DE102012216150A1

DE102012216150A1 - Mikroelektromechanisches System mit Biegeauslenkung der Rückplattenstruktur

Info

Publication number: DE102012216150A1
Application number: DE102012216150A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dehe
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: DE102012216150B9; KR101469323B1; DE102012216150B4; US9148726B2; CN103121657B; US20130062710A1; KR20130028880A; KR20140082948A; CN103121657A

Abstract

Ein mikroelektromechanisches System umfasst eine Membranstruktur und eine Rückplattenstruktur. Die Rückplattenstruktur umfasst ein Rückplattenmaterial und zumindest ein Vorspannungselement, das mit dem Rückplattenmaterial mechanisch verbunden ist. Das zumindest eine Vorspannungselement bewirkt eine mechanische Spannung an dem Rückplattenmaterial für eine Biegeauslenkung der Rückplattenstruktur in einer Richtung weg von der Membranstruktur.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf mikroelektromechanische Systeme (MEMS), die eine Membranstruktur und eine Rückplattenstruktur aufweisen. Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Systems.
Auf dem technischen Gebiet der Wandler ist Miniaturisierung eines der Hauptforschungsinteressen. Gleichzeitig sollten typische Leistungszahlen der Wandler, wie z. B. Signal-Rausch-Verhältnis oder Dynamikbereich auf einer vernünftigen Ebene gehalten werden. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) wurden für diese Anwendungen anvisiert, da sie potenziell klein sind, in der Größenordnung von mehreren zehn Mikrometern, und aufgrund ihrer Kompatibilität mit halbleiterähnlichen Prozessen. Dies führt zu potenziell hochvolumiger Produktion. Vorrichtungen, die unter Verwendung von MEMS-Herstellungsprozessen erreicht werden können, sind beispielsweise Drucksensoren, Ultraschallwandler, Lautsprecher und Mikrophone. Diese Vorrichtungen weisen typischerweise eine oder mehrere Membrane auf mit Elektroden für Auslesung/Antrieb, die auf den Membranen und/oder einem Substrat aufgebracht sind. Im Fall von elektrostatischen MEMS-Drucksensoren und Mikrophonen wird die Auslesung typischerweise durch Messen der Kapazität zwischen den Elektroden erreicht. Im Fall von Wandlern, die als Betätigungsvorrichtungen wirken, wie z. B. Lautsprecher, wird die Vorrichtung durch Anlegen einer Potenzialdifferenz über die Elektroden angetrieben.
Die Membran eines MEMS-Wandlers wird typischerweise hergestellt unter Verwendung einer Opferschicht, beispielsweise Siliziumoxid SiO₂. Be der Verwendung ist die Amplitude der Membranbewegung typischerweise begrenzt durch etwa die Dicke der Opferschicht, aufgrund von Strukturen, die während des Herstellungsprozesses auf den Opferschichten gebildet werden vor dem (teilweisen) Entfernen der Opferschicht, wodurch die gebildeten Strukturen zurückbleiben.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mikroelektromechanische Systeme sowie Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Systems mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein mikroelektromechanisches System, das eine Membranstruktur und eine Rückplattenstruktur aufweist. Die Rückplattenstruktur weist ein Rückplattenmaterial und zumindest ein Vorspannungselement auf, das mit dem ersten Rückplattenmaterial mechanisch verbunden ist. Das zumindest eine Vorspannungselement ist konfiguriert, um eine mechanische Spannung an dem Rückplattenmaterial zu verursachen, für eine Biegeauslenkung an der Rückplattenstruktur in einer Richtung weg von der Membranstruktur.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein mikroelektromechanisches System, das eine Tragestruktur, eine Membranstruktur und eine Rückplattenstruktur aufweist. Die Membranstruktur ist an einer Membranstrukturverbindungsstelle mit der Tragestruktur mechanisch verbunden. Die Rückplattenstruktur ist ebenfalls an einer Rückplattenstrukturverbindungsstelle mit der Tragestruktur mechanisch verbunden. Die Rückplattenstrukturverbindungsstelle ist von der Membranstrukturverbindungsstelle beabstandet. Die Rückplattenstruktur weist ein Rückplattenmaterial und zumindest ein Vorspannungselement auf, das mit dem Rückplattenmaterial mechanisch verbunden ist. Das zumindest eine Vorspannungselement ist konfiguriert, um die Rückplattenstruktur zu entfalten, so dass der Abstand zwischen der Rückplattenstruktur und der Membranstruktur über die Rückplattenstruktur variiert und der minimale Abstand an der Rückplattenstrukturverbindungsstelle liegt.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Systems. Das Verfahren weist das Bilden einer Schicht für eine Membranstruktur, das Bilden einer Opferschicht, das Aufbringen einer Schicht eines Rückplattenmaterials, das Bilden zumindest eines Vorspannungselements und das Ätzen der Opferschicht auf. Die Opferschicht ist auf der Schicht für die Membranstruktur gebildet. Die Schicht des Rückplattenmaterials ist auf einer Oberfläche der Opferschicht aufgebracht. Das zumindest eine Vorspannungselement ist auf einer Oberfläche eines Rückplattenmaterials gebildet. Als eine Alternative ist das zumindest eine Vorspannungselement in das Rückplattenmaterial eingebettet. Die Schicht des Rückplattenmaterials und des zumindest einen Vorspannungselements werden durch Ätzen der Opferschicht freigegeben bzw. gelöst. Dies bewirkt, dass sich die Schicht des Rückplattenmaterials und das zumindest eine Vorspannungselement in einer Richtung weg von der Membranstruktur biegen, als eine Folge einer mechanischen Spannung, die durch das Vorspannungselement auf das Rückplattenmaterial ausgeübt wird.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Systems. Das Verfahren weist das Bilden zumindest eines Vorspannungselements auf einer Oberfläche einer Basisschicht auf. Eine Schicht eines Rückplattenmaterials wird aufgebracht. Eine Opferschicht und eine Schicht, die eine Membranstruktur definiert, werden aufgebracht. Die Opferschicht wird dann geätzt. Die Schicht des Rückplattenmaterials wird auf die Oberfläche der Basisschicht und das zumindest eine Vorspannungselement aufgebracht. Die Opferschicht wird auf eine Oberfläche der Schicht des Rückplattenmaterials aufgebracht. Die Schicht, die die Membranstruktur definiert, wird auf eine Oberfläche der Opferschicht aufgebracht. Durch Ätzen der Opferschicht und zumindest eines Teils der Basisschicht werden die Schicht des Rückplattenmaterials und das zumindest eine Vorspannungselement freigegeben, was bewirkt, dass sich die Schicht des Rückplattenmaterials und das zumindest eine Vorspannungselement in einer Richtung weg von der Membranstruktur biegen, als eine Folge einer mechanischen Spannung, die durch das Vorspannungselement auf das Rückplattenmaterial ausgeübt wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Grundprinzip einer Biegeauslenkung, die bei einer Zweischichtstruktur beobachtet werden kann;
2 eine Interaktion zwischen einer Schicht, die Druckbeanspruchung zeigt und zwei Materialstücken, die Zugbeanspruchung zeigen;
3 einen Querschnitt durch ein mikroelektromechanisches System gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der hierin offenbarten Lehren;
4 einen Querschnitt durch ein mikroelektromechanisches System gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der hierin offenbarten Lehren;
5 einen Querschnitt durch ein Konstruktionsdetail einer Rückplattenstruktur, die zum rechnerischen Simulieren einer Biegung der Rückplattenstruktur verwendet wurde;
6 ein Ergebnis der Simulation unter Verwendung des Konstruktionsdetails von 5, insbesondere einer zentralen Auslenkung einer Rückplattenstruktur als eine Funktion einer Anzahl von Riffelungen;
7 ein weiteres Simulationsergebnis unter Verwendung des in 5 gezeigten Konstruktionsdetails, insbesondere eine Auslenkung der Rückplattenstruktur als eine Funktion der Stelle auf der Rückplattenstruktur;
8A–8F zusammen 8, eine Anzahl von Zwischenzuständen in einer Querschnittsansicht eines Details eines mikroelektromechanischen Systems während eines Herstellungsprozesses gemäß einem Ausführungsbeispiel der hierin offenbarten Lehren;
9 ein Detail eines Querschnitts des mikroelektromechanischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der hierin offenbarten Lehren;
10 eine perspektivische und Teil-Querschnittsansicht eines mikroelektromechanischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der hierin offenbarten Lehren während eines Zwischenzustands eines Herstellungsprozesses gemäß den hierin offenbarten Lehren;
11A–11K als Querschnittsansicht eine Anzahl von Zwischenzuständen eines Herstellungsprozesses gemäß den hierin offenbarten Lehren;
12 ein Konstruktionsdetail einer Rückplattenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der hierin offenbarten Lehren;
13 einen Querschnitt eines weiteren Konstruktionsdetails einer Rückplattenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der hierin offenbarten Lehren;
14 eine Draufsicht der Rückplattenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der hierin offenbarten Lehren;
15 eine Draufsicht eines mikroelektromechanischen Systems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der hierin offenbarten Lehren;
16 einen Querschnitt durch das in 15 gezeigte mikroelektromechanische System;
17 eine Draufsicht eines mikroelektromechanischen Systems gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der hierin offenbarten Lehren;
18 einen schematischen Querschnitt durch das in 17 gezeigte mikroelektromechanische System;
19 eine Draufsicht einer Membranstruktur des in 17 und 18 gezeigten mikroelektromechanischen Systems;
20 ein Grundprinzip einer Struktur, die Biegeauslenkung zeigt unter Verwendung einer Mehrzahl von Vorspannungselementen und einer Mehrzahl von Gelenkelementen;
21 eine Variation der in 20 gezeigten Struktur; und
22 eine weitere Variation der in 20 gezeigten Struktur.
Gleiche oder äquivalente Elemente oder Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktionalität sind in der folgenden Beschreibung durch gleiche Bezugszeichen oder ähnliche Bezugszeichen bezeichnet.
In der folgenden Beschreibung sind eine Vielzahl von Einzelheiten aufgeführt, um eine gründlichere Erläuterung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Es ist jedoch für Fachleute auf diesem Gebiet klar, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ohne diese spezifischen Einzelheiten praktiziert werden können. In anderen Fällen sind gut bekannte Strukturen und Vorrichtungen in schematischen Querschnittsansichten oder Draufsichten gezeigt anstatt im Detail, um das Behindern von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zu vermeiden. Außerdem können Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die hierin nachfolgend beschrieben sind, mit anderen Merkmalen und Ausführungsbeispielen kombiniert werden, es sei denn, dies ist speziell anderweitig angemerkt.
Die möglichen Anwendungen der hierin offenbarten Lehren sind für Sensoren (z. B. Mikrophone) und für Betätigungsvorrichtungen (z. B. Mikrolautsprecher). Insbesondere können die hierin offenbarten Lehren in Verbindung mit einem digitalen Lautsprecher angelegt werden, der im Kontaktmodus arbeitet (die Membran kontaktiert die Rückplatte/Rückplatten mechanisch und niedrige Pull-In-Spannung im Push/Pull-Modus). Daher kann ein Mikrophon oder ein Lautsprecher ein mikroelektromechanisches System aufweisen, das wiederum die folgenden Elemente aufweist: eine Membranstruktur und eine Rückplattenstruktur. Die Rückplattenstruktur weist ein Rückplattenmaterial und zumindest ein Vorspannungselement auf, das mit dem Rückplattenmaterial mechanisch verbunden ist. Das zumindest eine Vorspannungselement ist konfiguriert, um eine mechanische Spannung an dem Rückplattenmaterial zu verursachen für eine Biegeauslenkung der Rückplattenstruktur in einer Richtung weg von der Membranstruktur. Die Rückplattenstruktur kann als ein Stator des Mikrophons oder des Lautsprechers dienen. Die Membranstruktur kann als eine Membran des Mikrophons oder des Lautsprechers dienen.
Wandler zum Wandeln eines akustischen Signals in ein elektrisches Signal oder umgekehrt können unter Verwendung eines mikroelektromechanischen Systems implementiert werden. Ein Lautsprecher ist ein Wandler, der ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal wandelt. Ein Mikrophon ist ein Wandler, der ein akustisches Signal in ein elektrisches Signal wandelt.
Um seinen Zweck zufriedenstellend zu erfüllen, muss ein Lautsprecher großvolumige Verschiebung bereitstellen, um einen ausreichenden Schalldruckpegel zu erzeugen. Sofern Mikrophone betroffen sind, benötigt ein Mikrophon typischerweise einen großen Luftzwischenraum zwischen einer Membran und einer Rückplatte, um einen hohen Dynamikbereich und/oder ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR; SNR = signal-to-noise-ratio) bereitzustellen.
Lautsprecher erzeugen typischerweise Volumenfluss durch Verschiebung eines Fluids, wie z. B. Luft. Die Verschiebung wird in einer großen Anzahl von Lautsprechertypen durch eine parallele Bewegung relativ zu der Schallausbreitungsrichtung erhalten. Dies gilt für viele Typen von dynamischen, piezoelektrischen, ferroelektrischen oder elektrostatischen Lautsprechern in der makroskopischen sowie in der mikroskopischen Implementierung. Somit werden große Verschiebungen benötigt, was insbesondere auf der mikroskopischen Implementierungsebene schwierig ist.
Mikrophone mit einem weiten Bewegungsbereich der Membran haben typischerweise einen relativ großen Luftzwischenraum, der durch eine relativ dicke Opferschicht (z. B. mehrere Mikrometer Siliziumoxid) erzeugt wird. Die Position der dicken Schichten fügt Kosten hinzu und hat insbesondere Grenzen aufgrund mechanischer Beanspruchung (Waferdurchbiegung) und Riss-Risiko aufgrund der Beanspruchung. Gleichzeitig können solche Strukturen nach wie vor an nichtlinearer Erfassung leiden aufgrund einer nichtparallelen Bewegung der Membran (Ballontyp) gegenüber der flachen Rückplatte. Stattdessen ist typischerweise ein Kolbentyp einer parallelen Bewegung der Membran relativ zu der Rückplatte gewünscht.
Die hierin offenbarten Lehren offenbaren, wie ein weiter Luftzwischenraum mit einer relativ dünnen Opferschicht erzeugt werden kann. Eine solche Konfiguration kann in einer/einem Weitbereich-MEMS-Betätigungsvorrichtung oder -Sensor verwendet werden, wobei sich der Begriff „Weitbereich” auf den Antriebsbereich bezieht. Der Antriebsbereich entspricht der möglichen Verschiebung der Membran und/oder dem Dynamikbereich des Wandlers. Zum Zweck des Erzeugens eines weiten Luftzwischenraums kann eine zusammengesetzte Rückplatte in einer bimorphen Schichtkonfiguration aufgebaut sein. Eine Basisschicht (oder Hauptschicht) weist eine geringe Zugbeanspruchung auf und eine Biegeschicht mit hoher Zugbeanspruchung bedeckt ausgewählte Teile der Basisschicht oder ist an ausgewählten Stellen in die Basisschicht eingebettet. Nachdem eine Freigabeätzung durchgeführt wurde, biegt sich die zusammengesetzte Rückplatte in einer Richtung, die durch die Stelle(n), wo die Biegeschicht vorliegt, eine Beziehung der Zug-/Druckbeanspruchung in der Basisschicht und der Biegeschicht, und/oder andere Parameter gesteuert wird. Durch Strukturieren der Biegeschicht, so dass dieselbe an (einer) ausgewählten Stelle(n) der Basisschicht angelegt wird, ist es möglich, die Biegung der Rückplatte auf relativ genaue Weise zu steuern. Somit kann die endgültige Form der Rückplatte nach der Freigabeätzung und nach einem Abschluss des Biegeprozesses vorausbestimmt werden. Abhängig von dem Entwurf der Rückplatte, kann die Rückplatte eine Mittelrückplattenauslenkung oder -verschiebung von mehreren Mikrometern aufweisen, was sehr viel mehr ist als eine typische Opferschichtdicke. Beispielsweise hat eine Rückplatte mit 1 mm Durchmesser und 15 konzentrischen Riffelungen von 60 mm Höhe eine zentrale Biegung von 20 μm, wenn eine 330 mm dicke Basisschicht aus Polysilizium mit 43 MPa Zugbeanspruchung und 280 mm dicke Biegeschicht aus Siliziumnitrat mit 1 GPa Zugbeanspruchung in einer Rückplattenstruktur verwendet werden. Das Verhältnis zwischen der zentralen Biegung der Rückplatte und der Dicke der Opferschicht kann 5, 10, 15, 20, 25 oder sogar 30 betragen.
Gemäß den hierin offenbarten Lehren wird eine bimorphe Struktur (Zweischichtstruktur) oder eine Mehrschichtstruktur verwendet, um eine ausgebeulte bzw. Beulrückplattenstruktur zu erzeugen, die einen ausnehmend hohen Antriebsbereich für eine Betätigungsvorrichtung oder ein Sensorelement ermöglicht. Die Zweischichtstruktur kann auf einer gekrümmten Oberfläche angeordnet sein oder selbst eine gekrümmte Oberfläche bilden. Eine mögliche Anwendung der hierin offenbarten Lehren ist in Weitbereich-MEMS-Betätigungsvorrichtungen oder -Sensoren.
1 stellt ein Grundkonzept des Erhaltens einer Biegeauslenkung einer Zweischichtstruktur 6 dar. Die Zweischichtstruktur 6 ist auf einer Oberfläche eines verbleibenden Teils einer Opferschicht 32 angeordnet, die wiederum auf einer Oberfläche eines Substrats 10 angeordnet ist. Folglich ist die Zweischichtstruktur 6 mit dem Substrat 10 auf eine indirekte Weise über die Opferschicht 32 mechanisch verbunden. Ein Hohlraum 22 ist in dem Substrat 10 und auch in der Opferschicht 32 gebildet, so dass die Zweischichtstruktur 6 einen schwebenden Abschnitt aufweist. Die Zweischichtstruktur 6, die in 1 gezeigt ist, bildet eine Auslegeranordnung, deren linkes Ende im Wesentlichen an die Opferschicht 32 geklemmt ist. Das obere Bild in 1 zeigt die Zweischichtstruktur 6, wenn deren rechtes Ende bezüglich des Substrats 10 fest ist, so dass die Zweischichtstruktur 6 eine im Wesentlichen gerade oder ebene Form aufweist. Die Zweischichtstruktur 6 weist eine erste Schicht 64 und eine zweite Schicht 62 auf. Die erste Schicht 64 weist ein erstes Material auf und die zweite Schicht 62 weist ein zweites Material auf. Das erste Material und das zweite Material zeigen unterschiedliche Zugbeanspruchungen, so dass die zweite Schicht 62 dazu neigt, ihre räumliche Ausdehnung zu reduzieren, d. h. dazu neigt, zu schrumpfen, um einen geringeren Energiepegel zu erreichen. Die zweite Schicht 64 wiederum zeigt eine geringere Zugbeanspruchung als die zweite Schicht 62. Da die zweite Schicht 62 auf einer oberen Oberfläche der ersten Schicht 64 angeordnet ist, übt die zweite Schicht 62 eine Kraft auf die obere Oberfläche der ersten Schicht 64 aus, die durch die zwei entgegengesetzten Pfeile in dem oberen Bild von 1 angezeigt ist. Bei alternativen Konfigurationen könnten die zwei Schichten unterschiedliche Druckbeanspruchungen zeigen, oder eine Schicht könnte Zugbeanspruchung zeigen und die andere Schicht Druckbeanspruchung. Diese alternativen Konfigurationen könnten dann zu einer Biegung der bimorphen Struktur in der entgegengesetzten Richtung und/oder mit unterschiedlichen Biegebeträgen führen.
Das untere Bild von 1 stellt eine Situation dar, in der das rechte Ende der Zweischichtstruktur 6 freigegeben wurde. Aufgrund der Kraft, die durch die zweite Schicht 62 auf die obere Oberfläche der ersten Schicht 64 ausgeübt wird, ist die Zweischichtstruktur 6 gebogen, so dass die obere Oberfläche der ersten Schicht 64 (d. h. die Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 64 und der zweiten Schicht 62) ihre Länge reduzieren kann. Ein endgültiger Biegestatus der Zweischichtstruktur 6 wird erhalten, wenn die verschiedenen Kräfte, die in der Zweischichtstruktur 6 wirken, im Gleichgewicht sind. Beispielsweise ist eine untere Oberfläche der ersten Schicht 64 verlängert bezüglich des Zustands, der in dem oberen Bild von 1 gezeigt ist. Dies erzeugt eine entgegengesetzte Kraft zu der zusammenziehenden Kraft, die in der zweiten Schicht 62 wirkt.
Die hierin offenbarten Lehren nutzen die Tatsache, dass bimorphe Strukturen dazu neigen, sich zu biegen. Mehrere Strukturen können angelegt werden, um eine Beulrückplatte zu erzeugen. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der hierin offenbarten Lehren sind große Mittelauslenkungen der Rückplatte möglich, selbst wenn nur eine dünne Opferschicht oder mehrere dünne Opferschichten verwendet wurden.
2 zeigt in einem oberen Bild einen Querschnitt einer Rückplattenstruktur 16 gemäß einigen Ausführungsbeispielen der hierin offenbarten Lehren. Die Rückplattenstruktur weist ein Rückplattenmaterial 164 und zwei Vorspannungselemente 162 auf, die mit dem Rückplattenmaterial 164 mechanisch verbunden sind. Die Vorspannungselemente 162 bestehen aus einem Material, das eine höhere Zugbeanspruchung hat als das Rückplattenmaterial 164, oder weisen ein solches auf. In der in dem oberen Bild von 2 gezeigten Konfiguration hat das Rückplattenmaterial 164 eine im Wesentlichen ebene Form, d. h. das Rückplattenmaterial 164 kann als eine Schicht aus Rückplattenmaterial angesehen werden. Das Rückplattenmaterial ist an seinem linken Ende und an seinem rechten Ende an dem Substrat 10 befestigt oder mit demselben mechanisch verbunden. In dem Bereich des Hohlraums 22 in dem Substrat 10 weist die Rückplattenstruktur 16 einen schwebenden Abschnitt auf, der durch das linke Ende und das rechte Ende der Rückplattenstruktur 16 getragen wird, wo derselbe mit dem Substrat 10 mechanisch verbunden ist. Ein erstes der Vorspannungselemente 162 ist auf einer oberen Oberfläche des Rückplattenmaterials 164 zwischen dem linken Ende der Rückplattenstruktur 16 und einer Mitte der Rückplattenstruktur 16 angeordnet. Das erste Vorspannungselement 162 erstreckt sich nicht den gesamten Weg zu dem Substrat 10 in einer lateralen Richtung, sondern ein kleiner Zwischenraum ist zwischen dem Substrat 10 und dem ersten Vorspannungselement 162 vorgesehen. Das erste Vorspannungselement 162 erstreckt sich nicht den ganzen Weg zu der Mitte der Rückplattenstruktur 16 lateral nach rechts von dem ersten Vorspannungselement 162. Stattdessen trennt ein relativ großer Abstand das erste Vorspannungselement 162 von der Mitte der Rückplattenstruktur 16. Das zweite Vorspannungselement 162 ist in einer im Wesentlichen symmetrischen Weise angeordnet bezüglich des ersten Vorspannungselements. Somit ist das zweite Vorspannungselement 162 nahe zu dem rechten Ende der Rückplattenstruktur 16. Es ist anzumerken, dass die zwei Vorspannungselemente 162, die in dem oberen Bild von 2 gezeigt sind, in der Tat zwei unterschiedliche Abschnitte eines einzelnen Vorspannungselements 162 sein könnten, das eine geschlossene Form aufweist, wie z. B. einen Ring, ein Quadrat, ein Rechteck, eine Ellipse oder eine offene Form, wie z. B. eine U-Form.
Durch Bereitstellen des/der Vorspannungselements/e 162 an (einer) vorausgewählten Stelle(n) auf der Oberfläche des Rückplattenmaterials 164 oder darin eingebettet, ist es möglich, die Art und Weise zu steuern, wie sich die Rückplattenstruktur 16 biegt, was somit zu einer gewünschten Biegeauslenkung der Rückplattenstruktur 16 führt. In der Konfiguration, die in dem oberen Bild von 2 gezeigt ist, bewirken die Vorspannungselemente 162 eine Kontraktion der Grenzflächen zwischen dem Rückplattenmaterial 164 und den Vorspannungselementen 162, so dass in den Regionen, wo die Vorspannungselemente 162 vorgesehen sind, das Rückplattenmaterial 164 sich nach oben biegt, womit ein zentraler Abschnitt der Rückplattenstruktur 16 in einer Richtung erhöht wird, die im Wesentlichen orthogonal ist zu der Ebene, in der sich die Rückplattenstruktur 16 erstreckt. Die in dem oberen Bild von 2 gezeichneten Pfeile stellen die unterschiedlichen Beanspruchungen dar, die in den Vorspannungselementen 162 bzw. dem Rückplattenmaterial 164 beobachtet werden können. Die Vorspannungselemente 162 sind relativ hoher Zugbeanspruchung unterzogen, wie es durch die zwei Pfeile zu sehen ist, die zueinander zeigen. Im Gegensatz dazu ist das Rückplattenmaterial 164 einer Druckbeanspruchung unterzogen, wie es durch die zwei Pfeile angezeigt ist, die voneinander weg zeigen. Es ist anzumerken, dass es nicht notwendig ist, dass eines der Materialien, die für die Vorspannungselemente 162 und die Schicht des Rückplattenmaterial 164 verwendet werden, einer Druckbeanspruchung unterzogen wird, während das andere einer Zugbeanspruchung unterzogen wird, d. h. dass die Beanspruchungen in den zwei Materialien von entgegengesetztem Vorzeichen oder Typ sind. Stattdessen können beide Materialien entweder einer Zugbeanspruchung oder einer Druckbeanspruchung unterzogen werden, vorausgesetzt dass die Beträge der Beanspruchungen unterschiedlich sind. Bei Konfigurationen, bei denen das/die Vorspannungselement(e) einer Druckbeanspruchung unterzogen wird/werden, sind das/die Vorspannungselement(e) typischerweise auf einer gegenüberliegenden Oberfläche des Rückplattenmaterials 164 angeordnet als Vorspannungselemente, die Zugbeanspruchungen unterzogen werden, um die gleiche Auslenkungsrichtung zu erhalten.
Das untere Bild in 2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines mikroelektromechanischen Systems, das eine obere Rückplattenstruktur 16, eine untere Rückplattenstruktur 12 und eine Membranstruktur 14 aufweist, die zwischen der oberen und unteren Rückplattenstruktur 16, 12 angeordnet ist. Das untere Bild in 2 zeigt die Rückplattenstrukturen 12, 16 in einem ausgelenkten Zustand, der erhalten wird, nachdem die Rückplattenstrukturen 16, 12 von der/den Opferschicht(en) (in 2 nicht gezeigt) freigegeben wurden durch Ätzen der Opferschicht(en). Die untere Rückplattenstruktur 12 weist ein Rückplattenmaterial 124 und Vorspannungselemente 122 auf. Da die Vorspannungselemente 122 an einer unteren Oberfläche des Rückplattenmaterials 124 angeordnet sind, biegt sich die untere Rückplattenstruktur 12 nach unten. In einem Mittelabschnitt davon ist somit zwischen der unteren Rückplattenstruktur 12 und der Membran 14 ein erster Luftzwischenraum 13 gebildet. Ein zweiter Luftzwischenraum 15 ist zwischen der Membran 14 und der oberen Rückplattenstruktur 16 gebildet. Beide Luftzwischenräume 13, 15 haben eine gewölbeartige oder gebogene Form, da dieselben an einer ihrer Oberflächen durch die untere Rückplattenstruktur 12 bzw. die obere Rückplattenstruktur 16 begrenzt sind. Die Membran 14 kann mit einer relativ großen Amplitude oszillieren, wie es durch die Strichpunktlinien dargestellt ist.
Das in dem unteren Bild von 2 gezeigte mikroelektromechanische System könnte eine Drehsymmetrie um eine Mittelachse aufweisen, die auf halber Strecke zwischen dem linken Ende und dem rechten Ende der Rückplattenstrukturen 12, 16 angeordnet ist, und sich im Wesentlichen orthogonal zu der Ebene der Membran 14 erstreckt. Folglich hätten die untere Rückplattenstruktur 12, die obere Rückplattenstruktur 16 und die Membran 14 eine Kreisform in einer Draufsicht oder einer Unteransicht des mikroelektromechanischen Systems. Andere Formen sind auch denkbar, wie z. B. rechteckig, quadratisch, elliptisch, hexagonal, oktagonal, usw.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt des mikroelektromechanischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der hierin offenbarten Lehren. Insbesondere zeigt die 3, wie die hierin offenbarten Lehren an einzelne Rückplattenstrukturen angelegt werden können. Das mikroelektromechanische System weist eine Membranstruktur 14 und die Rückplattenstruktur 16 auf. Die Rückplattenstruktur 16 weist ein Rückplattenmaterial 164 und zumindest ein Vorspannungselement 162 auf, das mit dem Rückplattenmaterial 164 mechanisch verbunden ist. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Rückplattenstruktur 16 fünf Vorspannungselemente 162 auf. Wie es in Verbindung mit 2 erklärt ist, könnten einige der gezeigten Vorspannungselemente 162 in der Tat miteinander verbunden sein, beispielsweise auf ringförmige Weise. Die Vorspannungselemente 162 bewirken eine mechanische Spannung an dem Rückplattenmaterial 164 für eine Biegeauslenkung der Rückplattenstruktur 16 in einer Richtung weg von der Membranstruktur 14. Die mechanische Spannung an dem Rückplattenmaterial 164, verursacht durch die Vorspannungselemente 162, ist räumlich verteilt auf verschiedene Stellen des Rückplattenmaterials 164. Das Rückplattenmaterial 164 weist eine Mehrzahl von konvexen Strukturen 161 und eine Mehrzahl von konkaven Strukturen 165 auf. Die konvexen Strukturen 161 wechseln sich mit den konkaven Strukturen 165 ab. In einer kreisförmigen Konfiguration der Rückplattenstruktur 16 können die konvexen Strukturen 161 und die konkaven Strukturen 165 ringförmige Stege bzw. ringförmige Rillen sein. Die Vorspannungselemente 162 sind an einer unteren Oberfläche des Rückplattenmaterials 164 unter den lokal konvexen Strukturen 161 angeordnet. Die zusammenziehende Wirkung der Vorspannungselemente 162 bewirkt, dass sich die untere konkave Oberfläche der lokal konvexen Strukturen 161 zu einem gewissen Grad begradigt. Beim näheren Untersuchen der am weitesten links gelegenen lokal konvexen Struktur 161 ist zu sehen, dass die lokal konvexe Struktur 161 an der linken Seite der lokal konvexen Struktur 161 relativ starr mit dem Substrat 10 verbunden ist. Da das Vorspannungselement 162, das unter der lokal konvexen Struktur 161 angeordnet ist, bewirkt, dass sich dieselbe zu einem gewissen Grad begradigt, wird ein rechter Abschnitt der lokal konvexen Struktur erhöht, d. h. von der Membranstruktur 14 weg ausgelenkt. Dieses Prinzip wiederholt sich für die andere lokal konvexe Struktur 161, so dass die Rückplattenstruktur 16 an ihrer Mitte wesentlich ausgelenkt ist. Diese relativ große Mittelauslenkung liegt an einer Kombination des Effekts verursacht durch die einzelnen Vorspannungselemente 162, die in einer räumlich verteilten Weise auf der unteren Oberfläche des Rückplattenmaterials 164 angeordnet sind. Die Vorspannungselemente sind konfiguriert, um die Rückplattenstruktur von einem festen Zustand zu einem freigegebenen Zustand zu entfalten. In dem freigegebenen Zustand (oder entwickelten Zustand) variiert ein Abstand zwischen der Membranstruktur und der Rückplattenstruktur als eine Funktion der Stelle, die Membranstruktur und die Rückplattenstruktur sind nicht parallel zueinander. Ein minimaler Abstand zwischen der Membranstruktur und der Rückplattenstruktur liegt typischerweise zwischen der Stelle, wo die Membranstruktur mit einer Tragestruktur verbunden ist (d. h. eine „Membranstrukturverbindungsstelle”), und der Stelle, wo die Rückplattenstruktur mit der Tragestruktur verbunden ist (d. h. eine „Rückplattenstrukturverbindungsstelle”). Bevor die Rückplattenstruktur zu einem entfalteten Zustand entfaltet wird, ist die Rückplattenstruktur in einem festen Zustand. Der feste Zustand wird durch einen Befestigungsmechanismus beibehalten, typischerweise eine Haftung der Rückplattenstruktur an einem Opfermaterial bevor das Opfermaterial entfernt wird, z. B. durch Ätzen.
Die Rückplattenstruktur 16 weist auch eine Mehrzahl von Löchern 163 auf, die in der in 3 gezeigten Konfiguration an den lokal konkaven Strukturen 165 angeordnet sind. Die Löcher 163 können eine doppelte Funktion haben. Während eines Herstellungsprozesses des mikroelektromechanischen Systems erlauben es die Löcher 163, dass bei dieser Stufe des Herstellungsprozesses ein Ätzmittel die Opferschicht erreicht, die zwischen der Membranstruktur 14 und der Rückplattenstruktur 16 angeordnet ist. Während des Betriebs des mikroelektromechanischen Systems ermöglichen es die Löcher 163 einer akustischen Welle, in den Luftzwischenraum zwischen der Membranstruktur 14 und der Rückplattenstruktur 16 einzudringen oder von dort auszutreten.
Eine Beulrückplatte gemäß den hierin offenbarten Lehren kann Teil verschiedener Anwendungen für Sensoren/Betätigungsvorrichtungen sein, die einen weiten Antriebsbereich benötigen. Beispielsweise kann eine einzelne Rückplattenstruktur, wie sie in 3 gezeigt ist, für Mikrophone mit hohen Linearitätsanforderungen verwendet werden bei größeren Verschiebungen, die sich durch hohe Schalldruckpegel (SPL; SPL = sound pressure level) ergeben. Mit Bezug auf die Mikrolautsprecher kann eine Einzelrückplattenkonfiguration, wie sie in 3 gezeigt ist, für hohe Betätigung verwendet werden, insbesondere in einem digitalen Antriebsmodus.
4 stellt dar, wie die hierin offenbarten Lehren auf Doppelrückplattenstrukturen angewendet werden können. 4 zeigt ein mikroelektromechanisches System gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der hierin offenbarten Lehren. Die Membranstruktur 14 und die obere Rückplattenstruktur 16 sind im Wesentlichen auf die gleiche Weise konfiguriert wie die entsprechenden Elemente des in 3 gezeigten mikroelektromechanischen Systems. Außerdem wird eine untere Rückplattenstruktur 12 bereitgestellt, die zumindest teilweise durch das Substrat 10 getragen wird. Die Membranstruktur 14 wird wiederum zumindest teilweise durch die untere Rückplattenstruktur 12 getragen. Die obere Rückplattenstruktur 16 wird zumindest teilweise durch die Membranstruktur 14 getragen. Ein Hohlraum 22 ist in dem Substrat 10 gebildet. Die obere Rückplattenstruktur 16, die Membranstruktur 14 und die untere Rückplattenstruktur 12 werden alle durch das Substrat 10 in einer Region radial außerhalb des Hohlraums 22 getragen. An der Region außerhalb des Hohlraums 22 ist ersichtlich, dass die Membranstruktur 14 einmal zwischen zwei Opferschichten 32 eingebettet war, die in einer Region weggeätzt wurden, die den Hohlraum 22 im Wesentlichen verlängert zwischen einer oberen Oberfläche des unteren Rückplattenmaterials 124 und einer unteren Oberfläche des oberen Rückplattenmaterials 164.
Die untere Rückplattenstruktur 12 weist lokal konvexe Strukturen 121 und lokal konkave Strukturen 125 auf. Deren Effekt und Funktion ist im Wesentlichen gleich wie bei den lokal konvexen Strukturen 161 und den lokal konkaven Strukturen 165 der oberen Rückplattenstruktur 16. Die untere Rückplattenstruktur 12 und die obere Rückplattenstruktur 16 sind im Wesentlichen gespiegelt zueinander um die Ebene der Membranstruktur 14.
Bezüglich einer Anwendung der in 4 gezeigten Konfiguration können Doppelrückplattenmikrophone für Kraftrückmeldung oder Differenzauslesung verwendet werden. In Verbindung mit Mikrolautsprechern kann eine Doppelrückplatte für analogen Push-Pull-Betrieb oder digitalen Betrieb mit noch höherer Pull-In-Betätigung verwendet werden.
5 zeigt den Querschnitt eines Teils einer simulierten Rückplattenstruktur 12 oder 16. Der in 5 gezeigte Teil ist eine Kombination eines Biegeabschnitts 151 und einer Riffelung 155. Ein Vorspannungselement 152 ist an einer unteren Oberfläche des Biegeabschnitts 151 angeordnet. Der Biegeabschnitt 151 hat eine Breite Wbending und die Riffelung 155 eine Breite Wcorru. Innerhalb des Biegeabschnitts 151 ist das Rückplattenmaterial 154 versetzt in einer Richtung orthogonal zu der Ebene des Rückplattenmaterials 154 um einen Abstand h. Ein Übergangsabschnitt zwischen dem Biegeabschnitt 151 und der Riffelung 155 ist im Wesentlichen in einem Winkel von 45° bezüglich der Ebene des Rückplattenmaterials 154.
6 zeigt ein Ergebnis einer Simulation einer Rückplattenstruktur. Die Ordinate des in 6 gezeigten Diagramms stellt eine Mittelauslenkung in μm der simulierten Rückplatte dar. Die Abszisse des Graphs stellt eine Anzahl von Riffelungen innerhalb der Rückplattenstruktur dar. Die folgenden Werte wurden für den Zweck der Simulation verwendet: Wcorru = 10 μm; Wbending = 10 μm; H = 600 nm; Durchmesser der Rückplatte = 880 μm. Es ist ersichtlich, dass selbst mit einer relativ geringen Anzahl von fünf Riffelungen eine Mittelauslenkung von beinahe 6 μm erhalten werden kann, was bereits ein Mehrfaches der Dicken von typischen Opferschichten ist. Die Mittelauslenkung erhöht sich auf über 20 μm für 19 Riffelungen auf der 880-μm-Rückplatte.
Das Rückplattenmaterial 154 ist (oder weist auf) im Wesentlichen Polykristallinsilizium (PolySi) mit einer Dicke von 330 nm und 100 MPa Beanspruchung bzw. mechanische Spannung. Das Vorspannungselement 152 weist im Wesentlichen Siliziumnitrit (SiN) auf, hat eine Dicke von 280 nm und eine Beanspruchung von 1 GPa.
7 stellt ein weiteres Ergebnis der Simulation dar, die auf einer Rückplatte durchgeführt wird, die das in 5 gezeigte Konstruktionsdetail aufweist. Die Ordinate des Diagramms stellt die Auslenkung in μm dar und die Abszisse des Diagramms stellt die x-Koordinate dar, wobei x = 0 μm der Mitte der Rückplattenstruktur entspricht, und x = 442 μm einer geklemmten Kante der Rückplattenstruktur entspricht. Das Diagramm in 7 zeigt die Biegekurve einer Beulrückplatte mit 20 Riffelungen. Es ist ersichtlich, dass die Biegekurve einen im Wesentlichen linearen Abschnitt aufweist zwischen zwei gekrümmten Übergängen. Angewendet auf eine kreisförmige Rückplatte bedeutet dies, dass die Rückplattenstruktur im Wesentlichen eine Kegel- oder Kegelstumpfform hat.
8 zeigt in 8A bis 8F einen Prozessfluss zum Erzeugen einer „Beulrückplatte”. 8A zeigt ein Substrat 10, das beispielsweise aus Silizium (Si) hergestellt sein kann. Das Substrat 10 ist in einer kreisförmigen Wannenstruktur definiert, die beispielsweise durch einen LOCOS-Prozess (LOCOS = Local Oxidation Of Silicon = lokale Oxidation von Silizium) erhalten werden kann. Der LOCOS-Prozess erzeugt die Anzahl von lokal konvexen Strukturen 61 auf dem Substrat 10.
In 8B wurde eine Opferschicht 32 auf das Substrat 10 aufgebracht und auch auf die lokal konvexen Strukturen 61. Die Opferschicht kann beispielsweise Tetraethylorthosilicat (TEOS), Nassoxid, Kohlenstoff oder ein anderes geeignetes Material sein.
Während eines nachfolgenden Schrittes, dessen Ergebnis in 8C dargestellt ist, wurde eine Biegeschicht mit hoher Zugbeanspruchung auf der Opferschicht 32 aufgebracht und strukturiert, so dass nur die lokal konvexen Oberflächen der Opferschicht 32, die die lokal konvexen Strukturen 61 des Substrats 10 reproduzieren, bedeckt sind. Dies führt zu der Bildung des Vorspannungselements 162. Die Biegeschicht kann Siliziumnitrid (SiN) sein.
8D stellt einen Zustand des Prozessflusses dar, bei dem die Rückplattenschicht 164 mit geringer Beanspruchung auf der Opferschicht 32 und auf den Vorspannungselementen 162 aufgebracht wurde. Die Rückplattenschicht 164 kann ein Polykristallinsilizium sein. Die lokal konvexe Struktur 61 des Substrats 10 wird ebenfalls durch die Opferschicht 32 und die Rückplattenschicht 164 reproduziert.
In 8C und 8D von 8 sind die Vorspannungselemente 162 so gezeigt, dass dieselben in Kontakt mit der Opferschicht 32 sind. Als eine Alternative können die Vorspannungselemente 162 (vollständig) in das Rückplattenmaterial 164 eingebettet sein. Während eines optionalen Schrittes vor der Aufbringung der Biegeschicht, wie es in 8C dargestellt ist, kann eine erste Teilschicht aus Rückplattenmaterial 164 auf die erste Opferschicht 32 aufgebracht werden. Nach der Bildung der Vorspannungselemente 162 wird eine zweite Teilschicht aus Rückplattenmaterial 164 auf die Opferschicht 32 und die Vorspannungselemente 162 aufgebracht. Auf diese Weise sind die Vorspannungselemente 162 (vollständig) in das Rückplattenmaterial oder die Rückplattenschicht 164 eingebettet. Typischerweise wird die erste Teilschicht des Rückplattenmaterials 164 dünner gewählt als die zweite Teilschicht des Rückplattenmaterials 164, so dass die Vorspannungselemente 162 näher zu einer unteren Oberfläche des Rückplattenmaterials 164 als zu einer oberen Oberfläche des Rückplattenmaterials 164 sind.
Ätzfreigabelöcher 163 werden dann in die Rückplattenschicht 164 strukturiert, wie es in 8E zu sehen ist.
8F zeigt das Ergebnis des Durchführens der Freigabe des inneren Teils der Rückplattenschicht 164. Die große Zugbeanspruchung der Vorspannungselemente 162 (die sich von der Biegeschicht ergibt) wird freigegeben und bewirkt, dass sich die Rückplattenstruktur biegt. Wesentlich größere Auslenkungen der Rückplatte können erzeugt werden, insbesondere im Vergleich zu der Dicke der Opferschicht 32.
9 zeigt einen detaillierten Querschnitt des in 8 gezeigten mikroelektromechanischen Systems. 9 stellt die Interaktion der Beanspruchung in den Vorspannungselementen 162, der Belastung und Biegung der Rückplattenstruktur 16 dar. Die Beanspruchung wird allgemein definiert als das Verhältnis von angelegter Kraft F und Querschnitt A, somit „Kraft pro Fläche”. Belastung wird definiert als „Deformation eines Festkörpers aufgrund von Beanspruchung”. Belastung ist verbunden mit der Beanspruchung über dem materialspezifischen Youngschen Modulus E.
10 zeigt einen perspektivischen Teilquerschnitt einer Rückplattenstruktur 16 vor dem Freigabeätzen der Rückplattenstruktur von dem Substrat 10. Folglich entspricht 10 etwa dem Zustand, der in 8E gezeigt ist. Eine Anzahl von Vorspannungselementen 162 ist gezeigt, wobei die zwei äußeren eine ringförmige Konfiguration aufweisen (wenn dieselben in einer rotationssymmetrischen Weise fertiggestellt werden). Die Vorspannungselemente 162 könnten auch als Stücke eines zweiten Rückplattenmaterials beschrieben werden. Das zweite Rückplattenmaterial hat eine andere Zug- oder Druck-Beanspruchung als das (erste) Rückplattenmaterial 164. Die Stücke 162 sind auf der Oberfläche des Rückplattenmaterials 164 gegenüber einer Oberfläche desselben aufgebracht, die benachbart zu der Opferschicht 32 ist. Als Alternative könnten die Stücke 162 in das Rückplattenmaterial 164 eingebettet werden durch den Zweischrittaufbringungsprozess des Rückplattenmaterials 164 und eine Zwischenaufbringung und Strukturierung der Stücke 162, die oben beschrieben ist. Die Stücke 162 werden an ausgewählten Stellen des Rückplattenmaterials 164 aufgebracht. Bei dem Ausführungsbeispiel, das in 10 gezeigt ist, sind die Stücke 162 insbesondere auf lokal konvexen Strukturen der Opferschicht 32 angeordnet. Die Anordnung der Stücke 162 auf den lokal konvexen Strukturen „verstärkt” die Auslenkung der Rückplattenstruktur 16. Es ist anzumerken, dass abhängig davon, welche Art von Auslenkung gewünscht ist, die Stücke 162 auch in oder an lokal konkaven Strukturen der Opferschicht 32 angeordnet werden könnten. Darüber hinaus beeinflusst die Beziehung der Beanspruchungen, die in dem Rückplattenmaterial 164 und den Stücken 162 vorliegen (Zugbeanspruchung ist höher in den Stücken 162 als in dem Rückplattenmaterial 164, oder umgekehrt; Druckbeanspruchung ist höher in den Stücken 162 als in dem Rückplattenmaterial 164, oder umgekehrt, usw.), die Richtung und den Betrag der Auslenkung der Rückplattenstruktur 16.
11A bis 11K stellen ein Herstellungsverfahren eines Doppelrückplattensystems mit einer geriffelten Membran (oder Membranstruktur) dar. 11A zeigt einen schematischen Querschnitt eines Substrats 10, das als Basisschicht für nachfolgende Prozessschritte dient. Das Substrat 10 ist mit einer Riffelungsvorform 61 definiert. Es gibt mehrere Optionen zum Erhalten der in 11A gezeigten Struktur. Eine erste Option ist es, einen LOCOS-Prozess (LOCal Oxidation of Silicon) auf dem Substrat 10 durchzuführen, gefolgt von einem Ätzschritt. Eine zweite Option wäre es, das Substrat 10 an den beabsichtigten Stellen der Riffelungsvorformen 61 zu maskieren. Dann könnte isotropes Substratätzen durchgeführt werden, was zu etwa halbkugelförmigen Hohlräumen zwischen den Riffelungsvorformen 61 führt. Nachfolgend wird eine Maskenentfernung durchgeführt. Gemäß einer dritten Option werden ein oder mehrere Oxidringe auf dem Substrat gebildet. Dann wird eine Oxidaufbringung durchgeführt, um die Struktur abzurunden. Diese dritte Option wurde in der Vergangenheit verwendet, um Riffelungen zu erzeugen. Neben den drei vorgeschlagenen Optionen können andere Optionen existieren, um die Riffelungsvorformen 61 herzustellen.
11B zeigt einen schematischen Querschnitt des Substrats 10 nachdem eine Ätzstoppschicht 102 auf die geriffelte Oberfläche des Substrats 10 aufgebracht wurde. Die Ätzstoppschicht kann ein Siliziumoxid (SiO) aufweisen.
Wie es in 11C dargestellt ist, ist ein unteres Rückplattenmaterial 124 auf der Ätzstoppschicht 102 aufgebracht. Das untere Rückplattenmaterial 124 ist insbesondere auch strukturiert, um Ätzfreigabelöcher 123 in dem Rückplattenmaterial 124 bereitzustellen.
11D zeigt einen Zustand, in dem eine Biegeschicht definiert wurde, was zu den Vorspannungselementen 122 führt. Die Biegeschicht kam Siliziumnitrid (SiN) aufweisen. Die Biegeschichtdefinition kann eine Aufbringung und eine Strukturierung der Biegeschicht aufweisen, wobei die Strukturierung möglicherweise ferner weiter unterteilt ist in Maskieren und Ätzen der Biegeschicht. An der Prozessstufe, die in 11D gezeigt ist, werden die Vorspannungselemente 122 in lokal konkaven Strukturen des Substrats 10, der Ätzstoppschicht 102 und des unteren Rückplattenmaterials 124 aufgebracht.
11E stellt das Substrat 10 und die verschiedenen aufgebrachten und/oder strukturierten Schichten in einer schematischen Querschnittsansicht dar, nachdem eine Opferschicht 32 auf eine Oberfläche des Rückplattenmaterials 124 aufgebracht wurde, wobei die Oberfläche von dem Substrat 10 abgewandt ist. Die Opferschicht kann SiO als Material aufweisen.
Wie es in 11F dargestellt ist, wird dann eine Membran oder Membranstruktur 14 auf eine Oberfläche der Opferschicht 32 aufgebracht, wobei die Oberfläche erneut von dem Substrat 10 abgewandt ist, da dies die freigelegte Oberfläche der Opferschicht 32 ist.
11G zeigt einen Zustand des Herstellungsprozesses eines Doppelrückplattensystems mit geriffelter Membran nach einer Aufbringung einer zweiten Opferschicht 32. Wie die erste Opferschicht kann die zweite Opferschicht 32 SiO aufweisen oder daraus bestehen. Die zweite Opferschicht 32 wird auf die Oberfläche der Membran oder Membranstruktur 14 aufgebracht, wobei die Oberfläche von dem Substrat 10 abgewandt ist.
11H stellt eine obere Biegeschichtdefinition dar, die zu der Bildung von Vorspannungselementen 162 führt. Die obere Biegeschicht und die Vorspannungselemente 162, die sich vom Strukturieren der oberen Biegeschicht ergeben, können SiN aufweisen oder daraus bestehen. Die Vorspannungselemente 162 sind in oder auf lokal konvexen Strukturen der zweiten Opferschicht 32 angeordnet.
Das obere Rückplattenmaterial 164 wird dann auf die zweite Opferschicht 32 und die Vorspannungselemente 162 aufgebracht. Der Zustand nach der Aufbringung des oberen Rückplattenmaterials ist in 11I zu sehen. Ätzfreigabelöcher 163 sind ebenfalls in dem oberen Rückplattenmaterial 164 strukturiert.
Nach der Definition des oberen Rückplattenmaterials 164 wird eine Rückseitenhohlraumätzung durchgeführt, ein Ergebnis davon ist in 11J zu sehen. Das verwendete Ätzverfahren kann hoch selektiv sein bezüglich Silizium und nur einen geringen Ätzeffekt auf Siliziumoxid haben. Somit wird das Substrat 10 von der Rückseite geätzt, bis der Ätzschritt die Ätzstoppschicht 102 erreicht. Der Rückseitenhohlraum 22 kann definiert werden durch Rückseitenmaskieren des Substrats 10. Unter Verwendung eines zweiten Ätzprozesses, der bezüglich Siliziumoxid selektiv ist, wird die Ätzstoppschicht 102 dann entfernt, um eine Oberfläche des unteren Rückplattenmaterials 124 freizulegen, die von der Membranstruktur 14 abgewandt ist.
11K zeigt das Ergebnis der Freigabeätzung. Die Freigabeätzung führt ein Ätzmittel über die Freigabeätzlöcher 123, 163 in den Raum ein, der durch die Opferschichten 32 besetzt ist. Es ist anzumerken, dass gemäß dem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Systems, das in 11A bis 11K dargestellt ist, das Material, das für die Opferschichten verwendet wird, Siliziumoxid ist, d. h. das gleiche Material, wie es für die Ätzstoppschicht 102 verwendet wurde. Daher können die Schritte des Entfernens der Ätzstoppschicht 102 und des Durchführens der Freigabeätzung, um die Opferschichten 32 aufzulösen, während eines einzigen Schrittes durchgeführt werden. Die Freigabeätzung führt zur Aufwärts/Abwärtsbiegung der oberen/unteren Rückplattenstrukturen 16, 12 aufgrund der Aktionen der Vorspannungselemente 122 und 162.
Zwischen der oberen und unteren Rückplattenstruktur 16, 12 wird somit ein relativ großes Volumen erzeugt, in dem die Membranstruktur 14 mit einer relativ großen Amplitude oszillieren kann. Die Form der oberen und unteren Rückplattenstruktur 16, 12 ist im Wesentlichen ähnlich wie eine Form der Membranstruktur 14, wenn dieselbe in der oberen/unteren externen Position ist. Als Folge sind zumindest lokal die Formen der Membranstruktur 14 und der oberen/unteren Rückplattenstruktur 16, 12 relativ parallel zueinander, womit nicht-lineare Effekte reduziert werden. Ein erster Grund für diese lokale Parallelität ist, dass die Membranstruktur 14 während des gleichen Prozesses hergestellt wurde wie die obere/untere Rückplattenstruktur 16, 12, so dass insbesondere obere/untere Riffelungen der Membranstruktur den Riffelungen der oberen/unteren Rückplattenstruktur 16, 12 entsprechen. Anders ausgedrückt, die Riffelungen der Membranstruktur 14 sind im Wesentlichen ausgerichtet mit den Riffelungen der oberen/unteren Rückplattenstruktur 16, 12. Ein weiterer Grund ist, dass die Membranstruktur 14 und die obere/untere Rückplattenstruktur 16, 12 sich auf ähnliche Weise biegen, da dieselben etwa die gleichen lateralen Abmessungen aufweisen und an etwa den gleichen Stellen schwebend sind. Während die Biegeauslenkung der oberen/unteren Rückplattenstruktur 16, 12 statisch ist, ist die Biegeauslenkung der Membranstruktur 14 dynamisch, da die Membranstruktur 14 typischerweise wesentlich dünner und/oder flexibler ist als die obere/untere Rückplattenstruktur 16, 12.
Die Membranstruktur 14 ist an einer Membranstrukturverbindungsstelle 149 mit einer Tragestruktur mechanisch verbunden. Die Tragestruktur weist in der in 11K gezeigten Konfiguration das Substrat 10, einen Restabschnitt der Ätzstoppschicht 102, Restabschnitte der Opferschichten 32 und Umfangsabschnitte der unteren Rückplattenstruktur 12 und der Membranstruktur 14 auf.
Die untere Rückplattenstruktur 12 ist ebenfalls mit der Tragestruktur mechanisch verbunden. Im Gegensatz zu der Membranstruktur 14 ist die untere Rückplattenstruktur an einer Rückplattenstrukturverbindungsstelle 129, die von der Membranstrukturverbindungsstelle 149 beabstandet ist, mit der Tragestruktur mechanisch verbunden. Auf ähnliche Weise ist die obere Rückplattenstruktur 16 an einer oberen Rückplattenstrukturverbindungsstelle 169 mit der Tragestruktur mechanisch verbunden. Ein Abstand zwischen der Rückplattenstruktur 12, 16 und der Membranstruktur 14 variiert über der Rückplattenstruktur 12, 16, insbesondere als eine Funktion der lateralen Ausdehnung der unteren Rückplattenstruktur 12, 16. Ein minimaler Abstand zwischen der Membranstruktur 14 und der unteren Rückplattenstruktur 12 ist an der Rückplattenstrukturverbindungsstelle 129. Der Abstand soll die Beabstandung zwischen der Membranstruktur 14 und der oberen/unteren Rückplattenstruktur 16, 12 darstellen. Der Abstand ist beispielsweise parallel zu einer Hauptbewegungsrichtung der Membranstruktur während des Betriebs des mikroelektromechanischen Systems. Dies bedeutet, dass ein Luftzwischenraum zwischen der Membranstruktur 14 und der oberen/unteren Rückplattenstruktur 16, 12 an der Rückplattenstrukturverbindungsstelle 169 und 129 und der Membranstrukturverbindungsstelle 149 relativ schmal ist. Mit zunehmendem lateralem Abstand von der Tragestruktur verbreitert sich der Luftzwischenraum um ein Maximum zu erreichen an (oder in der Nähe) einer Stelle, die relativ weit entfernt ist von jeder Rückplattenstrukturverbindungsstelle 129, 169 oder Membranstrukturverbindungsstelle 149 (z. B. einer Mitte einer kreisförmigen Membranstruktur 14). Aus Herstellungsgründen ist die Breite des Luftzwischenraums an den Membran/Rückplattenstrukturverbindungsstellen 129, 149, 169 auf etwa die Dicke der Opferschicht begrenzt. Aufgrund der Biegeauslenkung der Rückplattenstrukturen 12, 16 ist es möglich, größere Luftzwischenraumbreiten an Stellen zu erhalten, die weiter entfernt sind von den Membran/Rückplattenstrukturverbindungsstellen 129, 149, 169.
Es ist anzumerken, dass die Membran/Rückplattenstrukturverbindungsstellen 129, 149, 169 verschiedene Formen haben können, wie z. B. eine Linie, einen Kreis oder ein Quadrat, abhängig von der Form der Membranstruktur 14 und/oder der Rückplattenstruktur 12, 16. Ferner ist es möglich, dass die Membran/Rückplattenstrukturverbindungsstellen 129, 149, 169 räumlich verteilt sind, d. h. die Membranstruktur und/oder die Rückplattenstruktur(en) ist/sind an mehreren einzelnen Stellen mit der Tragestruktur mechanisch verbunden.
12 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine lokal konvexe Struktur der Rückplattenstruktur. Das Vorspannungselement 152 ist auf einer konvexen Oberfläche des Rückplattenmaterials 154 angeordnet. Das Rückplattenmaterial 154 hat eine Dicke t1 und das Vorspannungselement 152 hat eine Dicke t2. Die Dicke t1 des Rückplattenmaterials 154 kann beispielsweise zwischen 300 nm bis 1 μm oder zwischen 400 nm und 900 nm oder zwischen 500 nm und 800 nm liegen. Bei der in 12 gezeigten Konfiguration hat das Rückplattenmaterial eine Dicke t1 = 660 nm von Polysilizium bei einer Zugbeanspruchung von 100 MPa. Die Dicke t2 des Vorspannungselements 152 kann zwischen 100 nm und 500 nm liegen, oder zwischen 200 nm und 400 nm oder zwischen 250 nm und 300 nm. In der in 12 gezeigten Konfiguration hat das Vorspannungselement 152 eine Dicke von t2 = 280 nm und das Material ist überwiegend SiN mit einer Zugbeanspruchung von 1 GPa. Die lokal konvexe Struktur steht von einer Hauptebene des Rückplattenmaterials 154 um eine Höhe h vor, die Werte zwischen 1 μm und 3 μm oder 1,5 μm und 2,5 μm oder zwischen 1,6 μm und 2,2 μm annehmen kann. Die lokal konvexe Struktur weist eine Anzahl von gekrümmten Übergängen auf. Die äußeren Oberflächen dieser Übergänge bezüglich der Krümmung haben einen Radius R, der zwischen 800 nm und 1200 nm oder zwischen 900 nm und 1100 nm liegen kann. In der in 12 gezeigten Konfiguration ist der Radius R = 1 μm.
13 zeigt einen Teilquerschnitt einer Rückplattenstruktur, die das Rückplattenmaterial 154 und zwei Vorspannungselemente 152 aufweist, gemäß zumindest einem der möglichen Ausführungsbeispiele. Die Vorspannungselemente 152 sind auf lokal konvexen Strukturen des Rückplattenmaterials 154 angeordnet. Das Rückplattenmaterial 154 weist tatsächlich zwei strukturierte Schichten auf, die während eines Herstellungsprozesses aufeinander aufgebracht werden. In der Querschnittsansicht von 13 ist ersichtlich, dass die zwei Schichten des Rückplattenmaterials 154 sich an einer Anzahl von Stellen mischen, so dass das resultierende Rückplattenmaterial 154 im Querschnitt eine mäandernde Form aufweist.
14 zeigt eine Draufsicht eines Rückplattenmaterials 164 bei einem Prozessschritt vor dem Freigabeätzschritt (etwa der gleiche Zustand, der in 11I gezeigt ist). Das Rückplattenmaterial 164 weist drei konzentrische Riffelungen oder lokal konvexe Strukturen 161 auf. Die mittlere Riffelung oder lokal konvexe Struktur 161 ist im Wesentlichen kreisförmig, während die zwei anderen Riffelungen 161 im Wesentlichen ringförmig sind. Die Stelle des Hohlraums 22 ist durch eine gestrichelte Linie in 14 angezeigt, um eine räumliche Referenz bereitzustellen. Eine Mehrzahl von Ätzfreigabelöchern 163 ist in dem Rückplattenmaterial 164 gebildet. Die Anzahl von Riffelungen oder lokal konvexen/konkaven Strukturen 161, 121 ist nicht auf zwei oder drei begrenzt, sondern könnte höher sein, beispielsweise zwischen 3 und 20 Riffelungen oder zwischen 5 und 18 Riffelungen oder zwischen 7 und 15 Riffelungen.
15 zeigt eine schematische Draufsicht einer Rückplattenstruktur 716 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der hierin offenbarten Lehren. Die Rückplattenstruktur 716 weist das Rückplattenmaterial 764 und vier Vorspannungselemente 762 auf. Das Rückplattenmaterial 764 weist einen quadratischen schwebenden Abschnitt und vier Tragearme 768 auf, die angeordnet sind, um den schwebenden Abschnitt des Rückplattenmaterials 764 zu tragen. Die Tragearme 768 weisen ein inneres Ende und ein äußeres Ende auf. Die inneren Enden der Tragearme 768 sind mit dem schwebenden Abschnitt des Rückplattenmaterials 764 mechanisch verbunden. Die äußeren Enden der Tragearme 768 sind mit einem äußeren oder Umfangsabschnitt des Rückplattenmaterials 764 mechanisch verbunden, der wiederum mit einer Tragestruktur mechanisch verbunden ist.
Die Vorspannungselemente 762 sind auf einer Oberfläche der Tragearme 768 angeordnet. Vier längliche Löcher 769 sind in dem schwebenden Abschnitt des Rückplattenmaterials 764 gebildet, was einen Kerbeffekt reduzieren kann, der durch die Biegeauslenkung der Rückplattenstruktur 716 verursacht wird, die hauptsächlich in der Region der Tragearme 768 auftritt.
16 zeigt einen schematischen Querschnitt der Rückplattenstruktur 716 entlang der Schnittebene, die in 15 angezeigt ist. Außerdem zeigt 16 auch eine untere Rückplattenstruktur 712, die im Wesentlichen symmetrisch ist zu der oberen Rückplattenstruktur 716 bezüglich einer Symmetrieebene parallel zu der planaren Ausdehnung des schwebenden Abschnitts der oberen und unteren Rückplattenstruktur 716, 712. Die obere und untere Rückplattenstruktur 716, 712 sind in dem freigegebenen Zustand gezeigt, d. h. eine Biegeauslenkung ist hauptsächlich in der Region der Tragearme 768, 728 aufgetreten, als eine Folge der Vorspannungselemente 762, 722. Das in 15 und 16 gezeigte Ausführungsbeispiel kombiniert einen relativ breiten Luftzwischenraum zwischen der Membranstruktur 14 und der oberen/untere Rückplattenstruktur 716, 712 von einer relativ dünnen Opferschicht 32 mit einer im Wesentlichen ebenen Konfiguration des schwebenden Abschnitts des Rückplattenmaterials 764, 724, die als Gegenelektroden für die Membranstruktur 14 wirken. Die Membranstruktur 14 weist einige wenige Riffelungen relativ nahe zu einer Membranstrukturverbindungsstelle (d. h. einer Kante der Membranstruktur 14) auf, wodurch eine relativ große Ebene oder flacher Bereich in der Mitte der Membranstruktur 14 belassen wird. Die Riffelungen der Membranstruktur 14 ermöglichen eine dynamische Biegeauslenkung der Membranstruktur 14 während des Betriebs des mikroelektromechanischen Systems, beispielsweise als Mikrolautsprecher oder Mikrophon.
17 bis 19 beziehen sich auf noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mikroelektromechanischen Systems gemäß den hierin offenbarten Lehren, das von dem in 15 und 16 gezeigten Ausführungsbeispiel abgeleitet ist.
17 zeigt eine Draufsicht einer Rückplattenstruktur 916, die das Rückplattenmaterial 964 und die Vorspannungselemente 962 aufweist. Das Rückplattenmaterial 964 weist vier Tragearme 968 auf. Die Vorspannungselemente 962 sind auf Oberflächen der Tragearme 968 angeordnet. Bei der Alternative könnten die Vorspannungselemente 962 in die Tragearme 968 eingebettet sein. Ein Unterschied zu dem in 15 gezeigten Ausführungsbeispiel ist, dass die Tragearme 968 parallel zu einer benachbarten Kante des schwebenden Abschnitts des Rückplattenmaterials 964 sind, d. h. die Tragearme 968 erstrecken sich entlang der benachbarten Kante des schwebenden Abschnitts. Als Folge können die Tragearme 968 relativ lang sein, so dass selbst mit einem relativ flachen Biegewinkel eine große Biegeauslenkung erreicht werden kann an einem Ende eines Tragearms 968, das mit dem schwebenden Abschnitt des Rückplattenmaterials 964 mechanisch verbunden ist. Um einen Kerbeffekt an der mechanischen Verbindung zwischen den Tragearmen 968 und dem schwebenden Abschnitt des Rückplattenmaterials 964 zu reduzieren, ist zwischen den Tragearmen 968 und dem schwebenden Abschnitt ein gekrümmter Übergang vorgesehen. Die Vorspannungselemente 962 bewirken, dass sich die Tragearme 968 nach oben biegen, d. h. in einer Richtung senkrecht zu der Zeichenebene der Draufsicht von 17. Dies verschiebt den schwebenden Abschnitt des Rückplattenmaterials 964 in eine Richtung weg von der Membranstruktur (nicht gezeigt).
18 zeigt einen schematischen Querschnitt eines mikroelektromechanischen Systems, zu dem die in 17 gezeigte Rückplattenstruktur 916 gehört. Die Schnittebene ist in 17 durch eine Strichpunktlinie angezeigt. Das in 18 im Querschnitt gezeigte mikroelektromechanische System weist die obere Rückplattenstruktur 916 und eine untere Rückplattenstruktur 912 auf. Die untere Rückplattenstruktur 912 ist ähnlich wie die obere Rückplattenstruktur 916. Insbesondere weist die untere Rückplattenstruktur 912 ein Rückplattenmaterial 924 mit einem schwebenden Abschnitt und Tragearmen 928 auf. Vorspannungselemente 922 sind auf den Oberflächen der Tragearme 928 angeordnet, insbesondere auf einer Oberfläche, die von der Membranstruktur 14 abgewandt ist. Das in 18 gezeigte mikroelektromechanische System weist eine Tragestruktur auf oder ist mechanisch mit derselben verbunden.
19 zeigt eine schematische Draufsicht der Membranstruktur 14, die in den in 17 und 18 gezeigten Ausführungsbeispielen verwendet wird. Die Membranstruktur 14 weist einen Mittelabschnitt 145 auf, der als aktiver Teil der Membranstruktur 14 angesehen werden kann, d. h. der Mittelabschnitt 145 erfährt relativ große Amplituden. Der Mittelabschnitt 145 ist durch eine Riffelung 141 umgeben, die angeordnet ist, um die relativ großen Amplituden des Mittelabschnitts 145 zu ermöglichen. Die Membranstruktur 14 weist ferner vier Druckausgleichslöcher 143 auf, die nahe zu einem Umfangsabschnitt der Membranstruktur 14 angeordnet sind. Die Membranstruktur 14 ist an dem Umfangsabschnitt, der als eine Membranstrukturverbindungsstelle angesehen werden kann, mit der Tragestruktur 910 mechanisch verbunden.
20 stellt ein allgemeines Prinzip einer Struktur dar, die Biegeauslenkung zeigt unter Verwendung einer Mehrzahl von Vorspannungselementen und einer Mehrzahl von Gelenkelementen. Die Struktur weist eine Mehrzahl von Vorspannungselementen/zusammensetzungen T und eine Mehrzahl von Gelenkelementen H auf. Abschnitte der Struktur, die ein Vorspannungselement T aufweist, wechseln sich mit den Gelenkelementen H ab. Die Struktur ist an ihrem linken Ende und auch an ihrem rechten Ende an eine Tragestruktur geklemmt. Die Gelenkelemente H sind konfiguriert, um die Belastung zu nehmen, die durch die Vorspannungselemente T erzeugt wird. Aufgrund einer Interaktion zwischen den Vorspannungselementen T und den Gelenkelementen H biegt sich die vollständige Struktur in eine Richtung, beispielsweise zu der Unterseite von 20 hin.
21 zeigt eine Variation der in 20 gezeigten Struktur, die relativ einfach und weniger effektiv ist als andere Konfigurationen. In einem oberen Bild von 21 ist die Struktur befestigt und in einem unteren Bild von 21 ist dieselbe freigegeben. Die Vorspannungszusammensetzungen T weisen Vorspannungselemente 122 auf, die auf einer Oberfläche des Rückplattenmaterials 124 angeordnet sind. Die Gelenkelemente H sind im Wesentlichen Abschnitte des Rückplattenmaterials 124 frei von Vorspannungselementen. In dem freigegebenen Zustand biegt sich die Struktur in einer Richtung entgegengesetzt zu einer Zuwendungsrichtung einer Oberfläche des Rückplattenmaterials 124, auf der die Vorspannungselemente 122 angeordnet sind.
22 zeigt eine weitere Variation der in 20 gezeigten Struktur. Die in 22 gezeigte Variation weist zusätzliche Riffelungen auf und ist effektiver als die in 21 gezeigte Variation. Die Riffelungen sind Teil der Gelenkelemente H. Ein oberes Bild von 22 zeigt einen festen Zustand der Struktur und ein unteres Bild von 22 zeigt einen freigegebenen Zustand der Struktur, in der sich die Struktur in der Mitte nach unten biegt aufgrund der Wirkung der Vorspannungszusammensetzungen T (die die Vorspannungselemente 122 aufweisen) und der Gelenkelemente H.
Obwohl einige Aspekte im Zusammenhang einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wo ein Block oder ein Bauelement einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Analog stellen Aspekte, die in dem Kontext eines Verfahrensschritts beschrieben sind, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Obwohl diese Erfindung bezüglich mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, gibt es Änderungen, Permutationen und Äquivalente, die in den Schutzbereich dieser Erfindung fallen. Es sollte auch klar sein, dass es viele alternative Möglichkeiten zum Implementieren der Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung gibt. Es ist daher beabsichtigt, dass die folgenden angehängten Ansprüche so interpretiert werden, dass dieselben alle solchen Alterationen, Permutationen und Äquivalente umfassen, wie sie in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen. Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind lediglich darstellend für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Es ist klar, dass Modifikationen und Variationen der Anordnungen und Einzelheiten, die hierin beschrieben sind, für andere Fachleute auf diesem Gebiet klar sind. Daher soll dieselbe nur durch den Schutzbereich der angehängten Patentansprüche begrenzt werden und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die zum Zweck der Beschreibung und Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden.

Claims

Mikroelektromechanisches System, das folgende Merkmale aufweist: eine Membranstruktur (14); und eine Rückplattenstruktur, die ein Rückplattenmaterial und zumindest ein Vorspannungselement aufweist, das mit dem Rückplattenmaterial mechanisch verbunden ist, wobei das zumindest eine Vorspannungselement konfiguriert ist, um eine mechanische Spannung an dem Rückplattenmaterial zu verursachen, für eine Biegeauslenkung der Rückplattenstruktur in einer Richtung weg von der Membranstruktur (14).
Mikroelektromechanisches System gemäß Anspruch 1, bei dem das zumindest eine Vorspannungselement ein Stück auf einer Oberfläche des Rückplattenmaterials oder eingebettet in dasselbe aufweist.
Mikroelektromechanisches System gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Rückplattenmaterial zumindest eine lokal konvexe Struktur aufweist und bei dem das zumindest eine Vorspannungselement auf der zumindest einen lokal konvexen Struktur angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches System gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Rückplattenmaterial zumindest eine lokal konkave Struktur aufweist und bei dem das zumindest eine Vorspannungselement auf der zumindest einen lokal konkaven Struktur angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Vorspannungselement ein Vorspannungselementmaterial aufweist mit einer intrinsischen Beanspruchung, die höher ist als eine intrinsische Beanspruchung des Rückplattenmaterials.
Mikroelektromechanisches System gemäß Anspruch 5, bei dem das Rückplattenmaterial eine intrinsische Beanspruchung in einem Bereich von 30 MPa bis 200 MPa aufweist und bei dem das Vorspannungsmaterial eine intrinsische Beanspruchung in einem Bereich von 500 MPa bis 3 GPa aufweist.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Rückplattenmaterial eine Riffelung aufweist und bei dem das zumindest eine Vorspannungselement an der Riffelung angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches System gemäß Anspruch 7, bei dem das Rückplattenmaterial zumindest zwei konzentrische Riffelungen aufweist.
Mikroelektromechanisches System gemäß Anspruch 7 oder 8, bei dem die Membranstruktur (14) eine Riffelung aufweist, die mit der Riffelung des Rückplattenmaterials ausgerichtet ist in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche eines Elektrodenmaterials.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Rückplattenmaterial Polykristallinsilizium aufweist und das zumindest eine Vorspannungselement Siliziumnitrid aufweist.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Rückplattenstruktur an einem Träger an einem Umfangsabschnitt der Rückplattenstruktur befestigt ist.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Rückplattenstruktur zumindest einen Tragearm des Rückplattenmaterials und einen schwebenden Abschnitt aufweist, der durch den zumindest einen Tragearm getragen wird, und wobei das zumindest eine Vorspannungselement mit dem zumindest einen Tragearm mechanisch verbunden ist.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, das ferner eine weitere Rückplattenstruktur aufweist, die an einer entgegengesetzten Seite der Membranstruktur (14) als die Rückplattenstruktur angeordnet ist, wobei die weitere Rückplattenstruktur eine Schicht des Rückplattenmaterials oder ein weiteres Rückplattenmaterial und zumindest ein weiteres Vorspannungselement aufweist, das konfiguriert ist, um eine mechanische Spannung an dem Rückplattenmaterial der weiteren Rückplattenstruktur zu bewirken, für eine Biegeauslenkung der weiteren Rückplattenstruktur in einer Richtung weg von der Membranstruktur (14).
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Rückplattenstruktur eine Elektrode aufweist, die konfiguriert ist, um mit der Membranstruktur (14) elektrostatisch zu interagieren.
Mikroelektromechanisches System gemäß Anspruch 1, bei dem die Membranstruktur (14) und die Rückplattenstruktur einen Zwischenraum mit einer gewölbeartigen Form begrenzen.
Mikroelektromechanisches System, das folgende Merkmale aufweist: eine Tragestruktur; eine Membranstruktur (14), die an einer Membranstrukturverbindungsstelle mit der Tragestruktur mechanisch verbunden ist; und eine Rückplattenstruktur, die ebenfalls an einer Rückplattenstrukturverbindungsstelle, die von der Membranstrukturverbindungsstelle beabstandet ist, mit der Tragestruktur mechanisch verbunden ist, wobei die Rückplattenstruktur ein Rückplattenmaterial und zumindest ein Vorspannungselement aufweist, das mit dem Rückplattenmaterial mechanisch verbunden ist, wobei das zumindest eine Vorspannungselement konfiguriert ist, um die Rückplattenstruktur zu entfalten, so dass ein Abstand zwischen der Rückplattenstruktur und der Membranstruktur (14) über die Rückplattenstruktur variiert, und ein minimaler Abstand an der Rückplattenstrukturverbindungsstelle liegt.
Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Systems, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bilden einer Schicht für eine Membranstruktur (14); Bilden einer Opferschicht (32) über der Schicht für die Membranstruktur (14); Aufbringen einer Schicht eines Rückplattenmaterials über eine Oberfläche der Opferschicht (32); Bilden zumindest eines Vorspannungselements an einer Oberfläche des oder eingebettet in das Rückplattenmaterial; und Ätzen der Opferschicht (32), dadurch Freigeben der Schicht des Rückplattenmaterials und des zumindest einen Vorspannungselements, so dass die Schicht des Rückplattenmaterials und das zumindest eine Vorspannungselement sich in einer Richtung weg von der Membranstruktur biegen.
Verfahren gemäß Anspruch 17, das ferner folgenden Schritt aufweist: Bilden zumindest einer lokal konvexen Struktur und zumindest einer lokal konkaven Struktur oder beiden auf zumindest einer der Schichten für die Membranstruktur (14) und die Opferschicht (32); wobei das zumindest eine Vorspannungselement auf der zumindest einen lokal konvexen Struktur oder der zumindest einen konkaven Struktur aufgebracht ist.
Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem das Bilden der zumindest einen lokal konvexen Struktur oder der zumindest einen lokal konkaven Struktur oder beiden eine lokale Oxidation der Membranstruktur (14) oder der Opferschicht (32) aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem das Bilden des zumindest einen Vorspannungselements eingebettet in das Rückplattenmaterial folgende Schritte aufweist: Aufbringen einer Schicht eines Vorspannungselementmaterials auf die Oberfläche der Schicht des Rückplattenmaterials; Strukturieren des aufgebrachten Vorspannungselementmaterials, um das zumindest eine Vorspannungselement zu erhalten; und Aufbringen einer weiteren Schicht des Rückplattenmaterials auf das strukturierte aufgebrachte Vorspannungselementmaterial und freigelegte Teile der vorher aufgebrachten Schicht des Rückplattenmaterials, um das zumindest eine Vorspannungselement in das Rückplattenmaterial einzubetten.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, das ferner folgenden Schritt aufweist: Bilden zumindest einer Riffelung in oder auf der Schicht des Rückplattenmaterials, wobei das zumindest eine Vorspannungselement in oder auf die zumindest eine Riffelung aufgebracht wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 21, bei dem das Rückplattenmaterial eine intrinsische Beanspruchung in einem Bereich von 30 MPa bis 200 MPa aufweist, und wobei das zumindest eine Vorspannungselement aus einem Material mit einer intrinsischen Beanspruchung in einem Bereich von 500 MPa bis 3 MPa besteht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 22, bei dem das Rückplattenmaterial Polykristallinsilizium aufweist und das zumindest eine Vorspannungselement Siliziumnitrid aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 23, bei dem das Bilden der Schicht des Rückplattenmaterials das Befestigen des Rückplattenmaterials an einem Träger an einem Umfangsabschnitt des Rückplattenmaterials aufweist; und bei dem das Ätzen der Opferschicht (32) einen schwebenden Abschnitt des Rückplattenmaterials erzeugt, der durch den Umfangsabschnitt und den Träger getragen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 24, das ferner folgende Schritte aufweist: Strukturieren des Rückplattenmaterials, um zumindest einen Tragearm und einen schwebenden Abschnitt zu bilden, der durch den zumindest einen Tragearm getragen wird; wobei das zumindest eine Vorspannungselement an einer Oberfläche des zumindest einen Tragearms aufgebracht wird, so dass sich der zumindest eine Tragearm biegt, auf das Freigeben des Rückplattenmaterials durch Ätzen der Opferschicht (32) hin.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 25, das ferner vor dem Bilden der Opferschicht (32) folgende Schritte aufweist: Bilden zumindest eines anderen Vorspannungselements über einer Oberfläche einer Basisschicht; Aufbringen einer weiteren Schicht des Rückplattenmaterials über die Oberfläche der Basisschicht und das zumindest eine andere Vorspannungselement; Aufbringen einer weiteren Opferschicht (32) über eine Oberfläche der anderen Schicht des Rückplattenmaterials; und Aufbringen der Schicht, die die Membranstruktur (14) definiert.
Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Systems, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bilden zumindest eines Vorspannungselements auf einer Oberfläche einer Basisschicht; Aufbringen einer Schicht eines Rückplattenmaterials auf die Oberfläche der Basisschicht und das zumindest eine Vorspannungselement; Aufbringen einer Opferschicht (32) auf eine Oberfläche der Schicht des Rückplattenmaterials; Aufbringen einer Schicht, die eine Membranstruktur (14) definiert, auf eine Oberfläche der Opferschicht (32); und Ätzen der Opferschicht (32), dadurch Freigeben der Schicht des Rückplattenmaterials und des zumindest einen Vorspannungselements, was bewirkt, dass sich die Schicht des Rückplattenmaterials und das zumindest eine Vorspannungselement in einer Richtung weg von der Membranstruktur (14) biegen, als eine Folge einer mechanischen Spannung, die durch das zumindest eine Vorspannungselement auf das Rückplattenmaterial ausgeübt wird.