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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil. Ebenso betrifft die Erfindung eine Sensorvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil und ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung.
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Stand der Technik
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In der
DE 10 2008 043 790 A1 ist ein mikromechanisches Bauelement mit einer an einem Substrat angeordneten Stator-Elektrode und einer als Aktor-Elektrode ausgebildeten und in einem Abstand zu der Stator-Elektrode drehbar angeordneten Schwungmasse beschrieben. Bei der Herstellung des mikromechanischen Bauelements wird eine isolierende Schicht auf dem Substrat abgeschieden. Auf der isolierenden Schicht wird die mindestens eine Stator-Elektrode gebildet. Anschließend werden eine Opferschicht und eine Halbleiterschicht, wie beispielsweise eine EPI-Polysiliziumschicht, auf der mindestens einen Aktor-Elektrode abgeschieden. Die Schwungmasse wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt in Form einer asymmetrischen Wippe aus der Halbleiterschicht herausstrukturiert.
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Ein mikromechanisches Bauelement mit mindestens einer an einem Substrat fest angeordneten Stator-Elektrode und einer beabstandet dazu drehbar angeordneten Schwungmasse in Form einer asymmetrischen Wippe, welche aus einer auf das Substrat aufgebrachten Halbleiterschicht herausstrukturiert und als mindestens eine Aktor-Elektrode ausgebildet ist, wird auch in der
DE 10 2008 043 788 A1 beschrieben.
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Die
DE 100 03 066 A1 beschreibt einen Halbleitersensor für eine physikalische Größe und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
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Weitere Beispiele für derartige mikromechanische Bauelemente sind in der
US 2011/0 104 844 A1 , der
US 2010/0 107 758 A1 , der
DE 199 06 046 A1 , der
US 6 230 566 B1 und in der
US 2006/0 042 385 A1 beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7, ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung gewährleistet ein Herausstrukturieren der beweglichen Masse und der mindestens einen Feder aus dem Substrat. Somit entfällt die Notwendigkeit eines Abscheidens/Bildens einer zusätzlichen Halbleiterschicht auf einer auf dem Substrat gebildeten Isolierschicht/Opferschicht, aus welcher die bewegliche Masse beim Stand der Technik gebildet wird. Somit entfallen bei der erfindungsgemäßen Technologie die herkömmlicher Weise häufig auftretenden Probleme beim Herstellen eines SOI-Aufbaus (Silicon on Isolator). Ebenso können gegenüber dem Stand der Technik Arbeitsschritte beim Herstellungsverfahren eingespart werden. Auf diese Weise können die Herstellungskosten für das erfindungsgemäße mikromechanische Bauteil gesenkt werden.
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Das Material der ersten leitfähigen Lage des mindestens einen Aktor-Elektrodenfingers und des mindestens einen Stator-Elektrodenfingers kann somit in einem einfach ausführbaren Arbeitsschritt gleichzeitig abgeschieden werden. Entsprechend kann auch das Material der zweiten leitfähigen Lage der mindestens zwei Elektrodenfinger in einem leicht ausführbaren Arbeitsschritt gleichzeitig abgeschieden werden. Die aus den mindestens zwei leitfähigen Lagen zusammengesetzten Elektrodenfinger sind somit vergleichsweise Arbeitsaufwand-sparend herstellbar. Außerdem ist bei einer derartigen Ausbildung der Elektrodenfinger aus mindestens zwei leitfähigen Lagen eine vorteilhafte hohe Kapazität zwischen einem Stator-Elektrodenfinger und einem benachbart dazu angeordneten Aktor-Elektrodenfinger im Verhältnis zu dem Abstand zwischen den beiden benachbarten Elektrodenfingern und einer dazwischen anliegenden Spannung gewährleistet. Dies gewährleistet eine vorteilhafte Einsetzbarkeit des mikromechanischen Bauteils für einen Sensor.
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Gleichzeitig gewährleistet die unten genauer beschriebene erfindungsgemäße Technologie eine Möglichkeit zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils, wobei die zum Herausstrukturieren der beweglichen Masse und der mindestens einen Feder aus dem Substrat auszuführenden Ätzschritte und die zum Bilden der Elektroden auszuführenden Abscheideschritte lediglich von einer Seite des Substrats auszuführen sind. Man kann dies auch so umschreiben, dass zum Herstellen des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils lediglich Vorderseitenprozesse auszuführen sind, während ein Ausführen von Rückseitenprozessen nicht notwendig ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass bei der erfindungsgemäßen Technologie die mindestens eine Stator-Elektrode, so an dem Substrat angeordnet ist, dass die mechanischen Eigenschaften der mindestens einen Stator-Elektrode keine/kaum mechanische Spannungen in dem Substrat, insbesondere in der beweglichen Masse, bewirken können.
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Mittels der vorliegenden Erfindung können die bekannten guten mechanischen und elektrischen Eigenschaften bekannter MEMS-Sensoren, insbesondere bekannter MEMS-Sensoren aus Silizium, ohne Nachteile mit den guten Eigenschaften von metallbasierten MEMS-Sensoren kombiniert werden. Die herkömmlicher Weise oft auftretenden Nachteile derartiger Sensoren müssen dabei nicht in Kauf genommen werden.
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Bei dem unten genauer beschriebenen erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren können die einzelnen Herstellungsschritte der CMOS-Herstellung (Complementary Metall Oxide Semiconductor, komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) und der MEMS-Herstellung getrennt voneinander ausgeführt werden/ablaufen. Die verschiedenen Prozesse beeinflussen sich somit nicht gegenseitig. Insbesondere können sämtliche Verfahrensschritte zum Herstellen der MEMS-Strukturen erst nach dem eigentlichen CMOS-Herstellungsprozess ausgeführt werden.
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Das nur mittels Vorderseitenprozesse herstellbare mikromechanische Bauteil kann von der Rückseite her auf einfache Weise abgedünnt werden. Somit ist das mikromechanische Bauteil mit einer vergleichsweise geringen Ausdehnung senkrecht zu der funktionalen Seite herstellbar. Dies reduziert das Gewicht des mikromechanischen Bauteils und erleichtert dessen Anbringung an einem Körper. Außerdem kann das mikromechanische Bauteil einfach innerhalb eines Chips mit einer CMOS-Auswerteschaltung kombiniert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die bewegliche Masse über die mindestens eine Feder derart mit dem Substrat verbunden, dass die bewegliche Masse in Bezug zu dem Substrat entlang einer parallel zu der funktionalen Seite des Substrats ausgerichteten Verstellachse verstellbar ist. Auf eine vorteilhafte Verwendungsmöglichkeit eines derartigen mikromechanischen Bauteils wird unten noch genauer eingegangen.
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Bevorzugter Weise umfasst der mindestens eine Stator-Elektrodenfinger und/oder der mindestens eine Aktor-Elektrodenfinger an einer zu dem Substrat ausgerichteten Innenseite eine Fläche aus einem leitfähigen Material, welche unbedeckt von einem Substratmaterial ist. Unter einem freitragenden Elektrodenfinger, welcher den Trenngraben teilweise überdeckt, kann somit ein Elektrodenfinger verstanden werden, welcher sich nicht an einem Halbleitermaterial des Substrats abstützt. Dies ist beispielsweise mit dem Vorteil verbunden, dass vergleichsweise filigrane Fingerstrukturen des mindestens einen Aktor-Elektrodenfingers und/oder des mindestens einen Stator-Elektrodenfingers ausbildbar sind, ohne dass dazu entsprechende Gegenstrukturen aus dem Substrat heraus zu strukturieren sind. Dies erleichtert die Herstellbarkeit der Elektrodenfinger erheblich und verbessert die Einhaltbarkeit einer gewünschten filigranen Fingerstruktur.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist mindestens eine integrierte Sensor- und/oder Auswerteeinrichtung in und/oder auf dem Substrat ausgebildet. Dies gewährleistet ein vorteilhaftes Zusammenwirken der beweglichen Masse und der Elektrodenfinger mit der Sensor- und/oder Auswerteeinrichtung. Beispielsweise kann die Auswerteschaltung als CMOS-Schaltung innerhalb eines einzigen Chips mit den MEMS-Strukturen realisiert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das mikromechanische Bauteil zusätzlich eine mittels mindestens eines an der funktionalen Seite des Substrats ausgebildeten weiteren Trenngrabens aus dem Substrat herausstrukturierte asymmetrische Wippe, welche über mindestens eine Torsionsfeder so mit dem Substrat verbunden ist, dass die asymmetrische Wippe um eine parallel zu der funktionalen Seite des Substrats ausgerichtete Drehachse, welche die asymmetrische Wippe in eine erste Teilmasse mit einem ersten Gewicht und in eine zweite Teilmasse mit einem zweiten Gewicht größer als dem ersten Gewicht unterteilt, verkippbar ist. In diesem Fall kann beispielsweise die verstellbare Masse als seismische Masse zum Ermitteln einer Beschleunigung mit einer Komponente parallel zu der funktionalen Seite verwendet werden, während gleichzeitig die asymmetrische Wippe als seismische Masse zum Ermitteln einer Beschleunigung mit einer Komponente senkrecht zu der funktionalen Seite verwendbar ist.
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Bevorzugter Weise umfasst das mikromechanische Bauteil mindestens eine auf einer an der funktionalen Seite liegenden Außenfläche der asymmetrische Wippe angeordnete Aktor-Flächenelektrode und mindestens eine mittels mindestens einer Stützverbindung an dem Substrat angeordnete Stator-Flächenelektrode, wobei die mindesten eine Stützverbindung und/oder die mindestens eine Stator-Flächenelektrode die asymmetrische Wippe, die mindestens eine Aktor-Flächenelektrode und/oder den mindestens einen weiteren Trenngraben zumindest teilweise überspannen. Wie unten genauer ausgeführt wird, können in diesem Fall die Flächenelektroden unter zusätzlicher Nutzung der zum Bilden der mindestens zwei leitfähigen Lagen der Elektrodenfinger ausgeführten Verfahrensschritte gebildet werden.
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Die in den oberen Absätzen beschriebenen Vorteile sind auch bei einer Sensorvorrichtung mit einem entsprechenden mikromechanischen Bauteil und einer Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, eine Größe bezüglich einer Kapazität mindestens eines Kondensators aus dem mindestens einen Stator-Elektrodenfinger und dem mindestens einen Aktor-Elektrodenfinger zu ermitteln und unter Berücksichtigung der ermittelten Größe eine Information bezüglich einer auf die bewegliche Masse ausgeübten Beschleunigung festzulegen und auszugeben. Das mikromechanische Bauteil eignet sich somit besonders gut für die Realisierung einer Sensorvorrichtung, welche mindestens eine parallel zur funktionalen Seite des Substrats ausgerichtete sensitive Achse aufweist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit die Realisierung von In-Plane-Sensoren, welche auch als X-, Y- und/oder XY-Beschleunigungssensoren bezeichenbar sind.
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Des Weiteren kann die Auswerteeinrichtung als integrierte Schaltung in und/oder auf dem Substrat ausgebildet sein. Dies erlaubt ein vorteilhaftes Zusammenwirken der Auswerteeinrichtung mit der mindestens einen beweglichen Masse und/oder der asymmetrischen Wippe, sowie der daran oder benachbart dazu angeordneten Elektroden.
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Die oben aufgezählten Vorteile sind auch bei einem korrespondierenden Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil gewährleistet.
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Bevorzugter Weise umfasst das Herstellungsverfahren zusätzlich die Schritte: Ausführen eines ersten Ätzschritts zum Entfernen zumindest der Teilbereiche der Opferschicht und/oder der mindestens einen Zwischenschicht, Ausführen eines zweiten Ätzschritts zum Bilden mindestens eines Grabens in mindestens einem in dem ersten Ätzschritt freigelegten Bereich des Substrats, Bilden mindestens einer Schutzschicht in dem mindestens einen gebildeten Graben, wobei die mindestens eine Seitenwand des mindestens einen Grabens von der mindestens einen Schutzschicht bedeckt wird und die mindestens eine Schutzschicht von der mindestens einen Bodenfläche des mindestens einen Grabens entfernt wird, und Ausführen eines isotropen dritten Ätzschritts so, dass die bewegliche Masse und die mindestens eine Feder aus dem Substrat herausstrukturiert werden.
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Alternativ oder ergänzend zu den in dem vorausgehenden Absatz aufgezählten Verfahrensschritten kann auch mindestens eine weitere Opferschicht und mindestens eine weitere leitfähige Lage jeweils des mindestens einen Stator-Elektrodenfingers und des mindestens einen Aktor-Elektrodenfingers über der zweiten leitfähigen Lage gebildet werden. Vorzugsweise ist jeder der Elektrodenfinger aus drei bis sechs leitfähigen Lagen aufgebaut. Die so ausgebildeten Elektrodenfinger eignen sich gut zur Verwendung als Kondensatorkomponenten zum Ermitteln einer dazwischen anliegenden Kapazität.
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Ebenso kann zusätzlich mittels mindestens eines an der funktionalen Seite des Substrats gebildeten weiteren Trenngrabens eine asymmetrische Wippe aus dem Substrat herausstrukturiert und so über mindestens eine Torsionsfeder mit dem Substrat verbunden werden, dass die asymmetrische Wippe bei einer Beschleunigung des Substrats senkrecht zu der funktionalen Seite um eine parallel zu der funktionalen Seite des Substrats ausgerichtete Drehachse, welche die asymmetrische Masse in eine erste Teilmasse mit einem ersten Gewicht und in eine zweite Teilmasse mit einem zweiten Gewicht größer als dem ersten Gewicht unterteilt, gedreht wird, wobei mindestens eine Aktor-Flächenelektrode an einer an der funktionalen Seite liegenden Außenfläche der asymmetrischen Wippe gebildet wird, wobei mindestens eine mittels mindestens einer Stützverbindung fest an dem Substrat angeordnete Stator-Flächenelektrode gebildet wird, und wobei die asymmetrische Wippe, die mindestens eine Aktor-Flächenelektrode und/oder der weitere Trenngraben von der mindestens einen Stützverbindung und/oder der mindestens einen Stator-Flächenelektrode überspannt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die zum Bilden der asymmetrischen Wippe, der mindestens einen Torsionsfeder und der mindestens zwei Flächenelektroden auszuführenden Verfahrensschritte leicht mit den zum Bilden der beweglichen Masse, der mindestens einen Feder und der mindestens zwei Elektrodenfinger auszuführenden Verfahrensschritte kombinierbar sind.
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Insbesondere können Verfahrensschritte zum Aufbringen des Materials der mindestens zwei leitfähigen Lagen der Elektrodenfinger auch zum Aufbringen des Materials der mindestens zwei Flächenelektronen genutzt werden. Des Weiteren können auch die Ätzschritte gleichzeitig zu den zumindest teilweisen Freistellen der mindestens zwei Elektrodenfinger und der mindestens zwei Flächenelektronen und zum Herausstrukturieren der mindestens einen beweglichen Masse und der asymmetrischen Wippe genutzt werden. Somit ist z.B. ein Beschleunigungssensor mit zwei beweglichen Massen, welche zueinander geneigt ausgerichtete Verstellachsen aufweisen, und einer asymmetrischen Wippe mit einem vergleichsweise geringen Arbeitsaufwand und zu niedrigen Kosten herstellbar. Somit lässt sich die Erfindung insbesondere zum Realisieren eines derartigen Beschleunigungssensors mit drei sensitiven Achsen nutzen.
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Die vorausgehend genannten Vorteile sind entsprechend auch für ein Herstellungsverfahren für eine derartige Sensorvorrichtung realisierbar.
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Die Verwendbarkeit des mikromechanischen Bauteils ist jedoch nicht auf einen Beschleunigungssensor beschränkt.
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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 1C eine schematische Gesamtdarstellung, eine Teildarstellung und einen Teilquerschnitt einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform desmikromechanischen Bauteils;
- 3A und 3B eine Teilaufsicht und einen Teilquerschnitt einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
- 4 ein Flussdiagramm zum Darstellen einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens; und
- 5A und 5B ein Flussdiagramm und einen Querschnitt zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1A bis 1C zeigen eine schematische Gesamtdarstellung, eine Teildarstellung und einen Teilquerschnitt einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Das in 1A in Gesamtdarstellung schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil umfasst ein (Rest-)Substrat 10. (Obwohl in dem (Rest-)Substrat 10 bereits die nachfolgend beschriebenen Strukturierungen ausgebildet sind, wird für die größte Masse aus einem bearbeiteten Ursprungs-Substrat im Weiteren der Begriff „Substrat“ verwendet.)
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Das mikromechanische Bauteil hat auch eine über mindestens eine Feder 12 mit dem Substrat 10 verbundene bewegliche Masse 14. Die bewegliche Masse 14 und die mindestens eine Feder 12 sind mittels mindestens eines an einer funktionalen Seite 16 des Substrats 10 ausgebildeten Trenngrabens 18 aus dem Substrat 10 herausstrukturiert. Darunter kann verstanden werden, dass die bewegliche Masse 14 und die mindestens eine Feder 12 mittels des mindestens einen Trenngrabens 18 aus einer Masse des bearbeiteten Ursprungs-Substrat herausgeformt und mittels des mindestens einen Trenngrabens 18 von dem (als größte Restmasse verbleibenden) Substrat 10 getrennt sind. Der mindestens eine Trenngraben 18 umrahmt eine zu der funktionalen Seite 16 gerichtete Außenseite 20 der beweglichen Masse 14 zumindest teilweise.
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Vorteilhafterweise kann die bewegliche Masse 14 über die mindestens eine Feder 12 derart mit dem Substrat 10 verbunden sein, dass die bewegliche Masse 14 in Bezug zu dem Substrat 10 entlang einer Verstellachse 21 verstellbar ist. Bevorzugter Weise ist die Verstellachse 21, entlang welcher die bewegliche Masse 14 in Bezug zu dem Substrat 10 verstellbar ist, parallel zu der funktionalen Seite 16 des Substrats 10 ausgerichtet. Eine derart mit dem Substrat 10 verbundene bewegliche Masse 14 eignet sich gut zur Verwendung in einem Beschleunigungssensor. Das hier beschriebene mikromechanische Bauteil ist jedoch nicht auf eine Verwendung als Beschleunigungssensor beschränkt.
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Die vorteilhafte Verstellbarkeit der beweglichen Masse 14 entlang der Verstellachse 21 ist mittels einer Anbindung der verstellbaren Masse 14 mit dem Substrat 10 an zwei gegenüberliegenden Seiten über je eine Feder 12 bewirkbar. Die mindestens eine Feder 12 kann beispielsweise als Doppelfeder aus zwei symmetrisch zur Verstellachse 21 angeordneten V-Federn, deren offene Seiten zu der Verstellachse 21 ausgerichtet sind, ausgebildet sein. Bevorzugter Weise ist die mindestens eine Feder 12 derart ausgebildet, dass die bewegliche Masse 14 nicht/kaum in eine Richtung senkrecht zu der funktionalen Seite 16 des Substrats 10 (ohne Beschädigung des mikromechanisches Bauteils) verstellbar ist. Die Ausbildbarkeit des mikromechanischen Bauteils ist jedoch nicht auf die Verwendung eines bestimmten Federtyps limitiert.
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Die auch als bewegliche Struktur bezeichenbare bewegliche Masse 14 kann beispielsweise aus mehreren Stegen 22 und/oder flächigen Elementen 24 bestehen, welche aus dem Substrat 10 herausgeätzt sind. Auf diese Weise kann eine bewegliche Masse 14 mit einem zur Nutzung als seismische Masse ausreichenden Gewicht hergestellt werden. Vorzugsweise sind die Stege 22 parallel zu der Verstellachse 21 ausgerichtet. Mindestens einer der Stege 22 kann zwei flächige Elemente 24 miteinander verbinden. Die zwei flächigen Elemente 24 erstrecken sich vorzugsweise entlang einer Richtung, welche geneigt zu der Verstellachse 21 ausgerichtet ist. Insbesondere können die zwei flächigen Elemente 24 sich senkrecht zu der Verstellachse 21 erstrecken. Während die Stege 22 die flächigen Elemente 24 an ihren Innenseiten/Innenkanten kontaktieren, kann eine Außenseite/Außenkante der flächigen Elemente 24 über je eine Feder 12 mit dem Substrat 10 verbunden sein. Eine derart ausgebildete bewegliche Masse 14 weist eine vorteilhafte hohe Steifigkeit auf. Außerdem ist bei einem derartigen Aufbau der beweglichen Masse 14 eine Spiegelsymmetrie bezüglich einer senkrecht zu der Verstellachse ausgerichteten Symmetrieachse 26 leicht realisierbar, wodurch eine vorteilhafte Eignung der beweglichen Masse 14 als seismische Masse bewirkt ist. Die Ausbildung der beweglichen Masse 24 ist jedoch nicht auf diesen Aufbau beschränkt.
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An der beweglichen Masse 14, bevorzugter Weise an den Stegen 22, ist mindestens eine Aktor-Elektrode angeordnet, welche als Aktor-Elektrodenfinger 28 an der Außenseite 20 ausgebildet ist. Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von Aktor-Elektrodenfingern 28 an der beweglichen Masse 14, insbesondere an den Stegen 22, so angeordnet, dass die Aktor-Elektrodenfinger 28 bei einer Verstellbewegung der beweglichen Masse 14 mitverstellt werden.
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Benachbart zu dem mindestens einen Aktor-Elektrodenfinger 28 ist mindestens ein Stator-Elektrodenfinger 30 als mindestens eine in Bezug zu dem Substrat 10 fest angeordnete Stator-Elektrode angeordnet. Insbesondere können eine Mehrzahl von Stator-Elektrodenfingern 30 an der funktionalen Seite 16 des Substrats 10 so fest angeordnet sein, dass die Stator-Elektrodenfinger 30 in ihrer Lage/Stellung in Bezug zu dem Substrat 10 durch eine Verstellbewegung der beweglichen Masse 14 nicht verändert werden. Beispielsweise können Stator-Stege 32, welche sich parallel zu den Stegen 22 erstrecken, an dem Substrat 10 ausgebildet sein, an welchen die Mehrzahl von Stator-Elektrodenfingern an der funktionalen Seite 16 angeordnet sind. Auf eine besonders vorteilhafte Anordnung der Elektrodenfinger 28 und 30 zueinander wird unten noch eingegangen.
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Der mindestens eine Stator-Elektrodenfinger 30 ist derart an der funktionalen Seite 16 des Substrats 10 angeordnet, dass er den mindestens einen Trenngraben 18 freitragend teilweise überdeckt. Entsprechend ist auch der mindestens eine Aktor-Elektrodenfinger 28 an der Außenseite 20 der beweglichen Masse 14 so angeordnet, dass er freitragend den mindestens einen Trenngraben 18 teilweise überdeckt. Eine genauere Umschreibung der freitragenden Ausbildung/freitragend überdeckenden Ausbildung der Elektrodenfinger 28 und 30 und des damit bewirkten Vorteils wird unten noch gegeben. Insbesondere können sich die Elektrodenfinger 28 und 30 senkrecht zu der Verstellachse 21 erstrecken.
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Mittels der Elektrodenfinger 28 und 30 kann eine Verstellbewegung der beweglichen Masse 14 entlang der Verstellachse 21 in eine erste Verstellrichtung 34 oder in eine der ersten Verstellrichtung 34 entgegen gerichteten zweite Verstellrichtung 36 festgestellt, nachgewiesen oder ermittelt werden. Nachfolgend wird eine dazu besonders vorteilhafte Anordnung und Kontaktierung der Elektrodenfinger 28 und 30 beschrieben:
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1B zeigt eine Teilansicht des mikromechanischen Bauteils mit mehreren Elektrodenfingern 28 und 30. Die Elektrodenfinger 28 und 30 sind so zueinander angeordnet, dass zwei Stator-Elektrodenfinger 30a und 30b in einem von zwei benachbarten Aktor-Elektrodenfingern 28 aufgespannten Aktor-Elektrodenfinger-Zwischenraum hineinragen. Der erste Stator-Elektrodenfinger 30a von zwei in einen Aktor-Elektrodenfinger-Zwischenraum hineinragenden Elektrodenfinger 30a und 30b ist jeweils in der ersten Verstellrichtung 34 der beweglichen Masse 14 zu dem zweiten Stator-Elektrodenfinger 30b der zwei in den Aktor-Elektrodenfinger-Zwischenraum hineinragenden Elektrodenfinger 30a und 30b angeordnet. (Der zweite Stator-Elektrodenfinger 30b der zwei in den Aktor-Elektrodenfinger-Zwischenraum hineinragenden Elektrodenfinger 30a und 30b ist entsprechend in der zweiten Verstellrichtung 36 zu dem ersten Stator-Elektrodenfinger 30a der zwei in den Aktor-Elektrodenfinger-Zwischenraum hineinragenden Elektrodenfinger 30a und 30b angeordnet.) Man kann die vorteilhafte Anordnung der Elektrodenfinger 28 und 30 auch damit umschreiben, dass die Aktor-Elektrodenfinger 28 und die Stator-Elektrodenfinger 30a und 30b jeweils als Kammstruktur ausgebildet sind, wobei zwei Stator-Elektrodenfinger 30a und 30b, welche als zwei elektrisch getrennte Finger ausgebildet sind, in die (Zwischenfinger-)Räume der Kammstruktur der Aktor-Elektrodenfinger 28 greifen.
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Bevorzugter Weise weist das mikromechanische Bauteil ein (nicht dargestelltes) Leiterbahnensystem auf, welches eine Mehrzahl von ersten Stator-Elektrodenfingern 30a so miteinander verbindet, dass ein Ladungstransfer zwischen der Mehrzahl von ersten Stator-Elektrodenfingern 30a gewährleistet ist. Die Mehrzahl von ersten Stator-Elektrodenfingern 30a ist in diesem Fall als (virtuelle) erste Mess-Elektrode eines ersten (virtuellen) ersten Mess-Kondensators umschreibbar. Entsprechend kann auch eine Mehrzahl von zweiten Stator-Elektrodenfingern 30b über das Leiterbahnensystem derart miteinander elektrisch verbunden sein, dass sie auch als (virtuelle) zweite Mess-Elektrode eines (virtuellen) zweiten Mess-Kondensators umschreibbar sind. Es wird darauf hingewiesen, dass eine elektrisch getrennte Ausbildung der (virtuellen) ersten Mess-Elektrode und der (virtuellen) zweiten Mess-Elektrode bevorzugt wird. Das Leiterbahnensystem ist somit vorzugsweise so ausgebildet, dass ein Ladungstransfer zwischen zwei benachbarten Stator-Elektrodenfingern 30a und 30b unterbunden ist. Demgegenüber können alle Aktor-Elektrodenfinger 28 so miteinander verbunden sein, dass sie eine (virtuelle) Gegenelektrode zu der (virtuellen) ersten Mess-Elektrode (bzw. zu der Mehrzahl von ersten Stator-Elektrodenfingern 30a) und zu der (virtuellen) zweiten Mess-Elektrode (bzw. zu der Mehrzahl von zweiten Stator-Elektrodenfingern 30b) bilden.
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Bei einer derartigen vorteilhaften elektrischen Verbindung der Elektrodenfingern 28, 30a und 30b untereinander bewirkt eine Verstellbewegung der beweglichen Masse 14 in die erste Verstellrichtung 34 eine Zunahme einer ersten Kapazität des (virtuellen) ersten Mess-Kondensators aus der (virtuellen) ersten Mess-Elektrode und der (virtuellen) Gegenelektrode, sowie eine Abnahme einer zweiten Kapazität des (virtuellen) zweiten Mess-Kondensators aus der (virtuellen) zweiten Mess-Elektrode und der (virtuellen) Gegenelektrode. Entsprechend führt auch eine Verstellbewegung der beweglichen Masse 14 in die zweite Verstellrichtung 36 zu einer Zunahme der zweiten Kapazität des (virtuellen) zweiten Mess-Kondensators und einer Abnahme der ersten Kapazität des (virtuellen) ersten Mess-Kondensators. Somit können über eine Auswertung der ersten Kapazität und der zweiten Kapazität eine Richtungsangabe und/oder eine Größenangabe bezügliche der Verstellbewegung der beweglichen Masse 14 leicht und verlässlich festgelegt werden. Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann über eine Auswertung der ersten Kapazität und der zweiten Kapazität, bzw. mindestens einer davon abgeleiteten Größe, eine Beschleunigungsgröße bezüglich einer auf das mikromechanische Bauteil ausgeübten Beschleunigung mit einer Komponente in Richtung der Verstellachse 21 festgelegt werden. Ausführbar ist beispielsweise eine Δ-Kapazitätsauswertung, wobei ein Quotient und/oder eine Differenz aus der ersten Kapazität und der zweiten Kapazität ausgewertet werden.
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Zum Ermitteln und/oder Auswerten der Kapazitäten kann beispielsweise eine Sensor- und/oder Auswerteeinrichtung verwendet werden, welche in und/oder auf dem Substrat 10 integriert ausgebildet ist. Die Verwendbarkeit einer derartigen in und/oder auf dem Substrat 10 integrierten Sensor- und/oder Auswerteeinrichtung ist außerdem nicht auf das Ermitteln und/oder Auswerten der Kapazitäten beschränkt.
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1C zeigt einen schematischen Querschnitt durch das mikromechanische Bauteil entlang der Linie AA' der 1A.
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Wie in 1C zu erkennen ist, sind die Aktor-Elektrodenfinger 28 an der Außenseite 20 ausgebildet. Darunter kann insbesondere verstanden werden, dass die Aktor-Elektrodenfinger 28 von einer durch die Außenseite 20 durchgehende Ebene berührt werden und/oder an einer dem mindestens einen Trenngraben 18 gegenüberliegenden Seite der Ebene angeordnet sind. Entsprechend ist die Lage der Stator-Elektrodenfinger 30 an der funktionalen Seite 16 damit umschreibbar, dass die Stator-Elektrodenfinger 30 von einer durch die funktionale Seite 16 des Substrats 10 durchgehenden Ebene berührt werden und/oder an einer dem mindestens einen Trenngraben 18 gegenüberliegenden Seite der Ebene angeordnet sind. Die Elektrodenfinger 28 und 30 ragen somit nicht in den mindestens einen Trenngraben 18 hinein. Stattdessen sind die Elektrodenfinger 28 und 30 so ausgebildet, dass sie freitragend den Trenngraben 18 teilweise überdecken.
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Unter einer freitragenden Ausbildung/freitragend (teilweise) überdeckenden Ausbildung eines Elektrodenfingers 28 und 30 kann verstanden werden, dass der Elektrodenfinger 28 und 30 seitlich über den mindestens einen Trenngraben 18 ragt, wobei an einer Innenseite des Elektrodenfingers 28 und 30 mittels des Trenngrabens 18 ein Freiraum/Luftraum ausgebildet ist. Bevorzugter Weise hat der mindestens eine Stator-Elektrodenfinger 30 und/oder der mindestens eine Aktor-Elektrodenfinger 28 an einer zu dem Substrat 10 ausgerichteten Innenseite 42 eine Fläche 44a und 44b aus einem leitfähigen Material, welche unbedeckt von einem Material des Substrats 10 ist. Man kann dies auch so umschreiben, dass der mindestens eine in das Substrat 10 hinein geätzte Trenngraben 18 so ausgebildet ist, dass an seiner Außengrenzfläche die aus dem leitfähigen Material bestehende Fläche 44a und 44b der Elektrodenfinger 28 und 30 liegt.
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Vorzugsweise sind die Aktor-Elektrodenfinger 28 an Aktor-Verankerungsbereichen 38 befestigt, welche außerhalb des in das Substrat 10 hineingeätzten Trenngrabens 18 ausgebildet sind. Insbesondere können die Aktor-Verankerungsbereiche 38 auf die Außenseite 20 aufgebracht sein. Entsprechend können die Stator-Elektrodenfinger 30 auch an Stator-Verankerungsbereichen 40 befestigt sein, welche außerhalb des mindestens einen in das Substrat 10 hinein geätzten Trenngrabens 18 liegen. Beispielsweise sind die Stator-Verankerungsbereiche 40 auf die funktionale Seite 16 aufgebracht. Unter der freitragenden Ausbildung/freitragend überdeckenden Ausbildung eines Elektrodenfingers 28 und 30 kann somit auch verstanden werden, dass der Elektrodenfinger 28 und 30 seitlich aus einer Wand des zugeordneten Verankerungsbereichs 38 oder 40 hervor steht. (Insbesondere können die Elektrodenfinger 28 und 30 senkrecht zu einer Mittellängsachse des mindestens einen Trenngrabens 18 aus der Wand des zugeordneten Verankerungsbereichs 38 oder 40 hervor stehen.) Bevorzugter Weise wird deshalb unter einem freitragenden Elektrodenfinger 28 und 30 eine aus der Wand des zugeordneten Verankerungsbereichs 38 oder 40 hervorstehende Struktur verstanden, welche lediglich den zugeordneten Verankerungsbereich 38 oder 40 kontaktiert. Der mechanische Halt eines freitragenden Elektrodenfingers 28 und 30 kann lediglich durch den Kontakt/die Bindung an den zugeordneten Verankerungsbereich 38 oder 40 bewirkt sein. Ein freitragender Elektrodenfinger 28 und 30, welcher seitlich oberhalb des Trenngrabens 18 über diesen ragen und diesen teilweise abdeckt, stützt sich nicht an Stützbereichen aus dem Material des Substrats 10 ab.
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Die freitragende Ausbildung der Elektrodenfinger 28 und 30 ist mit dem Vorteil verbunden, dass auf das Ausbilden eines Stützelements für die Elektrodenfinger 28 und 30 verzichtet werden kann. Somit ist eine filigrane Elektrodenfingerstruktur für die Elektrodenfinger 28 und 30 realisierbar, ohne dass dazu ein besonderer Arbeitsaufwand zum Ausbilden besonders filigraner Stützstrukturen auszuführen ist.
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Die vorteilhafte freitragende Ausbildung/freitragend (teilweise) überdeckende Ausbildung eines Elektrodenfingers 28 und 30 ist realisierbar, indem der Elektrodenfinger 28 und 30 und der zugeordnete Verankerungsbereich 38 oder 40 als mindestens eine auf die Flächen 16 und 20 aufgebrachte und den mindestens einen Trenngraben teilweise überdeckende leitfähige Lage gebildet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der mindestens eine Aktor-Elektrodenfinger 28 zumindest eine in einer ersten Ebene 46 liegende erste leitfähige Lage 46a und eine in einer zweiten Ebene 48 liegende zweite leitfähige Lage 48b und der mindestens eine Stator-Elektrodenfinger 30 umfasst zumindest eine in der ersten Ebene 46 liegende erste leitfähige Lage 46b und eine in der zweiten Ebene 48 liegende zweite leitfähige Lage 48b. Die erste leitfähige Lage 46a und die zweite leitfähige Lage 48a eines Aktor-Elektrodenfingers 28 sind mittels eines isolierenden Puffers 50a und/oder eines Luftspalts voneinander beabstandet.
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Entsprechend sind auch die erste leitfähige Lage 46b und die zweite leitfähige Lage 48b eines Stator-Elektrodenfingers 30 mittels eines isolierenden Puffers 50b und/oder eines Luftspaltes voneinander räumlich getrennt gehalten. (Die Fläche 44a eines Aktor-Elektrodenfingers 28 kann beispielsweise eine Innengrenzfläche der ersten leitfähigen Lage 46a sein. Entsprechend kann auch die Fläche 44b eines Stator-Elektrodenfingers 30 eine Innengrenzfläche der ersten leitfähigen Lage 46b sein.)
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Wie unten genauer ausgeführt wird, gewährleistet die mehrlagige Ausbildung der Elektrodenfinger 28 und 30 eine vorteilhafte Höhe und/oder eine gute Stabilität der Elektrodenfinger 28 und 30, wobei gleichzeitig die Verfahrensschritte zum mehrlagigen Abscheiden des leitfähigen Materials der Elektrodenfinger 28 und 30 zum Bilden weiterer voneinander räumlich getrennter Komponenten aus einem leitfähigen Material genutzt werden können.
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Außerdem können die Elektrodenfinger 28 und 30 noch mindestens eine in einer gemeinsamen Ebene 52 und 54 liegende Lage 52a, 52b, 54a und 54b haben. Vorzugsweise haben die Elektrodenfinger 28 und 30 einen dreilagigen bis sechslagigen Aufbau. Bei der dargestellten Ausführungsform umfasst jeder Aktor-Elektrodenfinger 28 zusätzlich noch eine in einer dritten Ebene 52 liegende dritte leitfähige Lage 52a und eine in einer vierten Ebene 54 liegende vierte leitfähige Lage 54a. Entsprechend weist auch jeder Stator-Elektrodenfinger 30 zusätzlich noch eine in der dritten Ebene 52 liegende dritte leitfähige Lage 52b und eine in der vierten Ebene 54 liegende vierte leitfähige Lage 54b auf. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das hier beschriebene mikromechanische Bauteil nicht auf einen vierlagigen Aufbau der Elektrodenfinger 28 und 30 limitiert ist. Die mindestens zwei Ebenen 46, 48, 52 und 54 erstrecken sich parallel zur funktionalen Seite 16 und/oder außerhalb des Substrats 10.
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Man kann die mehrlagige Ausbildung der Elektrodenfinger 28 und 30 auch so umschreiben, dass sie aus mindestens zwei Metallbahnen (den leitfähigen Lagen 46a, 46b, 48a, 48b, 52a, 52b, 54a und 54b) ausgebildet sind, welche mittels dielektrischer Schichten (den isolierenden Puffern 50a und 50b) zumindest teilweise getrennt sind. Ein Aktor-Verankerungsbereich 38 kann ebenso aus mindestens zwei leitfähigen Lagen 46a, 48a, 52a und 54a, sowie dazwischen angeordneten isolierenden Pufferbereichen 50a zusammengesetzt sein. Entsprechend kann auch ein Stator-Verankerungsbereich 40 aus mindestens zwei leitfähigen Lagen 46b, 48b, 52b und 54b, zwischen denen isolierende Puffer 50b angeordnet sind, gebildet sein.
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Die mehrlagig ausgebildeten Elektrodenfinger 28 und 30 können senkrecht zu der funktionalen Seite 16/der Außenseite 20 eine Höhe zumindest in einem Bereich zwischen 1 bis 10 µm haben. Die mehrlagige Ausbildung der Elektrodenfinger 28 und 30 erleichtert das Bilden vergleichsweise hoher Elektrodenfinger 28 und 30. Eine Breite der Elektrodenfinger 28 und 30 parallel zu der funktionalen Seite 16/der Außenseite 20 liegt vorzugsweise zwischen 0,2 bis 1,5 µm, wobei die freitragende Ausbildung der Elektrodenfinger 28 und 30 das Herstellen filigraner Strukturen erleichtert. Eine Länge der Elektrodenfinger 28 und 30 ist zumindest in einem Bereich zwischen 1 µm bis 80 µm beliebig wählbar.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Das in 2 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist die oben schon beschriebenen Komponenten auf. Als Ergänzung zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform sind innerhalb der beweglichen Masse 14 mehrere Perforationen 60 ausgebildet. Die Perforationen 60 können das Unterätzen der beweglichen Masse 14, welche beispielsweise senkrecht zu der funktionalen Seite 16/der Außenseite 20 eine Höhe zwischen 5 bis 50 µm haben kann, erleichtern. Somit kann die parallel zu der funktionalen Seite 16/der Außenseite 20 ausgerichtete Breite der einzelnen Abschnitte der beweglichen Masse 14, wie beispielsweise der Stege 22 und der flächigen Elemente 24, frei gewählt werden. Die Breite der einzelnen Abschnitte der beweglichen Masse 14 kann beispielsweise zwischen 1 µm bis 10 µm liegen. Durch die Perforationen 60 ist ein verlässliches Unterätzen der beweglichen Masse 14 auch bei einer größeren Breite zumindest eines Abschnitts der beweglichen Masse 14 verlässlich gewährleistet.
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Die in den oberen Absätzen beschriebenen mikromechanischen Bauteile können besonders vorteilhaft in einer Sensorvorrichtung Verwendung finden. Insbesondere kann die Sensorvorrichtung zusätzlich zu dem mikromechanischen Bauteil eine Auswerteeinrichtung umfassen, welche dazu ausgelegt ist, eine Größe bezüglich einer Kapazität mindestens eines Kondensators aus dem mindestens einen Stator-Elektrodenfinger 30 und dem mindestens einen Aktor-Elektrodenfinger 28 zu ermitteln, und unter Berücksichtigung der ermittelten Größe eine Information bezüglich einer auf die bewegliche Masse 14 ausgeübten Beschleunigung festzulegen und auszugeben.
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Vorzugsweise ist in diesem Fall die Auswerteeinrichtung als integrierte Schaltung in und/oder auf dem Substrat 10 ausgebildet.
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3A und 3B zeigen eine Teilaufsicht und einen Teilquerschnitt einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Das in den 3A und 3B schematisch teilweise wiedergegebene mikromechanische Bauteil stellt eine Weiterbildung der oben beschriebenen Ausführungsformen dar. Dazu weist das mikromechanische Bauteil zusätzlich zu den oben beschriebenen Komponenten als Ergänzung eine mittels zumindest eines an der funktionalen Seite 16 des Substrats 10 ausgebildeten weiteren Trenngrabens 70 aus dem Substrat 10 herausstrukturierte asymmetrische Wippe 72 auf. Die asymmetrische Wippe 72 ist über mindestens eine Torsionsfeder 74 so mit dem Substrat 10 verbunden, dass die asymmetrische Wippe 72 um eine parallel zu der funktionalen Seite 16 des Substrats 10 ausgerichtete Drehachse 76 verkippbar ist. Die Drehachse 76 unterteilt die asymmetrische Wippe 72 in eine auf einer ersten Seite der Drehachse 76 liegende erste Teilmasse 72a mit einem ersten Gewicht und eine auf einer zweiten Seite der Drehachse 76 liegende zweite Teilmasse 72b mit einem zweiten Gewicht größer als dem ersten Gewicht. (3B zeigt einen Querschnitt durch die zweite Teilmasse 72b entlang der Linie BB'.)
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Außerdem umfasst das mikromechanische Bauteil mindestens eine Aktor-Flächenelektrode 80a und 80b, welche auf einer an der funktionalen Seite 16 liegende Außenfläche 78 der asymmetrischen Wippe 72, bzw. auf eine die Außenfläche 78 zumindest teilweise abdeckende Isolierschicht 79, aufgebracht ist. Bevorzugter Weise ist eine erste Aktor-Flächenelektrode 80a an der ersten Teilmasse 72a und eine zweite Aktor-Flächenelektrode 80b an der zweiten Teilmasse 72b angeordnet. Die beiden Aktor-Flächenelektroden 80a und 80b können gleich große Flächen haben.
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Ergänzend kann mindestens eine Stator-Flächenelektrode 84a und 84b über mindestens eine Stützverbindung 82 an dem Substrat 10 fest angeordnet sein. Beispielsweise kann eine erste Stator-Flächenelektrode 84a benachbart zu der ersten Aktor-Flächenelektrode 80a aufgehängt sein. Entsprechend kann mittels einer über die mindestens eine Stützverbindung 82 realisierten Aufhängung eine zweite Stator-Flächenelektrode 84b benachbart zu der ersten Aktor-Flächenelektrode 80b angeordnet sein. Insbesondere können die mindestens eine Stützverbindung 82 und/oder die mindestens eine Stator-Flächenelektrode 84a und 84b die asymmetrische Wippe 72, die mindestens eine Aktor-Flächenelektrode 80a und 80b und/oder den weiteren Trenngraben 40 zumindest teilweise überspannen.
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Eine Beschleunigung mit einer Komponente ungleich Null senkrecht zu dem Substrat 10 bewirkt eine Drehbewegung/Kippbewegung der asymmetrische Wippe 72 um die Drehachse 76. Die Drehbewegung/Kippbewegung der asymmetrische Wippe 72 um die Drehachse 76 führt zu einer Abstandsänderung zwischen den Flächenelektroden 80a, 80b, 84a und 84b und damit zu einer Kapazitätsänderung mindestens eines aus den Flächenelektroden 80a, 80b, 84a und 84b gebildeten Kondensators. Somit kann eine Auslenkung der asymmetrischen Wippe 72 aufgrund der Beschleunigung mit der Komponente ungleich Null senkrecht zu dem Substrat 10 über eine Kapazitätsänderung mindestens eines aus den Flächenelektroden 80a, 80b, 84a und 84b gebildeten Kondensators erkannt/gemessen werden. Auch in diesem Fall kann eine Differenzbildung zum Auswerten einer Kapazitätsänderung zweier aus den Flächenelektroden 80a, 80b, 84a und 84b gebildeter Kondensatoren ausgeführt werden.
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Die asymmetrische Wippe 72 und die ihr zugeordneten Flächenelektroden 80a, 80b, 84a und 84b können zusammen mit den oben beschriebenen Komponenten der ersten oder der zweiten Ausführungsform in einem Substrat/Chip ausgebildet sein. Auf diese Weise ist ein sensitiver Chip für einen Beschleunigungssensor realisierbar, welcher mindestens zwei senkrecht zueinander ausgerichtete sensitive Achsen aufweist. Der Chip ist in einem Sensor verwendbar, welcher sowohl als In-Plane-Sensor als auch als Out-Off-Plane-Sensor einsetzbar ist.
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Die hier realisierbaren Sensoruntereinheiten können große Kapazitäten haben. Entsprechend können bereits kleine Beschleunigungen des Substrats mit den darauf ausgebildeten Sensoruntereinheiten vergleichsweise große Kapazitätsänderungen bewirken.
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Das hier beschriebene mikromechanische Bauteil ist jedoch nicht auf eine Ausbildung der in den 3A und 3B wiedergegebenen Ergänzungen limitiert. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Technologie auch genutzt werden, um reine In-Plane-Sensoren, welche als X-, Y- oder XY-Sensoren bezeichenbar sind, herzustellen.
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4 zeigt ein Flussdiagramm zum Darstellen einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
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In einem Verfahrensschritt S1 wird eine bewegliche Masse über mindestens eine Feder mit einem Substrat 10 verbunden. Dabei werden die bewegliche Masse und die mindestens eine Feder aus dem Substrat herausstrukturiert, wobei zumindest ein Trenngraben an einer funktionalen Seite des Substrats gebildet wird und eine zu der funktionalen Seite gerichtete Außenseite der beweglichen Masse von dem mindestens einen Trenngraben zumindest teilweise umrahmt wird.
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In einem Verfahrensschritt S2 wird mindestens eine Aktor-Elektrode an der beweglichen Masse angeordnet. Dies geschieht durch Bilden mindestens eines Aktor-Elektrodenfingers an der Außenseite der beweglichen Masse als die mindestens eine Aktor-Elektrode. Der Trenngraben wird von dem mindestens einen freitragenden Aktor-Elektrodenfinger zumindest teilweise überdeckt.
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Entsprechend wird in einem Verfahrensschritt S3 mindestens eine Stator-Elektrode fest an dem Substrat gebildet, indem mindestens ein Stator-Elektrodenfinger als die mindestens eine Elektrode an der funktionalen Seite des Substrats gebildet wird. Auch in dem Verfahrensschritt S3 wird der Trenngraben von dem mindestens einen freitragenden Stator-Elektrodenfinger zumindest teilweise überdeckt.
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Die Bezeichnung der Verfahrensschritte S1 bis S3 legt keine zeitliche Reihenfolge zum Ausführen dieser Verfahrensschritte S1 bis S3 fest. Beispielsweise können die Verfahrensschritte S1 bis S3 auch in einer von der oberen Aufzählung abweichenden Reihenfolge und/oder zumindest teilweise gleichzeitig ausgeführt werden.
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5A und 5B zeigen ein Flussdiagramm und einen Querschnitt zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
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In einem Verfahrensschritt S11 werden die funktionale Seite des Substrats, die Außenfläche der später aus dem Substrat herausstrukturierten beweglichen Masse und/oder mindestens eine auf der funktionalen Seite und/oder der Außenfläche liegende Zwischenschicht mit einem ersten leitfähigen Material zumindest teilweise abgedeckt. Dies geschieht zum Bilden einer ersten leitfähigen Lage jeweils des mindestens einen Stator-Elektrodenfingers und des mindestens einen Aktor-Elektrodenfingers.
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In einem nachfolgenden Verfahrensschritt S12 wird die erste leitfähige Lage jeweils des mindestens einen Stator-Elektrodenfingers und des mindestens einen Aktor-Elektrodenfingers mit einer Opferschicht zumindest teilweise abgedeckt. Danach wird in einem weiteren Verfahrensschritt S13 die Opferschicht zumindest teilweise mit einem zweiten leitfähigen Material zum Bilden einer zweiten leitfähigen Lage jeweils des mindestens einen Stator-Elektrodenfingers und des mindestens einen Aktor-Elektrodenfingers abgedeckt.
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Durch das gemeinsame Ausführen der Verfahrensschritte S11 bis S13 ist der oben beschriebene mehrlagige Aufbau der Elektrodenfinger auf einfache Weise ausbildbar. Optionalerweise kann ein Verfahrensschritt S14 ausgeführt werden, in welchem mindestens eine weitere Opferschicht und mindestens eine weitere leitfähige Lage jeweils des mindestens einen Stator-Elektrodenfingers und des mindestens einen Aktor-Elektrodenfingers über der zweiten leitfähigen Lage gebildet werden. Der Verfahrensschritt S14 kann beliebig oft wiederholt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das hier beschriebene Verfahren nicht auf ein Ausführen des Verfahrensschritts S14 limitiert ist.
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(Die oben beschriebenen Verfahrensschritte S11 bis S13 bzw. S14, ermöglichen ein einfaches Ausführen der Verfahrensschritte S2 und S3 der vorausgehenden Ausführungsform.)
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In einem weiteren Verfahrensschritt S15 werden zumindest Teilbereiche der Opferschicht und/oder der mindestens einen Zwischenschicht entfernt und es erfolgt ein Herausstrukturieren der beweglichen Masse in mindestens einem Ätzschritt. Der Verfahrensschritt S15 kann beispielsweise die Verfahrensschritte S15a bis S15d umfassen. In diesem Fall wird in einem Verfahrensschritt S15a ein erster Ätzschritt zum Entfernen von zumindest Teilbereichen der Opferschicht und/oder der zumindest einen Zwischenschicht ausgeführt. In einem Verfahrensschritt S15b wird mittels eines zweiten ausgeführten anisotropen Ätzschritts mindestens ein Graben in einem (in dem Verfahrensschritt S15a) freigelegten Bereich des Substrats gebildet. (Die Metallschichten und die dazwischen liegenden isolierenden Bereich können als Ätzmaske genutzt werden.) In einem nachfolgenden Verfahrensschritt S15c wird eine Schutzschicht in dem mindestens einen (in dem Verfahrensschritt S15b) geätzten Graben gebildet. Dabei wird die mindestens eine Seitenwand des mindestens einen geätzten Grabens von der mindestens einen Schutzschicht bedeckt. Demgegenüber wird die mindestens eine Schutzschicht von der mindestens einen Bodenfläche des mindestens einen Grabens entfernt. Anschließend kann in einem Verfahrensschritt S15d ein isotroper dritter Ätzschritt so ausgeführt werden, dass die bewegliche Masse und die mindestens eine Feder aus dem Substrat herausstrukturiert werden. (Die Verfahrensschritte S15b bis S15d sind somit eine einfach ausführbare Vorgehensweise zum Ausführen des oben beschriebenen Verfahrensschritts S1.)
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Es wird darauf hingewiesen, dass die oben beschriebenen Verfahrensschritte S11 bis S15 als Vorderseitenprozesse leicht ausführbar sind. Das Ausführen eines Rückseitenprozesses ist somit bei dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren nicht nötig. Insbesondere kann somit eine von der funktionalen Seite weggerichtete Rückseite des Substrats abgedünnt werden, was die Herstellung eines sehr dünnen mikromechanischen Bauteils/Sensor-Chips ermöglicht.
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5B zeigt einen Querschnitt (entlang der Linie BB' der 2) nach einem Entfernen der mindestens einen Schutzschicht.
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Ergänzend zu den Verfahrensschritten S11 bis S15 können Restbereiche der Schichten zwischen den leitfähigen Lagen in einem zusätzlichen Wasch-/Ätzschritt ganz oder teilweise entfernt werden. Ein derartiger zusätzlicher Waschschritt kann das Ausführen der Verfahrensschritte S15b bis S15d zusätzlich erleichtern, in welchen die Elektrodenfinger freitragend ausgebildet werden, vorzugsweise durch ein vollständiges Entfernen von Substratmaterial unter den Elektrodenfingern. Auch eine Verbiegung in der Aufhängung der Finger durch einen von den Zwischenschichten ausgeübten Druck- oder Zugstress kann so verhindert werden. Als weitere Ergänzung können die Metalllagen zwischen den Fingern teilweise mit Plugbereichen 62 oder Kontaktbereichen verbunden werden.
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Mittels der hier beschriebenen Herstellungsverfahren kann ein In-Plane-Sensor hergestellt werden, dessen Metallelektroden keine Stabilisierung aus Silizium benötigen, und deshalb minimal schmal ausbildbar sind. Auf diese Weise wird eine sehr hohe Elektronendichte erreicht, welche eine vergleichsweise hohe Kapazität an einer kleinen Fläche bewirkt. Eine Beschleunigung eines derartigen In-Plane-Sensors bewirkt deshalb eine vergleichsweise deutliche Kapazitätsänderung, welche sich leicht ermitteln/nachweisen/feststellen lässt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung können die oben beschriebenen Verfahrensschritte zusätzlich dazu genutzt werden, um eine sensitive Komponente eines Out-Off-Plane-Sensors ebenso herzustellen. Beispielsweise kann in dem Verfahrensschritt S11 das leitfähige Material auch so abgeschieden werden, dass zusätzlich mindestens eine Aktor-Flächenelektrode an einer an der funktionalen Seite liegenden Außenfläche einer (später herausstrukturierten) asymmetrischen Wippe gebildet wird. In dem Verfahrensschritt S13 oder S14 kann zusätzlich zumindest eine mittels mindestens einer Stützverbindung fest an dem Substrat angeordnete Stator-Flächenelektrode gebildet werden. Dabei werden die (später herausstrukturierte) asymmetrische Wippe, die mindestens eine Aktor-Flächenelektrode und/oder der später gebildete weitere Trenngraben von der mindestens einen Stützverbindung und/oder der mindestens einen Stator-Flächenelektrode überspannt. Ebenso kann in den Verfahrensschritten S15a bis S15d zusätzlich mittels zumindest eines an der funktionalen Seite des Substrats gebildeten weiteren Trenngrabens eine asymmetrische Wippe aus dem Substrat herausstrukturiert und so über mindestens eine Torsionsfeder verbunden werden, dass die asymmetrische Wippe bei einer Beschleunigung des Substrats senkrecht zu der funktionalen Seite um eine parallel zu der funktionalen Seite des Substrats ausgerichtete Drehachse gedreht wird. Dies ist insbesondere gewährleistet, wenn die Drehachse die asymmetrische Wippe in eine erste Teilmasse mit einem ersten Gewicht und in eine zweite Teilmasse mit einem zweiten Gewicht größer als dem ersten Gewicht unterteilt.
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Die oben beschriebenen Herstellungsverfahren können auch Bestandteile eines Herstellungsverfahrens für eine Sensorvorrichtung sein. Dabei erfolgt zusätzlich zu einer Herstellung eines mikromechanischen Bauteils gemäß einem hier beschriebenen Herstellungsverfahren auch ein Bilden einer Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgelegt wird, bei einem späteren Betrieb der Sensorvorrichtung eine Größe bezüglich einer Kapazität mindestens eines Kondensators umfassend den mindestens einen Stator-Elektrodenfinger und den mindestens einen Aktor-Elektrodenfinger zu ermitteln und unter Berücksichtigung der ermittelten Größe eine Information bezüglich einer auf die bewegliche Masse ausgeübten Beschleunigung festzulegen und auszugeben.
