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Die Erfindung betrifft einen mikro-elektromechanischen Resonator und ein Verfahren zum Herstellen eines mikro-elektromechanischen Resonators, insbesondere im Bereich mikro-elektromechanischer Drucksensoren und Differenzdrucksensoren.
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Stand der Technik
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Mikro-elektromechanische Strukturen (MEMS, „micro-electromechanical systems“) werden für verschiedene Anwendungen eingesetzt, beispielsweise für miniaturisierte Sensoren, Aktoren oder Taktgeber. Derartige mikro-elektromechanische Strukturen können insbesondere auf der Basis des sogenannten APSM-Verfahrens („Advanced Porous Silicone Membrane“) hergestellt werden, wie beispielsweise in den Druckschriften
EP 1 306 348 B1 ,
WO 02/02458 A1 ,
DE 10 2004 036 032 A1 ,
DE 10 2004 036 035 A1 ,
EP 2 138 450 A1 ,
DE 100 65 026 A1 oder
DE 100 30 352 A1 beschrieben.
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Aus der Druckschrift Welham, C. J.; Greenwood, J.; Bertioli, M. M.: „A high accuracy resonant pressure sensor by fusion bonding and trench etching", Sensors and Actuators, vol. 76, pp. 298–304, 1999 ist ein Herstellungsverfahren für einen mikro-elektromechanischen Resonator bekannt.
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Es besteht jedoch ein Bedarf an mikro-elektromechanischen Resonatoren, die einfach und kostengünstig herzustellen sind, thermisch stabil sind, reproduzierbare und zeitlich konstante mechanische Eigenschaften aufweisen sowie eine hohe Frequenzauflösung besitzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt einen mikro-elektromechanischen Resonator, mit einem Halbleitersubstrat; einer Kaverne, welche in eine Oberfläche des Substrats eingebracht ist, und welche Wände aus oxidiertem Substratmaterial aufweist; einer monokristallinen Halbleiterschicht, welche an der Oberfläche des Halbleitersubstrats über der Kaverne ausgebildet ist; und einer Vielzahl von Gräben, welche durch die monokristalline Halbleiterschicht in die Oberfläche des Halbleitersubstrats bis zur Kaverne ausgebildet sind, und welche mindestens eine flächige Resonatorstruktur der monokristallinen Halbleiterschicht gegenüber dem Halbleitersubstrat freistellen, wobei die Resonatorstruktur an Aufhängepunkten mit der umgebenden monokristallinen Halbleiterschicht oder dem Halbleitersubstrat über Stege aus oxidiertem Halbleitermaterial angekoppelt ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung einen Drucksensor, mit einem erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Resonator, wobei eine Ausnehmung in einer der Halbleiterschicht abgewandten Oberfläche des Halbleitersubstrats zur Ausbildung einer Druckmembran unter der Kaverne ausgebildet ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Herstellen eines mikro-elektromechanischen Resonators, mit den Schritten des Porösizierens eines unterhalb einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats liegenden Kavernenbereichs, des Herauslösens des porösizierten Halbleitermaterials aus dem Kavernenbereich zur Bildung einer Kaverne in dem Halbleitersubstrat, des Aufbringens einer monokristallinen Halbleiterschicht über der Kaverne, des Einbringens mindestens eines Oxidationsgrabens in die monokristalline Halbleiterschicht über der Kaverne, des Oxidierens der monokristallinen Halbleiterschicht sowie der Wände der Kaverne durch den Oxidationsgraben, und des Einbringens von Gräben in die monokristallinen Halbleiterschicht zum Freistellen einer flächigen Resonatorstruktur in der monokristallinen Halbleiterschicht über der Kaverne, wobei die Resonatorstruktur an Aufhängepunkten mit der umgebenden monokristallinen Halbleiterschicht oder dem Halbleitersubstrat über Stege aus oxidiertem Halbleitermaterial angekoppelt ist.
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Vorteile der Erfindung
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Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, eine elektrisch betreibbare Membranstruktur mit einem Resonatorkörper aus monokristallinem Halbleitermaterial zu schaffen, welcher beispielsweise durch mechanisch einkoppelbare Spannung in seiner Resonanzfrequenz veränderbar ist. Dieser Resonatorkörper kann über einen APSM-Prozess in monokristalliner Bauweise derart realisiert werden, dass er elektrisch von den umgebenden Halbleiterschichten isoliert ist.
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Ein erheblicher Vorteil dieses Resonators besteht darin, dass dessen Resonanzfrequenz durch die verwendeten Materialien thermisch stabil ist, da der Werkstoffverbund in dem Resonator die Längenausdehnungen des Resonatorkörpers nahezu konstant hält. Darüber hinaus entstehen durch die monokristalline Bauweise des Resonatorkörpers keine oder fast keine Energieverluste in das Trägersubstrat. Die mechanischen Eigenschaften des Resonatorkörpers sind dadurch ebenfalls nahezu konstant, was zu reproduzierbaren Frequenzmessungen an dem Resonatorkörper führt.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Resonators können sich die Stege vertikal zur Oberfläche des Halbleitersubstrats von der Resonatorstruktur durch die Kaverne bis zum Halbleitersubstrat erstrecken. Gemäß einer alternativen Ausführungsform können sich die Stege parallel zur Oberfläche des Halbleitersubstrats von der Resonatorstruktur über die Gräben bis zur umgebenden monokristallinen Halbleiterschicht erstrecken. In beiden Fällen kann eine mechanisch stabile, aber dielektrisch isolierende Aufhängung der Resonatorstruktur erfolgen. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, beliebige Potentiale an die Resonatorstruktur anzulegen, da sie elektrisch von dem Halbleitersubstrat entkoppelt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Resonators kann die Resonatorstruktur eine langgestreckte Form aufweisen. Dabei können zwei Stege vorgesehen sein, die jeweils an zwei Aufhängungspunkten angebracht sind, welche als Knotenpunkte einer stehenden Welle einer vorbestimmten Resonatorfrequenz in der Resonatorstruktur dienen. Auf diese Weise kann der Resonator schwingen, ohne dass ein nennenswerter Betrag an Schwingungsenergie in das Halbleitersubstrat oder die Halbleiterschicht abgegeben werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Resonators kann der Resonator weiterhin eine flächige Elektrodenstruktur der monokristallinen Halbleiterschicht aufweisen, welche durch die Gräben gegenüber dem Halbleitersubstrat freigestellt ist, und welche eine einer Seitenfläche der Resonatorstruktur benachbarte Seitenfläche aufweist. Dies stellt eine vorteilhafte Möglichkeit zur Anregung der Resonatorstruktur bereit.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Resonators kann der Resonator eine erste Kammstruktur, welche an einer zu der Elektrodenstruktur benachbarten Seitenfläche der Resonatorstruktur ausgebildet ist, und eine zweite Kammstruktur aufweisen, welche an einer zu der Resonatorstruktur benachbarten Seitenfläche der Elektrodenstruktur ausgebildet ist. Dabei können die erste und zweite Kammstruktur parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats ineinander verzahnt sein. Dies erlaubt es in vorteilhafter Weise, bereits bei geringem Potentialunterschied einen möglichst großen Kraftübertrag auf die Resonatorstruktur zu erwirken, was die Empfindlichkeit und Frequenzauflösung des Resonators erheblich verbessert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Resonators kann die Elektrodenstruktur über Stege aus oxidiertem Halbleitermaterial parallel zur Oberfläche des Halbleitersubstrats an die umgebende monokristalline Halbleiterschicht angekoppelt sein. Dadurch kann auch die Elektrodenstruktur elektrisch von dem Halbleitersubstrat entkoppelt und mit beliebigem Potential beaufschlagt werden. Dies erhöht den dynamischen Messbereich des Resonators in vorteilhafter Weise.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors kann eine Auslenkung der Druckmembran senkrecht zur Oberfläche des Halbleitersubstrats eine mechanische Spannung in den Aufhängepunkten der Resonatorstruktur bedingen. Dadurch kann die Resonanzfrequenz der Resonatorstruktur in Abhängigkeit eines auf die Druckmembran wirkenden Drucks verändert und entsprechend gemessen werden. Durch dieses Messprinzip für den Druck wirken sich bei gleichzeitig verringertem Schaltungsaufwand resistive oder kapazitive Parasitäten nur in geringem Maß auf die Druckmessung durch die Resonatorstruktur aus.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors kann der mikro-elektromechanische Resonator eine Kappenstruktur aufweisen, welche über der Resonatorstruktur zur Ausbildung eines Kappenhohlraums zwischen der Kappenstruktur und der monokristallinen Halbleiterschicht angeordnet ist. Dies schirmt einerseits die Resonatorstruktur gegenüber Umwelteinflüssen wie Partikelpenetration oder Feuchtigkeit ab. Andererseits kann gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors die Kappenstruktur mechanische Kontaktpunkte mit den Aufhängepunkten der Resonatorstruktur zum Einkoppeln von Druckkräften auf die Kappenstruktur in die Resonatorstruktur aufweisen. Dies ermöglicht es in vorteilhafter Weise die Kappenstruktur als zweite Druckmembran zu nutzen und so einen Differenzdrucksensor für die Messung der Differenz der Drücke auf beiden Seiten des Halbleitersubstrats zu schaffen, da die Kappenstruktur mit der Druckmembran mechanisch zusammenwirkt und einen von dem Differenzdruck abhängigen Nettokrafteintrag in die Aufhängepunkte der Resonatorstruktur bewirkt.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Porösizieren des Kavernenbereichs ein Porösizieren benachbarter und durch vertikal zur Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildete Stege getrennter Kavernenteile umfassen. Dabei kann das Oxidieren der Wände der Kaverne das vollständige Durchoxidieren der ausgebildeten Stege umfassen. Dies ermöglicht das verfahrenstechnisch einfache und robuste Ausbilden von dielektrisch isolierenden mechanischen Verbindungen zwischen den Aufhängepunkten der Resonatorstruktur und dem Halbleitersubstrat.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin die Schritte des Ausbildens einer Verschlussoxidschicht über der monokristallinen Halbleiterschicht, und des Strukturierens der Verschlussoxidschicht zum Ausbilden von Stegen, welche sich parallel zur Oberfläche des Halbleitersubstrats von der Resonatorstruktur über die Gräben bis zur umgebenden monokristallinen Halbleiterschicht erstrecken, umfassen. Diese Schritte können einerseits zum Verschluss der Kaverne als Referenzdruckkammer für einen Drucksensor und andererseits gleichzeitig für die dielektrisch isolierende Anbindung der Aufhängepunkte der Resonatorstruktur mit der Halbleiterschicht sorgen. Vorteilhafterweise können beim Einbringen der Gräben in die monokristalline Halbleiterschicht Stege in der monokristallinen Halbleiterschicht parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats belassen werden, die dann bei der Ausbildung der Verschlussoxidschicht mitoxidiert werden können.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. Richtungsangaben wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „über“, „unter“, „neben“, „vor“, „hinter“, „vertikal“, „horizontal“, „lateral“ oder dergleichen sind in der folgenden Beschreibung lediglich zu erläuternden Zwecken verwendet und stellen keine Beschränkung der Allgemeinheit dar.
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Es zeigen:
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1 bis 7 schematische Darstellungen von Zwischenprodukten eines ersten Herstellungsprozesses für einen erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Resonator in Querschnittsansicht;
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8 eine schematische Darstellung eines mikro-elektromechanischen Resonators in Draufsicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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9 eine schematische Darstellung eines mikro-elektromechanischen Resonators in Draufsicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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10 eine schematische Darstellung eines mikro-elektromechanischen Resonators in Draufsicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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11 eine schematische Darstellung eines mikro-elektromechanischen Resonators in Draufsicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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12 bis 15 schematische Darstellungen von Detailansichten einer Herstellung des erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Resonators aus 11;
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16 eine schematische Darstellung einer Ansteuerschaltung für einen mikro-elektromechanischen Resonator gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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17 eine schematische Darstellung einer Ansteuerschaltung für einen mikro-elektromechanischen Resonator gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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18 eine schematische Darstellung einer Ansteuerschaltung für einen mikro-elektromechanischen Resonator gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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19 bis 25 schematische Darstellungen von Zwischenprodukten eines zweiten Herstellungsprozesses für einen erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Resonator in Querschnittsansicht;
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26 bis 36 schematische Darstellungen von Zwischenprodukten eines dritten Herstellungsprozesses für einen erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Resonator in Querschnittsansicht;
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37 eine schematische Darstellung eines mikro-elektromechanischen Resonators in Draufsicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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38 eine schematische Darstellung eines mikro-elektromechanischen Resonators in Draufsicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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39 eine schematische Darstellung einer Ansteuerschaltung für einen mikro-elektromechanischen Resonator gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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40 eine schematische Darstellung einer Ansteuerschaltung für einen mikro-elektromechanischen Resonator gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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41 eine schematische Darstellung eines mikro-elektromechanischen Resonators in Querschnittsansicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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42 eine schematische Darstellung eines mikro-elektromechanischen Resonators in Querschnittsansicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
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43 eine schematische Darstellung eines mikro-elektromechanischen Resonators in Draufsicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Zwischenprodukts in der Herstellung eines mikro-elektromechanischen Resonators in Querschnittsansicht. Wie in
1 gezeigt, werden gemäß dem aus der
DE 100 32 579 A1 bekannten Verfahren wird mit Hilfe eines Ätzmediums, das unmaskierte Oberflächenbereiche eines Halbleitersubstrats
1, beispielsweise eines monolithischen Siliziumsubstrats
1, angreift, ein poröser Schichtbereich im Substrat erzeugt, der an die Substratoberfläche angrenzt. Die Ausdehnungsgeschwindigkeit der Poren lässt sich durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen der Oberseite und der Unterseite des Substrats und durch geeignete Einstellung der elektrischen Feldstärke während des Ätzangriffs beeinflussen, durch sogenanntes Anodisieren. Beispielsweise kann auch durch Erhöhen der elektrischen Feldstärke unterhalb des ersten Schichtbereichs ein zweiter poröser Schichtbereich erzeugt werden, dessen Porosität größer ist als die Porosität des ersten Schichtbereichs. In einem anschließenden Temperaturschritt ordnen sich die Poren im zweiten Schichtbereich so um, dass eine einzige große Pore, d.h. eine Kaverne, unterhalb des ersten Schichtbereichs entsteht. Zumindest die Poren auf der Oberseite des ersten Schichtbereichs werden durch den Temperaturschritt weitgehend verschlossen. Dadurch ist es möglich, auf diesem ersten Schichtbereich eine weitgehend monokristalline Halbleiterschicht
2, beispielsweise eine Siliziumschicht
2, als Membranschicht abzuscheiden, beispielsweise über einen Epitaxieschritt.
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Die Bereiche porösen Siliziums können aus dem Halbleitersubstrat 1 herausgelöst werden, so dass eine Hohlraumkaverne 3 unterhalb der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 entsteht. Diese Kaverne 3 kann durch selektives Porösizieren in verschiedene Kavernenteile geteilt sein, die durch entsprechende vertikal, das heißt senkrecht zur Oberfläche des Halbleitersubstrats 1, ausgerichtete Stege 4 voneinander getrennt sind. Diese Stege 4 können längs verlaufende Stegbahnen oder punktuell eingebrachte Stegsäulen darstellen, je nach selektiver Porösizierung bzw. Maskierung des Halbleitersubstrats 1.
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Wie in 2 gezeigt, kann in der monokristallinen Halbleiterschicht 2 ein Oxidationsgraben eingebracht werden, durch welchen eine thermische Oxidation der zugänglichen Bereiche, speziell der Innenwände 3a der Kaverne 3, der Stege 4 sowie der Oberfläche der monokristallinen Halbleiterschicht 2. Dadurch wird einerseits eine Oxidschicht 5 auf der Oberfläche der monokristallinen Halbleiterschicht 2 gebildet. Diese Oxidschicht 5 kann im Bereich der Oxidationsgräben optional mit einem Oxidgitter 5a verschlossen werden, durch dass die Oxidationsgräben eingebracht werden können. Dies ermöglicht ein späteres leichteres Verschließen der Oxidationsgräben. Die Stege 4 sind dabei derart dimensioniert, dass sie in dem Oxidationsschritt vollständig zu Stützstegen 4a durchoxidiert werden. Dadurch erfolgt eine dielektrische Isolierung der darüber liegenden Halbleiterschicht 2 gegenüber dem darunter liegenden Halbleitersubstrat 1 im Bereich der oxidierten Stege 4a. Die Unterseite des Halbleitersubstrats 1 kann ebenfalls mit einer Oxidschicht 6 bedeckt werden.
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Wie in 3 gezeigt, kann zum Verschließen der Oxidationsgräben auf der Oxidschicht 5 eine Verschlussschicht 7 aufgebracht werden, beispielsweise eine Oxidschicht, einen Nitridschicht, eine Polysiliziumschicht oder eine metallische Schicht. Dies kann über geeignete Prozesse wie etwa CVD, PVD oder andere Abscheideverfahren erfolgen.
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Wie in 4 gezeigt, können die Verschlussschicht 7 und die Oxidschicht 5 durch Einbringen von Gräben 9 bzw. 8a strukturiert werden. Im Bereich der Gräben 8a kann eine Metallisierungsschicht 8 die Halbleiterschicht 2 kontaktieren. Die Metallisierungsschicht 8 kann über die Verschlussschicht 7 hinweg zur elektrischen Anbindung der Halbleiterschicht 2 an externe Zuleitungen geführt werden. Dabei kann es auch möglich sein, die Metallisierungsschicht 8 im Bereich der Oxidationsgräben als Verschlussschicht für die Oxidgitter 5a zu nutzen. Weiterhin werden Gräben 9 in anderen Bereichen der Verschlussschicht 7 sowie der Oxidschicht 5 über der Kaverne 3 eingebracht. Diese Gräben 9 dienen zur späteren Freistellung einer Resonatorstruktur aus der Halbleiterschicht 2. Der entsprechende Trenchprozess, beispielsweise über eine Lackmaske, durch die Halbleiterschicht 2 im Bereich der Gräben 9 zur Ausbildung der durch die Halbleiterschicht 2 in die Kaverne 3 reichenden Gräben 9a ist in 5 dargestellt. Die Oxidschicht 3a der Kavernenwand im Bereich der Gräben 9a kann beispielsweise durch einen Oxidätzschritt, beispielsweise mit einem CF4-Plasma, entfernt werden.
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6 und 7 zeigen zwei Alternativen für die Ausbildung einer Kappenstruktur über der aktiven Oberfläche des Halbleitersubstrats 1, die in beiden Fällen zum Schutz gegen das Eindringen von Partikeln oder Feuchtigkeit in den Resonator dient. In 6 ein Kappenhohlraum 10 wird durch eine Siliziumkappe 11 gebildet, die über eine Abdichtglas 12 mit einem Bondpad der Verschlussschicht 7 gebondet werden kann. Anstatt eines Abdichtglases kann auch ein eutektischer Bond durchgeführt werden. Gemäß 7 kann eine Glaskappe 13 als Kappenstruktur gewählt werden, welche über anodisches Bonden an eine dotierte Leiterbahn 14 in der Halbleiterschicht 2 angebunden werden kann. Dazu kann im Bereich des Bonds die Metallisierungsschicht 8 durch die Verschlussschicht 7 und die Oxidschicht 5 auf die Leiterbahn 14 geführt werden. Diese Zuleitung 8b kann die Dichtigkeit der Kappenstruktur 13 weiter verbessern.
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8, 9 10 und 11 zeigen prinzipielle Varianten eines mikro-mechanischen Resonators, welcher beispielsweise über die in 1 bis 7 dargestellten beispielhaften Verfahrensschritte hergestellt werden kann, in Draufsicht. Insbesondere die Schnittlinie AA‘, wie in den 8 bis 11 angedeutet entspricht dabei der Schnittansicht in 5.
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In der Halbleiterschicht 2 ist eine Resonatorstruktur 15 mit einer ersten Kammstruktur 15a durch die Gräben 9 und 9a freigestellt. Die Anbindung der Resonatorstruktur 15 erfolgt über Aufhängepunkte, welche mit dem Halbleitersubstrat 1 über Stege 4a, die sich vertikal zur Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 von der Resonatorstruktur 15 durch die Kaverne bis zum Halbleitersubstrat 1 erstrecken. Gezeigt sind jeweils zwei flächige, längsgestreckte Biegebalken-Resonatorstrukturen auf beiden Seiten einer mittleren, flächigen Elektrodenstruktur 16 mit einer Mittenelektrode 16a, die ebenfalls auf beiden Seiten, in Richtung der Resonatorstrukturen 15 zeigende Kammstrukturen aufweist. Die beiden Kammstrukturen 15a an den Seitenflächen der Resonatorstrukturen 15 sind mit der Kammstruktur an den Seitenflächen der Mittenelektrode 16a der Elektrodenstruktur parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 ineinander verzahnt.
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Wenn eine Potentialdifferenz zwischen den Kammstrukturen durch entsprechende Beaufschlagung der Resonatorstrukturen 15 und der Elektrodenstruktur 16 mit Spannung über die Metallisierungsschichten 8 erfolgt, können die Resonatorstrukturen 15 zu Schwingungen angeregt werden. Die Metallisierungsschichten 8 sind als entsprechende Zuleitungen über Bereiche 7a der Verschlussschicht 7 über die Gräben 9, 9a zu den Resonatorstrukturen 15 geführt.
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Dabei ist es vorteilhafterweise vorgesehen, dass zwei Stege 4a implementiert sind, die jeweils an zwei Aufhängepunkten angebracht sind, welche als Knotenpunkte einer stehenden Welle einer vorbestimmten Resonatorfrequenz in den Resonatorstrukturen 15 dienen. Durch die Aufhängung an den zwei Aufhängepunkten kann beispielsweise ein sogenannter Free-Free-Beam (FF-Beam) realisiert werden, welcher Dimensionen aufweist, die zwischen jedem der Aufhängepunkte und den jeweiligen Enden der Biegebalken-Resonatorstrukturen 15 den Abstand einer Viertelwellenlänge der jeweiligen Resonatorfrequenz und zwischen den Aufhängepunkten selbst den Abstand einer Halbwellenlänge der jeweiligen Resonatorfrequenz entspricht. Auf diese Weise kann bei punktförmiger Aufhängung der Biegebalken-Resonatorstrukturen 15 ein Nulldurchgang der Schwingungen in den Aufhängepunkten realisiert werden, so dass der Energieübertrag in das Halbleitersubstrat 1 im Wesentlichen Null beträgt.
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Die Mittenelektrode 16a in 8 kann optional ebenfalls über einen oxidierten Steg 4a in der Mitte der Mittenelektrode 16a mit dem Halbleitersubstrat 1 elektrisch isolierend verbunden sein. Wie in 9 gezeigt, kann es alternativ möglich sein, die Mittenelektrode 17 als von der umgebenden Membranstruktur entkoppelt auszubilden, und ebenfalls über einen Verschlussschichtübergang 7a an die Halbleiterschicht 2 anzubinden.
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In 10 und 11 sind jeweils den 8 und 9 ähnliche Resonatoren gezeigt, die allerdings statt vertikaler Stege 4a laterale Stege 18 aus oxidiertem Halbleitermaterial parallel zur Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 zur Anbindung an die umgebende Halbleiterschicht 2 aufweisen. In 19 ist zudem der komplette Rahmen 19 der Membranstruktur zur Verbesserung der mechanischen Stabilität der Geometrie der Resonatorstrukturen 15 und der Mittenelektrode 17 angepasst. Selbstverständlich sind die in 8 bis 11 gezeigten Geometrien für die Resonatorstrukturen 15 und der Mittenelektrode 17 bzw. Elektrodenstruktur 16 nur beispielhafter Natur und es können viele andere Formen und Ausgestaltungen für die Membranstruktur vorgesehen sein. Zum Beispiel können weitere Resonatorgeometrien wie Clamped-Clamped-Beams, Clamped-Free-Beams, Double-ended tuning forks (DETF) oder scheibenförmige Resonatoren hergestellt werden.
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Die Herstellung der lateralen Stege 18 ist in Bezug auf den Detailbereich DE in 11 in den 12 bis 15 genauer erläutert. Beim Einbringen der Gräben 9, 9a in die Halbleiterschicht 2 um die Resonatorstrukturen 15 herum können Gräbenabschnitte 21 gebildet werden, die die Resonatorstrukturen 15 von der umgebenden Membranstruktur 19 durch schmale Stege 18a aus Halbleitermaterial trennen. In einem Oxidationsschritt können die freigestellten Resonatorstrukturen 15 an ihrer Oberfläche oxidiert werden. Gleichzeitig erfolgt eine vollständige Oxidation der schmalen Stege 18a, so dass Stege 18 aus oxidiertem Halbleitermaterial gebildet werden, die die Resonatorstrukturen 15 dielektrisch von der umgebenden Membranstruktur 19 isolieren. Die Schwingungen F der Resonatorstrukturen 15 erfolgen dann um die Aufhängepunkte, die durch die Lage der Stege 18 definiert sind.
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Alternativ – und wie in 14 und 15 gezeigt – ist es möglich kleine Gräbenöffnungen 22 mittels Ätzschritten in den Schaftbereich der Stege 18a aus Halbleitermaterial einzubringen, um diese Gräbenöffnungen 22 über den Oxidationsschritt vollständig durchzuoxidieren, und somit eine dielektrische Isolationsbarriere zwischen den Resonatorstrukturen 15 und der umgebenden Membranstruktur 19 zu schaffen. Der Steg selbst bleibt dabei aus Halbleitermaterial bestehen und weist an der verjüngten Stelle eine höhere mechanische Stabilität auf.
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Drei mögliche Ansteuerschaltungen für einen mikro-elektromechanischen Resonator wie beispielsweise in den 8 bis 11 dargestellt, werden in den 16 bis 18 gezeigt. Dabei kann im einfachsten Fall der Resonator R über einen Verstärker V in Rückkopplung geschaltet werden, so dass sich nach einer Einschwingzeit der Resonator R selbst schmalbandig auf die Resonatorfrequenz am Ausgang des Verstärkers V filtert. Dieses Ausgangssignal des Verstärkers V kann mittels eines Puffers P von der übrigen Schaltung elektronisch entkoppelt. Am Ausgang des Puffers kann dann das frequenzabhängige Resonatorfrequenzsignal f abgegriffen werden. Der Verstärker V kann dabei so dimensioniert werden, dass die Verstärkung während der Einschwingzeit des Resonators R größer und nach der Einschwingzeit gleich der im Resonator R erzeugten Verluste ist, um ein stabiles Resonatorfrequenzsignal f erzeugen zu können.
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Dazu kann die Schaltung in 16 beispielsweise wie in 17 gezeigt über eine Amplitudendetektionsstufe AD am Ausgang des Verstärkers V, welche eine Vorspannungsschaltung BS zur Regelung der Verstärkerleistung des Verstärkers V regelt. Über eine Temperaturkompensationsstufe TK können Temperatur- und damit Frequenzschwankungen des Resonators R über die Verstärkerleistungsregelung ausgeglichen werden.
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Um ein digitales Ausgabesignal zu erzeugen kann der Ausgang des Puffers mit einem ΣΔ-Modulator SD gekoppelt werden, welcher über eine programmierte Frequenz fg gespeist wird und eine digitale Temperaturkompensation über eine digitale Temperaturkompensationsstufe DTK berücksichtigen kann. Durch die Verwendung einer ΣΔ-Modulatorstufe, beispielsweise als ΣΔ-PLL, kann zusätzlich eine fertigungsbedingte Frequenzstreuung digital kompensiert werden. Außerdem können digital höhere Ausgangsfrequenzen auf der Basis des Eingangssignals erzeugt werden.
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In den 19 bis 25 sind weitere schematische Darstellungen von Zwischenprodukten in der Herstellung eines mikro-elektromechanischen Resonators gemäß einer weiteren Ausführungsform in Querschnittsansicht illustriert. Zu Beginn wird wie in 19 gezeigt ein Halbleitersubstrat 1 mit einer n-dotierten Gittermaske 23a versehen. Auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 kann zudem eine passivierende Nitridschicht 23 abgeschieden und strukturiert werden. Ein selektiver Anodisierschritt wie im Zusammenhang mit 1 erläutert führt zu einer Bildung von porösizierten Kavernenabschnitten im Halbleitersubstrat 1, gegebenenfalls mit Stützstegen 4 wie durch die n-dotierte Gittermaske 23a vorgegeben.
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Auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 kann dann nach Ablösung der Nitridschicht 23 eine Epitaxieschicht 24 aufgewachsen werden, welche ihrerseits mit einer Oxidschicht 5 bedeckt werden kann, beispielsweise über einen thermischen Oxidationsschritt. In der Oxidschicht 5 kann wiederum eine Trenchöffnung, optional mit einem Oxidschichtgitter 5a wie in 2 vorgesehen werden. Das Einbringen von Oxidationsgräben 9a, das Oxidieren der Kavernenabschnittswände 3a sowie das oberflächige Strukturieren der Epitaxieschicht 24 mit Verschlussschicht 7 und Metallisierungsschicht 8 kann in den 21 bis 25 wie im Zusammenhang mit den 2 bis 6 erläutert ablaufen. Dabei kann – wie in 24 gezeigt – an der Unterseite des Halbleitersubstrats 1 eine Ausnehmung 25 eingebracht werden, beispielsweise durch einen zeitlich befristet Ätzschritt, um eine vorgegebene Trenchtiefe zu erhalten. Die Trenchtiefe definiert die Dicke einer Druckmembran 26 zwischen der Kaverne 3 und der Ausnehmung 25.
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Die Druckmembran 26 kann als mechanisches Bindeglied zwischen den Aufhängepunkten einer Resonatorstrukturen und einem an der Druckmembran 26 anliegenden Umgebungsdruck verwendet werden. Der mithilfe der in 19 bis 25 dargestellten Schritte hergestellte Resonator kann somit in einem Drucksensor Verwendung finden.
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Wiederum kann die in 25 dargestellte Verkappung des Resonators auch analog zu 7 mit einer Glaskappe 13 statt einer Sililziumkappe 11 vorgenommen werden.
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In den 26 bis 36 sind weitere schematische Darstellungen von Zwischenprodukten in der Herstellung eines mikro-elektromechanischen Resonators in Querschnittsansicht gemäß einer weiteren Ausführungsform illustriert. Der zugrunde liegende Wafer mit dem Halbleitersubstrat 1 kann in 26 ein Silizium-auf-Isolator-Wafer („silicon on insulator“, SOI-Wafer) sein, welcher eine funktionale Schicht („device layer“) 28 auf einer vergrabenen Oxidschicht („buried oxide“) 27 aufweist. Wie in den 27 und 28 gezeigt, können erste Dotierungsbereiche 30 im Bereich um eine Trenchöffnung 29 in der SOI-Wafer eingebracht werden, welche in eine auf der funktionalen Schicht 28 aufgebrachte monokristalline Halbleiterschicht 31, beispielsweise eine Epitaxieschicht, ausdiffundiert werden, wie im Bereich 30a angedeutet. Eine zweite Dotierungswanne 32 bildet schließlich den Bereich, in dem die Kaverne 3 eingebracht werden kann.
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In den 29 bis 35 sind schließlich den 19 bis 25 ähnliche Zwischenprodukte auf der Basis eine SOI-Wafers gezeigt. Für die Herstellungsprozesses der Zwischenprodukte in den 29 bis 35 gelten ähnliche Ausführungen wie im Bezug auf die 19 bis 25 bzw. 2 bis 7 getroffen worden sind. Dabei ist zu beachten, dass der Anodisierungsschritt in 29 einen Stromfluss 33 durch die strukturierte Dotierungswanne 32 und den Dotierungspfropf 29a in das Halbleitersubstrat 1 bedingt. Damit kann auch bei vorhandener vergrabener Oxidschicht 27 eine Anodisierung erfolgen. Die vergrabene Oxidschicht 27 hat auf der anderen Seite den Vorteil, dass sie als Ätzstoppschicht für den Ätzschritt der Ausnehmung 25 verwendet werden kann, wie in 34 dargestellt. Dadurch kann die Druckmembran 26 über die Dicke der vergrabenen Oxidschicht 27, der funktionalen Schicht 28 und der Epitaxieschicht 31 sowie die Tiefe der Kaverne 3 sehr genau eingestellt werden. Eine derartige Druckmembran 26 kann im Regelfall dünner und damit wesentlich empfindlicher implementiert werden.
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37 und 38 zeigen zwei Varianten für Membranstrukturen von Resonatoren, welche im Wesentlichen den in Bezug auf die 9 und 11 erläuterten Strukturen entsprechen. Angedeutet mit gestrichelten Linien 15T die Auslenkungen den Biegebalken-Resonatorstrukturen 15, welche an den Aufhängepunkte über jeweilige isolierende Stege 18 bzw. 4a mit dem Halbleitersubstrat 1 oder der Halbleiterschicht 24 bzw. 34 gekoppelt sind. Die gesamte Membranstruktur ist in ihrer Größe an die Geometrie der Resonatorstrukturen 15 bzw. deren Aufhängepunkte angepasst, so dass im Bereich der Aufhängepunkte die größten Auslenkungen der Druckmembranen 26 durch einen externen Druck zu erwarten sind. Damit kann die Auflösung eines den Resonator beinhaltenden Drucksensors erheblich erhöht werden.
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In den 39 und 40 sind zwei mögliche Ausführungsformen von Ansteuerschaltungen für Drucksensoren wie in den 37 und 38 gezeigt dargestellt. 39 zeigt den Drucksensor 100, dessen druckabhängiges Ausgangssignal fp durch einen Zähler CT detektiert werden kann, welcher die Frequenz der Nulldurchgänge np des Ausgangssignals fp zählt und in einen digitalen Signalprozessor DSP einspeist. Der Signalprozessor DSP wiederum kann das Zählersignal np mit in einem Festwertspeicher M oder einer Nachschlagetabelle gespeicherten Referenzwert vergleichen und ein digitales Ausgangssignal x erzeugen, welches Informationen über den gemessenen Druck an der Druckmembran 26 enthält.
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Als Alternative dazu kann wie in 40 gezeigt eine analoge Endstufe verwendet werden, welche das druckabhängige Ausgangssignal fp in einem Mischer MX aufnimmt, mit einer Referenzfrequenz eines Lokaloszillators aufmischt und zwei Frequenzen zweiter Ordnung erzeugt. Über einen Bandpassfilter BP kann eine der Frequenzen zweiter Ordnung isoliert und in einem Frequenz-Amplituden-Umsetzer TF in ein analoges Ausgangssignal umgesetzt werden. Die Referenzfrequenz des Lokaloszillators kann dabei beispielsweise als Resonatorfrequenz des Drucksensors bei Normaldruck entsprechen.
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Wie in den 41 bis 43 gezeigt, kann der Resonator auch in einem Differenzdrucksensor eingesetzt werden. 41 zeigt dabei die Querschnittsansicht entlang der Querschnittslinie BB‘ in 43, und 42 diejenige der Querschnittslinie AA‘ in 43. Für die Ausführung als Differenzdrucksensor kann die Kappenstruktur 11 selbst als Druckmembranstruktur eingesetzt werden, welche den an der Kappenstruktur 11 anliegenden Außendruck über Ankoppelpunkte 12a, welche mit der Membranstruktur 19 in 43 gekoppelt sind, an den Resonator weitergibt. Aus den beiden Krafteinträgen durch die unterseitige Druckmembran 26 und die Kappenstruktur 11 in die Membranstruktur 19 und speziell die Resonatorstrukturen 15 kann der Nettokrafteintrag und somit der Differenzdruck zwischen dem unterseitigen Druck p und dem Druck auf die Kappenstruktur 11 bestimmt werden. Dabei stellt es sich als Vorteil heraus, dass die Kappenstruktur 11 zuverlässig bei Druckbeaufschlagung belastet werden kann und keine Zugkräfte in die Ankoppelpunkte 12a einspeist, was die Integrität der Membranstruktur beeinträchtigen könnte.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1306348 B1 [0002]
- WO 02/02458 A1 [0002]
- DE 102004036032 A1 [0002]
- DE 102004036035 A1 [0002]
- EP 2138450 A1 [0002]
- DE 10065026 A1 [0002]
- DE 10030352 A1 [0002]
- DE 10032579 A1 [0041]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Welham, C. J.; Greenwood, J.; Bertioli, M. M.: „A high accuracy resonant pressure sensor by fusion bonding and trench etching“, Sensors and Actuators, vol. 76, pp. 298–304, 1999 [0003]
