbesondere dazu genutzt werden, um eine Kontaktierung für einen späteren Elektrodenbereich des fertig hergestellten mikromechanischen Bauteils zu bilden.
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Außerdem kann mindestens ein leitfähiges Material 126 auf der abgedichteten Außenisolierschicht 123 und/oder dem mindestens einen Kontaktbereich 124 abgeschieden werden. Das leitfähige Material 126 kann insbesondere ein Metall sein.
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Mittels des leitfähigen Materials 126 können z.B. Leiterbahnen strukturiert werden, welche die späteren Elektrodenbereichen und/oder mindestens ein anderes elektronisches Bauelement des fertig hergestellten mikromechanischen Bauteils kontaktieren. Ebenso kann mittels des leitfähigen Materials 126 eine reflektierende Schicht für ein Spiegelelement des fertig hergestellten mikromechanischen Bauteils gebildet werden. (in einer arbeitssparenden Ausführungsform kann auch eine mittels des leitfähigen Materials 126 gebildete Metalllage als Spiegelfläche verwendet werden.)
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Optionalerweise kann während des in der 2K gezeigten Verfahrensschritts auch noch ein weiteres reflektierendes Material abgeschieden werden. Ebenso kann mindestens ein Piezo-Widerstand in dem einkristallenen Halbleiterbereich gebildet werden. Andere elektronische Bauelemente können während dieses Verfahrensschritts ebenfalls hergestellt werden.
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2L zeigt einen Querschnitt durch das Substrat 100 nach einem Ätzen mindestens einer Aushöhlung 40 in eine der Vorderseite 28 weggerichtete Rückseite 38 des Substrats 100 zum Formen eines Außenbereichs der späteren ersten Untereinheit. Während des Ätzens der mindestens einen Aushöhlung 40 wird mindestens ein von der Vorderseite 28 weggerichteter Kaverneninnenbereich 128 der mindestens einen Kaverne 34 von einem den jeweiligen Kaverneninnenbereich 128 zuvor umgebenden Substratmaterial des Substrats 100 freigelegt.
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Das Ätzen der mindestens einen Aushöhlung 40 kann auch als Rückseitentrench bezeichnet werden. Dieser Rückseitentrench kann mittels einer Lack- und/oder einer Hardmaske ausgeführt werden. Beim Ätzen der mindestens einen Aushöhlung 40 wird mindestens ein als Aushöhlung 40 bezeichenbarer Trench bis zumindest auf die Höhe/Tiefe der mindestens einen Kaverne 34 geätzt. Dazu kann die dünne Schicht 110 des Abdeckmaterials, beispielsweise aus einem Oxidmaterial, in der mindestens einen Kaverne 34 als Ätzstopp-Schicht genutzt werden. Demgegenüber kann in den Bereichen des Substrats 100 ohne eine Kaverne 34 (und ohne die dünne Schicht 110) die mindestens eine Aushöhlung 40 tiefer in das Substrat 100 geätzt werden. Vorzugsweise ist die Summe der maximalen Tiefe der mindestens einen Aushöhlung 40 und der maximalen Tiefe der mindestens einen Kaverne 34 größer als die Schichtdicke des Substrats 100.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die maximale Tiefe der mindestens einen Aushöhlung 40 so gewählt, dass die verbleibende Resthöhe des Substrats 100, bzw. die Differenz zwischen der Schichtdicke des Substrats 100 und der maximalen Tiefe der mindestens einen Aushöhlung 40 größer als die Schichtdicke der Halbleiterschicht 112 ist. In einer solchen Anordnung werden die maximale Auslenkung des verstellbaren Teils und die Kraft zum Verstellen des verstellbaren Teils durch die Schichtdicke der Halbleiterschicht 112 bestimmt. Da diese Schichtdicke leicht festlegbar ist, sind somit diese Funktionsparameter auf einfache Weise verlässlich einstellbar.
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2L zeigt somit ein Zwischenprodukt, welches herstellbar ist, durch ein Herstellungsverfahren mit den Schritten: Ätzen mindestens einer Kaverne 34 durch eine Vorderseite 28 eines Substrats 100 unter Verwendung einer auf der Vorderseite 28 des Substrats 100 ausgebildeten Isolierschicht 102 mit durchgehenden Aussparungen 104 als Ätzmaske, wobei zu den durchgehenden Aussparungen 104 benachbarte Bereiche der Isolierschicht 102 unterätzt werden, Abdichten der durchgehenden Aussparungen 104 durch Aufbringen eines Abdichtmaterials, wobei ein Hohlraum 108 in der mindestens einen Kaverne 34 mittels des Abdichtmaterials gegenüber einer äußeren Umgebung abgeschlossen wird, Aufbringen zumindest einer Halbleiterschicht 112 auf der abgedichteten Isolierschicht 111, Ätzen mindestens eines durch die Halbleiterschicht 112 durchgehenden Trenngrabens 44, und Ätzen mindestens einer Aushöhlung 40 in eine von der Vorderseite 28 weggerichtete Rückseite 38 des Substrats 100, wobei mindestens ein von der Vorderseite 28 weggerichteter Kaverneninnenbereich 128 der mindestens einen Kaverne 34 von einem zuvor umgebenden Substratmaterial freigelegt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Zwischenprodukts steht nach dem Ätzen der mindestens einen Aushöhlung 40 Ablagerungen 130 des Abdichtmaterials (in den zuvorigen Kaverneninnenbereich 128) aus einer Bodenfläche 132 mindestens eine Aushöhlung 40 hervor. Insbesondere aufgrund der aus der Bodenfläche 132 der mindestens einen Aushöhlung 40 hervorstehenden Ablagerungen 132 des Abdichtmaterials ist verlässlich erkennbar, dass das Zwischenprodukt über die oben genannten Schritte des Herstellungsverfahrens hergestellt ist.
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Insbesondere können die Ablagerungen 130 mindestens einen Seitenwandbereich und einen Abdeckbereich aufweisen, welche einen Hohlraum 108, der teilweise noch innerhalb der zugeordneten (restlichen) Kaverne 34 liegt, abdecken. Allerdings können beim Freilegen des Kaverneninnenbereichs 128 auch zumindest leichte Beschädigungen an der Wandstruktur der Ablagerungen 130 auftreten. Es wird deshalb darauf hingewiesen, dass das Herstellen des Zwischenprodukts mittels der oben genannten Verfahrensschritte auch in solchen Situationen nachweisbar ist, in welchen die Wandstruktur der Ablagerungen 130 zumindest leicht beschädigt ist.
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Es wird noch einmal darauf aufmerksam gemacht, dass auch bei dem Zwischenprodukt der 2L die mindestens eine Kaverne 34 mit einer maximalen Ausdehnung s parallel zu der Vorderseite 28 geätzt ist, welche mindestens um einen Faktor 2 größer als die Schichtdicke d der abgedichteten Isolierschicht 111 ist.
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2M zeigt einen Querschnitt durch ein aus dem vorherigen Substrat gebildeten Restsubstrat 26 nach einem Entfernen (zumindest) von an die mindestens eine Kaverne 34 und an den mindestens einen durchgehenden Trenngraben 44 angrenzenden Bereichen der (vorherigen) abgedichteten Isolierschicht zum Gewährleisten einer Verstellbarkeit eines aus dem Substratmaterial gebildeten verstellbaren Teils 10. Das verstellbare Teil 10 ist über mindestens eine (nicht gezeigte) Feder mit dem Restsubstrat 26 verbunden. Das verstellbare Teil 10 umfasst eine erste Untereinheit 46 (aus dem Material des vorherigen Substrats) und eine zweite Untereinheit 48(aus dem Material der vorherigen Halbleiterschicht), welche mittels einer dazwischen liegenden isolierenden Zwischenschicht 134 und/oder mindestens einer Halbleitergrenzfläche 50 voneinander getrennt sind. (Mittels des Entfernens der an die mindestens eine Kaverne 34 und an den mindestens einen durchgehenden Trenngraben 44 angrenzenden Bereiche wird die isolierende Zwischenschicht 134 als vorheriger Teilbereichs der abgedichteten Isolierschicht freigestellt.)
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Das Ätzen der Isolierschicht 102 kann wahlweise an einer der beiden Seiten 28 oder 38 erfolgen. Ebenso kann das Ätzen der Isolierschicht 102 von beiden Seiten 28 und 38 ausgeführt werden. Zum Ätzen der Isolierschicht kann ein isotroper oder ein anisotroper Ätzschritt ausgeführt werden.
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2M zeigt einen Querschnitt durch zwei Stator-Elektrodenfinger 24. Zu erkennen ist dabei der Aufbau der zwei Stator-Elektrodenfinger 24 aus jeweils einen von dem Restsubstrats 26 umfassten ersten Stator-Elektrodenfingerbereich 136 und einen von der Resthalbleiterschicht 32 umfassten zweiten Stator-Elektrodenfingerbereich 138, welche über eine aus der (vorherigen) abgedichteten Isolierschicht herausstrukturierten Restisolierschicht 30 voneinander elektrisch getrennt sind. Weitere Einzelheiten des Querschnitts der 2M können der Beschreibung der 1A bis 1D entnommen werden.
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Beim Ausführen des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens können die einzelnen Prozessschritte auch in einer von der hier beschriebenen Prozessreihenfolge abweichenden Prozessfolge ausgeführt werden. Insgesamt werden zum Ausführen des Herstellungsverfahrens nur sechs Strukturierungsebenen benötigt. Somit bietet das hier beschriebene Herstellungsverfahren eine vorteilhafte Möglichkeit zum Reduzieren der Strukturierungsebenen beim Herstellen eines mikromechanischen Bauteils.
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Das Herstellungsverfahren ist ohne ein SOI-Substrat ausführbar. Außerdem ist es nicht notwendig, bei der Ausführung des Herstellungsverfahrens zuerst die obere Halbleiterschicht und dann bei einem Strukturieren des Substrats die dazwischenliegende isolierende Schicht zu ätzen. Ebenso ist es nicht notwendig, für ein Freistellen der beweglichen Strukturen von der Rückseite in das Substrat zu ätzen. Damit entfällt bei dem Ausführen des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens auch das Problem, dass notwendige Kontakte zwischen der oberen Halbleiterschicht und dem Material des Substrats nachträglich herzustellen sind. Das hier beschriebene Herstellungsverfahren realisiert somit eine Vereinfachung herkömmlicher Verfahren zum Bilden eines mikromechanischen Bauteils.
