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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche mikromechanischen Bauelemente und Verfahren zu deren Herstellung sind allgemein bekannt. Beispielsweise sind Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren wie beispielsweise Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren allgemein bekannt.
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Bei den bekannten Anordnungen sind mikroelektromechanische (MEMS-) Strukturen beispielsweise derart an das Substrat eines MEMS-Elements angebunden, dass beispielsweise das Eingießen eines MEMS-Elements in eine Moldmasse und/oder das Auflöten des MEMS-Elements auf eine Leiterplatte zu Substratverbiegungen, Verbiegungen einzelner MEMS-Strukturen und/oder zu ungewünschten Fehlsignalen der MEMS-Sensoren führen kann. Weiterhin können äußere Schwingungen derart in die MEMS-Strukturen eingekoppelt werden, dass ungewünschte Fehlsignale hervorgerufen werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Eigenfrequenzen in einem Frequenzbereich der äußeren Schwingungen bzw. Störschwingungen liegen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements bereitzustellen, wobei das mikromechanische Bauelement vergleichsweise unempfindlich gegenüber Verbiegungen und von außen eingekoppelten Schwingungen ist sowie kostengünstiger herstellbar ist.
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Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch die Anordnung des ersten Teilelements an dem zweiten Teilelement das mikromechanische Bauelement vergleichsweise unempfindlich gegenüber äußere mechanische Spannungen ist. Insbesondere weist die Federanordnung ein Federmittel mit einer Federsteifigkeit auf, wobei die Federsteifigkeit und/oder eine Masse des zweiten Teilelements derart dimensioniert werden, dass das bewegliche Element von äußeren Schwingungen entkoppelt ist.
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Insbesondere bestehen die Federmittel zumindest teilweise oder vollständig aus einkristallinem Silizium, wobei hierdurch sehr geringe Vorauslenkungen der MEMS-Strukturen bzw. des beweglichen Elements realisiert werden.
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Insbesondere besteht das erste Teilelement des beweglichen Elements zumindest teilweise oder vollständig aus einem einkristallinen Siliziummaterial, wobei das erste Teilelement in dem ersten Herstellungsschritt beispielsweise aus einem einkristallinen Siliziumsubstrat herausgeätzt und freigestellt wird. Insbesondere besteht das zweite Teilelement zumindest teilweise oder vollständig aus einem Polysiliziummaterial, wobei das zweite Teilelement beispielsweise entlang der Normalrichtung – d.h. senkrecht zur Haupterstreckungsebene – über dem Substrat angeordnet ist, wobei insbesondere in dem zweiten Herstellungsschritt das zweite Teilelement aus einer Polysiliziumschicht gebildet wird. Insbesondere ist das bewegliche Element – insbesondere ausschließlich – über das Federmittel in der Polysiliziumschicht beweglich mit dem Substrat verbunden, wobei insbesondere über die Federn unterschiedliche Potentiale der MEMS-Struktur bzw. des ersten Teilelements nach außen geführt werden. Insbesondere ist das bewegliche Element hermetisch mit einem Kappenwafer oder mit einer Verkapselungsschicht verkapselt, wobei die Verkapselungsschicht insbesondere ein Polysiliziummaterial umfasst. Insbesondere ist die Verkapselungsschicht erfindungsgemäß bevorzugt eine Dünnschichtverkapselung, wobei es die Verwendung einer Dünnschichtverkapselung vorteilhaft ermöglicht, Sensoren mit vergleichsweise geringer Bauhöhe herzustellen und/oder auf Grund der vergleichsweise guten Entkopplung des beweglichen Elements von äußeren Spannungen gleichzeitig auch ein mikromechanisches Bauelement bzw. MEMS-Sensor mit vergleichsweise guter Leistung herzustellen.
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Erfindungsgemäß bedeutet eine Verbindung eines Elements mit dem Substrat hier beispielsweise eine mittelbare Verbindung des Elements mit dem Substrat, wobei ein oder mehrere Zwischenelement/e – beispielsweise eine Verbindungsschicht oder Oxidschicht – zwischen dem Element und dem Substrat angeordnet ist. Alternativ bedeutet eine Verbindung eines Elements mit dem Substrat hier beispielsweise eine unmittelbare Verbindung des Elements mit dem Substrat – d.h. beispielsweise ohne ein Zwischenelement zwischen dem Element und dem Substrat.
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Insbesondere ist das mikromechanische Bauelement ein mikromechanischer Sensor – beispielsweise ein Beschleunigungssensor, ein Drehratensensor, oder anderer Sensor. Insbesondere ist das mikromechanische Bauelement zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das bewegliche Element ein mit dem zweiten Teilelement verbundenes drittes Teilelement umfasst, wobei sich das dritte Teilelement hauptsächlich entlang einer weiteren Funktionsebene erstreckt, wobei die weitere Funktionsebene im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats angeordnet ist, wobei die weitere Funktionsebene von der Funktionsebene und von der Haupterstreckungsebene beabstandet ist, wobei die Funktionsebene entlang einer zur Haupterstreckungsebene im Wesentlichen senkrechten Normalrichtung zwischen der Haupterstreckungsebene des Substrats und der weiteren Funktionsebene angeordnet ist.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass das bewegliche Element ein drittes Teilelement aufweist, welches bevorzugt aus einem Polysiliziummaterial besteht, wobei insbesondere das dritte Teilelement zumindest teilweise oder vollständig aus einer weiteren Polysiliziumschicht gebildet ist. Beispielsweise ist das dritte Teilelement entlang der Normalrichtung bzw. entlang einer zur Normalrichtung parallelen Projektionsrichtung zwischen dem Substrat und dem zweiten Teilelement – insbesondere überlappend – angeordnet. Insbesondere ist zwischen dem zweiten und dritten Teilelement zumindest in Teilbereichen eine, insbesondere elektrisch isolierende, Verbindungsschicht bzw. Oxidschicht angeordnet. Insbesondere ist das aus dem Substrat herausgeätzte erste Teilelement bzw. sind die MEMS-Struktur mit dem dritten Teilelement gekoppelt – d.h. beispielsweise über die Verbindungsschicht miteinander verbunden. Insbesondere ist das bewegliche Element – insbesondere ausschließlich – über mindestens zwei Federmittel in der Polysiliziumschicht und/oder in der weiteren Polysiliziumschicht beweglich mit dem Substrat verbunden, wobei insbesondere über die Federn unterschiedliche Potentiale der MEMS-Struktur bzw. des ersten Teilelements nach außen geführt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Teilelement ein einkristallines Siliziummaterial aufweist, wobei das zweite Teilelement und/oder das dritte Teilelement ein Polysiliziummaterial aufweist. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Teilelement über eine Verbindungsschicht, insbesondere Oxidschicht, mit dem zweiten Teilelement verbunden ist.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass das zweite Teilelement aus einer mit dem Substrat verbundenen Funktionsschicht und/oder das dritte Teilelement aus einer mit der Funktionsschicht verbundenen weiteren Funktionsschicht gebildet ist/sind und das erste Teilelement aus dem Substratmaterial gebildet ist. Hierdurch wird vorteilhaft ein sich entlang einer zur Normalrichtung parallelen Projektionsrichtung durch die Funktionsebene und Haupterstreckungsebene und/oder weitere Funktionsebene erstreckendes bewegliches Element bereitgestellt, welches mittels der Federmittelanordnung an dem Substrat angebunden ist, wobei die Federmittelanordnung ausschließlich aus der Funktionsschicht und/oder aus der weiteren Funktionsschicht gebildet ist bzw. ausschließlich daraus gebildete Federmittel aufweist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das zweite Teilelement eine sich entlang einer zur Normalrichtung parallelen Projektionsrichtung erstreckende Schichtdicke aufweist, wobei das dritte Teilelement eine sich entlang der Projektionsrichtung erstreckende weitere Schichtdicke aufweist, wobei die weitere Schichtdicke größer als die Schichtdicke ist.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass die Schichtdicke zwischen 0,4 und 400 Mikrometer, bevorzugt zwischen 0,7 und 250 Mikrometer ganz besonders bevorzugt zwischen 0,8 und 200 Mikrometer, beträgt. Weiterhin ist beträgt die weitere Schichtdicke zwischen 10 Nanometer und 75 Mikrometer, bevorzugt zwischen 25 Nanometer und 30 Mikrometer, ganz besonders bevorzugt zwischen 50 Nanometer und 15 Mikrometer.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das bewegliche Element mittels der Federmittelanordnung, insbesondere ausschließlich, über das zweite Teilelement und/oder dritte Teilelement mit dem Substrat verbunden ist.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass die MEMS-Struktur bzw. das erste Teilelement intern– d.h. innerhalb einer Kaverne des mikromechanischen Bauelements – an dem freigestellten zweiten Teilelement – d.h. beispielsweise an einem als vergleichsweise dicke Polysiliziumplatte ausgebildeten zweiten Teilelement – angeordnet ist, wobei das zweite Teilelement über vergleichsweise weiche Federn mit dem Substrat verbunden ist. Somit werden vorteilhaft äußere mechanische Spannungen nicht über die vergleichsweise weichen Federn auf die MEMS-Struktur bzw. das erste Teilelement – oder das bewegliche Element insgesamt – übertragen. Somit ist das mikromechanische Bauelement vergleichsweise unempfindlich gegenüber mechanischen Spannungen und/oder äußeren Schwingungen, welche hierdurch vorzugsweise nicht eingekoppelt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Federmittelanordnung wenigstens zwei das bewegliche Element an das Substrat anbindende Federmittel umfasst, wobei die wenigstens zwei Federmittel sich hauptsächlich entlang der Funktionsebene und/oder weiteren Funktionsebene erstrecken.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass die Federsteifigkeit der wenigstens zwei Federmittel und/oder eine Masse des zweiten Teilelements derart dimensioniert werden, dass das bewegliche Element von äußeren Schwingungen entkoppelt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mikromechanische Bauelement ein Anschlussmittel aufweist, wobei das erste Teilelement, das zweite Teilelement und/oder das dritte Teilelement über die Federmittelanordnung elektrisch leitfähig mit dem Anschlussmittel verbunden sind.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass von dem beweglichen Element detektierte elektrische Signale über die Federmittelanordnung nach außen geführt werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem zweiten Herstellungsschritt ein sich hauptsächlich entlang einer weiteren Funktionsebene erstreckendes drittes Teilelement mit dem zweiten Teilelement verbunden wird, wobei die weitere Funktionsebene im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats angeordnet wird, wobei die weitere Funktionsebene von der Haupterstreckungsebene des Substrats und von der Funktionsebene beabstandet angeordnet wird, wobei die Funktionsebene entlang einer zur Haupterstreckungsebene im Wesentlichen senkrechten Normalrichtung zwischen der Haupterstreckungsebene des Substrats und der weiteren Funktionsebene angeordnet wird, wobei in dem dritten Herstellungsschritt das bewegliche Element aus dem ersten, zweiten und dritten Teilelement gebildet wird.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, ein vergleichsweise kostengünstiges und kleines mikromechanisches Bauelement bereitzustellen. Hierdurch wird ein mikromechanisches Bauelement mit vergleichsweise geringer Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Spannungen und/oder äußeren Schwingungen bereitgestellt. Insbesondere wird in dem zweiten Herstellungsschritt das dritte Teilelement aus einer weiteren Polysiliziumschicht gebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das bewegliche Element mittels der Federmittelanordnung, insbesondere nur, über das zweite Teilelement und/oder dritte Teilelement mit dem Substrat verbunden wird.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass das mikromechanische Bauelement unempfindlicher gegenüber äußeren Spannungen und/oder Störschwingungen sowie kostengünstiger hergestellt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in einem vierten Herstellungsschritt das mikromechanische Bauelement mittels eines Kapselmittels hermetisch verkapselt wird, wobei das Kapselmittel insbesondere aus einem Wafermaterial oder einem Polysiliziummaterial gebildet wird.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass bei Verwendung eines Kapselmittels aus einem Polysiliziummaterial ein mittels einer Dünnschichtverkapselung verkapseltes mikromechanisches Bauelement bereitgestellt wird, wobei das mikromechanische Bauelement einerseits eine vergleichsweise geringe Bauhöhe aufweist und andererseits auf Grund einer vergleichsweise guten Entkopplung äußerer Spannungen die Leistung des Sensors gesteigert werden kann.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1 und 2 verschiedene Ausführungsformen des mikromechanischen Bauelements der vorliegenden Erfindung,
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3 bis 16 ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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17 bis 28 ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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29 bis 31 verschiedene Ausführungsformen des mikromechanischen Bauelements der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In den verschiedenen Figuren werden eine zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats im Wesentlichen parallele erste Richtung 101 als X-Richtung 101, eine zur Haupterstreckungsebene 100 im Wesentlichen parallele und zur X-Richtung 101 im Wesentlichen senkrechte zweite Richtung 102 als Y-Richtung 102 und eine zur Haupterstreckungsebene 100 im Wesentlichen senkrechte dritte Richtung 103 als Z-Richtung 103 oder Normalrichtung 103 bezeichnet.
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In 1 ist eine Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements 1 der vorliegenden Erfindung dargestellt. Beispielsweise ist ein solches mikromechanisches Bauelement ein Beschleunigungssensor und/oder Drehratensensor. Das mikromechanische Bauelement weist ein bewegliches Element 20 auf, wobei das bewegliche Element 20 aus einer Ruheposition – d.h. einer Ruhelage – in eine ausgelenkte Position bzw. Auslenkposition (nicht dargestellt) auslenkbar ist. Hierzu weist das bewegliche Element 20 eine Federmittelanordnung auf, mittels derer das bewegliche Element 20 an einem Substrat 10 des mikromechanischen Bauelements 1 angebunden bzw. verankert ist. Eine Auslenkbewegung – beispielsweise auf Grund einer äußeren Beschleunigung oder Drehrate – des beweglichen Elements 20 wird insbesondere kapazitiv – d.h. in Abhängigkeit einer Kapazitätsänderung zwischen dem beweglichen Element 20 und einer Elektrode 23‘ – detektiert. Hier umfasst das bewegliche Element 20 eine bewegliche Siliziumstruktur 22. In einem Verfahren zur Herstellung eines solchen mikromechanischen Bauelements wird in einem ersten Schritt aus einer vergleichsweise dicken – d.h. aus einer eine Schichtdicke von mehreren Mikrometer aufweisenden – Funktionsschicht 300, insbesondere einer sogenannten Epi-Poly-Schicht 300 – mittels eines Ätzverfahrens die bewegliche Siliziumstruktur 22 erzeugt. Hierbei werden Gräben 22‘ in der Funktionsschicht 300, insbesondre in der beweglichen Siliziumstruktur 22, mit vergleichsweise hohem Aspektverhältnis erzeugt. In einem zweiten Schritt wird eine Opferschicht 300‘‘‘, insbesondere eine Oxidschicht 300‘‘‘, unter der vergleichsweise dicken Siliziumstruktur 22 entfernt. Insbesondere werden weiterhin in der Funktionsschicht 300 Strukturen mit vergleichsweise schmaler, länglicher Erstreckung erzeugt werden, die insbesondere als Federmittel 31 oder Federn 31 einer Federmittelanordnung 30 gebildet werden. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, federelastisch an dem Substrat angebundene, relativ zum Substrat 10 bewegliche, Strukturen 20 bzw. ein bewegliches Element 20 herzustellen. Insbesondere wird unter der Funktionsschicht 300 bzw. unter der Siliziumstruktur 22 des beweglichen Elements 20 eine weitere Funktionsschicht 300‘, insbesondere eine weitere Polysiliziumschicht, angeordnet. Aus der weiteren Funktionsschicht 300‘ kann hierbei beispielsweise eine Aufhängung 301‘ bzw. ein Teilaufhängungsmittel 301‘ für das bewegliche Element 20 oder für feste Siliziumstrukturen und/oder eine Elektrode 23‘ unter dem beweglichen Element 20 und/oder eine Leiterbahn gebildet werden.
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Hier werden die freizustellenden beweglichen und/oder festen Strukturen 20, 301 in der Funktionsschicht 300 derart mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen 22‘ bzw. Gräben 22‘ versehen, dass diese in einem Opferschichtätzverfahren herausstrukturiert – d.h. unterätzt und damit freigestellt – werden. Hierbei wird beispielsweise ein Aufhängungsmittel 301 gebildet, wobei zunächst ein Kontaktmittel 302 zwischen der Funktionsschicht 300 und der darunter liegenden, vergleichsweise dünnen, weiteren Funktionsschicht 300‘ erzeugt wird. Die weitere Funktionsschicht 300‘ wird hier über eine zwischen der weiteren Funktionsschicht 300‘ und dem Substrat 10 angeordneten Verbindungsschicht 300‘‘ – hier eine Oxidschicht 300‘‘ – mittelbar mit dem Substrat verbunden bzw. gekoppelt. Hierbei weist die weitere Funktionsschicht eine laterale Erstreckung parallel zu einer Haupterstreckungsebene 100 (siehe 2) des Substrats 10 auf, die beispielsweise so groß ist, dass die zwischen der weiteren Funktionsschicht 300‘ und dem Substrat angeordnete Oxidschicht 300‘‘ nicht vollständig entfernt wird.
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In 2 ist eine Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements 1 der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hier weist das mikromechanische Bauelement 1 ein Substrat 10 mit einer Haupterstreckungsebene 100, ein bewegliches Element 20 und eine Federmittelanordnung 30 auf. Das bewegliche Element 20 ist mittels der Federmittelanordnung 30 an dem Substrat 10 angebunden. Hier ist das bewegliche Element 20 insbesondere nicht unmittelbar sondern mittelbar über mehrere Schichten an dem Substrat angebunden. Das bewegliche Element 20 ist aus einer Ruheposition in eine Auslenkposition auslenkbar. Ferner umfasst das bewegliche Element 20 ein erstes Teilelement 21 und ein mit dem ersten Teilelement 21 verbundenes zweites Teilelement 22 sowie hier ein mit dem zweiten Teilelement 22 und dem ersten Teilelement 21 verbundenes drittes Teilelement 23. Das bedeutet hier beispielsweise, dass das dritte Teilelement 23 entlang der Normalrichtung 103 zwischen dem ersten und dem zweiten Teilelement 21, 22 angeordnet ist. Hier erstreckt sich das erste Teilelement 21 hauptsächlich entlang der Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 10, was bedeutet, dass das erste Teilelement 21 aus dem Substratmaterial gebildet ist. Ferner erstreckt sich das zweite Teilelement 22 hauptsächlich entlang einer Funktionsebene 200 und/oder das dritte Teilelement 23 entlang einer weiteren Funktionsebene 200‘, wobei die Funktionsebene 200 und/oder die weitere Funktionsebene 200‘ im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 10 angeordnet ist/sind und wobei die Funktionsebene 200 und/oder weitere Funktionsebene 200‘ von der Haupterstreckungsebene 100 des Substrats und/oder voneinander beabstandet ist/sind.
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Weiterhin ist hier das zweite Teilelement 22 über eine Verbindungsschicht 24 mit dem dritten Teilelement 23 verbunden. Insbesondere ist die Verbindungsschicht 24 eine Oxidschicht, wobei das zweite Teilelement von dem dritten Teilelement beispielsweise elektrisch isoliert ist. Ferner ist hier das erste Teilelement 21 unmittelbar mit dem dritten Teilelement 23 über ein Verbindungselement 25, insbesondere elektrisch leitfähig, verbunden.
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In 3 bis 16 ist ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Anhang der 3 bis 15 wird insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 mit einem aus einem Wafermaterial gebildeten Kapselmittel 40 beschrieben.
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In einem ersten Herstellungsschritt wird ein eine Haupterstreckungsebene aufweisendes Substrat 10 bereitgestellt, wobei ein sich hauptsächlich entlang der Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 10 erstreckendes erstes Teilelement 21 aus dem Substratmaterial gebildet wird. Wie in 3 gezeigt, wird in einem ersten Teilschritt eine Grabenstruktur 61 in das Substrat geätzt, wobei die Grabenstruktur 61 eine Mehrzahl von Gräben aufweist, wobei jeder Graben der Grabenstruktur 61 sich parallel zur Normalrichtung 103 hauptsächlich, insbesondere im Wesentlichen linear, entlang einer Grabenlänge erstreckt und sich parallel zur Haupterstreckungsebene 100 entlang einer Grabenbreite erstreckt, wobei die Grabenlänge bevorzugt die Grabenbreite um wenigstens eine Größenordnung übersteigt. Bevorzugt sind sämtliche Grabenlängen parallel zueinander angeordnet. Anschließend wird die Grabenstruktur 61 in einem zweiten Teilschritt mit einer ersten Teilschicht 62, insbesondere umfassend ein Oxidmaterial, verschlossen, 4. In einem dritten Teilschritt werden in die erste Teilschicht 62 sich hauptsächlich parallel zur Normalrichtung 103 durch die erste Teilschicht vollständig hindurch erstreckende Öffnungen 63 geätzt, 5. In einem vierten Teilschritt, dargestellt in 6, wird mittels einer isotropen Siliziumätzung – durch die Öffnungen 63 hindurch – das zwischen den Oxidverfüllten Gräben der Grabenstruktur 61 angeordnete Siliziummaterial des Substrats 10 herausgeätzt. Hierbei werden insbesondere länglich – d.h. sich hauptsächlich parallel zur Normalrichtung 103 erstreckende – Fingerelemente 64 im Siliziummaterial des Substrats 10 vollständig unterätzt. Hierbei werden freigestellte Siliziumstrukturen 64 erzeugt, welche hier insbesondere nur noch über die Oxidverfüllung mit dem Substrat 10 verbunden sind. Insbesondere wird hierbei ein zusammenhängender Hohlraum 65 erzeugt, welcher beispielsweise die freigestellten Siliziumstrukturen 64 nahezu vollständig umgibt.
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In einem zweiten Herstellungsschritt wird ein sich hauptsächlich entlang einer Funktionsebene 200 erstreckendes zweites Teilelement 22 mit dem ersten Teilelement 21 verbunden, wobei die Funktionsebene 200 im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 10 angeordnet wird, wobei die Funktionsebene 200 von der Haupterstreckungsebene 100 beabstandet angeordnet wird. Hierzu werden in einem fünften Teilschritt, dargestellt in 7, zunächst die Öffnungen 63 in der ersten Teilschicht 62 mittels einer zweiten Teilschicht, insbesondere einer weiteren Oxidabscheidung, verschlossen. In einem sechsten Teilschritt, dargestellt in 8, werden optional Vertiefungen 67 in die zweite Teilschicht 66 geätzt, wobei die Vertiefungen derart konfiguriert werden, dass in den nachfolgenden Herstellungsschritten bzw. Teilschritten eine sich parallel zur Normalrichtung 103 erstreckende Erhöhung in der weiteren Funktionsschicht erzeugt wird und beispielsweise als Anschlag für das bewegliche Element 20 vorgesehen ist. In einem siebten Teilschritt, dargestellt in 9, wird ein Kontaktbereich 68 in die zweite Teilschicht 66 geätzt. In einem achten Teilschritt, dargestellt in 10, wird die sich hauptsächlich entlang der weiteren Funktionsebene 200‘ erstreckende weitere Funktionsschicht 300‘, insbesondere eine erste Polysiliziumschicht, abgeschieden und strukturiert, welche sich parallel zur Normalrichtung 103 entlang einer weiteren Schichtdicke 210‘ erstreckt. Bevorzugt beträgt die weitere Schichtdicke zwischen 50 Nanometer und 15 Mikrometer. Bevorzugt werden Flächen aus der ersten Polysiliziumschicht 69 gebildet, welche einen Mindestdurchmesser aufweisen, wobei der Mindestdurchmesser größer ist, als eine doppelte Tiefe eines durch eine Unterätzung in nachfolgenden Opferoxid-Ätz-Schritten erzeugten Hohlraums, wobei sich die Tiefe insbesondere parallel zur Normalrichtung 103 erstreckt. In einem neunten Teilschritt, dargestellt in 11, wird eine dritte Teilschicht, insbesondere bestehend aus einem Oxidmaterial, abgeschieden und strukturiert. In einem zehnten Teilschritt, dargestellt in 12, wird eine sich hauptsächlich entlang der Funktionsebene 200 erstreckende Funktionsschicht 300, bevorzugt eine zweite Polysiliziumschicht 300, besonders bevorzugt eine Epi-Poly-Schicht, abgeschieden. Bevorzugt weist die Funktionsschicht 300 eine sich parallel zur Normalrichtung 103 erstreckende Schichtdicke 210 auf, welche größer ist als die weitere Schichtdicke 210‘. Bevorzugt beträgt die Schichtdicke 210 zwischen 0,8 und 200 Mikrometer. Optional wird in einem elften Teilschritt, dargestellt in 13, eine Metallschicht 72, insbesondere eine Aluminiumschicht 72, abgeschieden und strukturiert. In einem zwölften Teilschritt, dargestellt in 14, wird die Funktionsschicht 300 strukturiert bzw. eine Struktur 71 mit einer Mehrzahl von Gräben gebildet.
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In einem dritten Herstellungsschritt wird aus dem ersten Teilelement 21 und dem zweiten Teilelement 22 ein bewegliches Element 20 ausgebildet, wobei das bewegliche Element 20 mittels einer Federmittelanordnung 30 an dem Substrat 10 angebunden wird, wobei das bewegliche Element 20 derart angeordnet wird, dass das bewegliche Element aus einer Ruheposition in eine Auslenkposition auslenkbar ist. Hierbei wird in einem dreizehnten Teilschritt, dargestellt in 15, werden mittels eines Opferschichtätzverfahrens die MEMS-Strukturen im Substrat 10 freigeätzt – d.h. das bewegliche Element 20 wird freigestellt – insbesondere mittels eines Gasphasenätzverfahrens unter Einsatz von Flusssäure (HF). Bevorzugt werden in der ersten und/oder zweiten Funktionsebene 200, 200‘ zueinander korrespondierende – d.h. entlang einer zur Normalrichtung 103 parallelen Projektionsrichtung zumindest teilweise oder vollständig überlappende – Ätzöffnungen 73, 73‘ erzeugt, die insbesondere über den Oxidschichten der MEMS-Strukturen im Substrat liegen. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, eine Ätzung zunächst vergleichsweise schnell entlang der Normalrichtung 103 in Richtung des Substrats durchzuführen und dann dass Ätzmedium in einem Hohlraum 65 des Substrats 10 unter den MEMS-Strukturen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 zu verteilen und von dort aus das Oxid 62, 66, 70 zu entfernen.
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In einem vierten Herstellungsschritt wird das mikromechanische Bauelement 1 mittels eines Kapselmittels 40 hermetisch verkapselt, wobei das Kapselmittel 40 aus einem Wafermaterial gebildet wird, wobei in einem vierzehnten Teilschritt, dargestellt in 16, das mikromechanische Bauelement 1 mit einem Kappenwafer 40 mittels eines Bondverfahrens hermetisch versiegelt wird.
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In 17 bis 28 ist ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hier wird insbesondere ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit Dünnschichtkappe beschrieben.
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In dem ersten Herstellungsschritt wird ein eine Haupterstreckungsebene aufweisendes Substrat 10 bereitgestellt, wobei ein sich hauptsächlich entlang der Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 10 erstreckendes erstes Teilelement 21 aus dem Substratmaterial gebildet wird, wobei der erste bis vierte (3 bis 6) Teilschritt ausgeführt werden.
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In dem zweiten Herstellungsschritt wird ein sich hauptsächlich entlang einer Funktionsebene 200 erstreckendes zweites Teilelement 22 mit dem ersten Teilelement 21 verbunden, wobei die Funktionsebene 200 im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 10 angeordnet wird, wobei die Funktionsebene 200 von der Haupterstreckungsebene 100 beabstandet angeordnet wird, wobei der fünfte bis zehnte Teilschritt (7 bis 12) ausgeführt werden, wobei in einem fünfzehnten Teilschritt das in 17 dargestellte mikromechanische Bauelement 1 hergestellt wird. Insbesondere werden hier die Teilschritte elf bis vierzehn nicht ausgeführt. In einem sechzehnten bis neunzehnten Teilschritt, dargestellt in 18 bis 21, wird die Funktionsschicht 300, bevorzugt eine zweite Polysiliziumschicht 300, abgeschieden und strukturiert. Hierbei werden insbesondere gemäß einer ersten Alternative eine Grabenstruktur 71, mit einer Mehrzahl von Gräben in die Funktionsschicht 300 geätzt werden, wobei die Gräben sich parallel zur Haupterstreckungsebene entlang einer Grabenbreite erstrecken, wobei anschließend eine fünfte Teilschicht 75, insbesondere jeweils eine Oxidschicht, abgeschieden wird, wobei bevorzugt die Grabenbreite kleiner als 100%, bevorzugt kleiner als 75%, ganz besonders bevorzugt kleiner als 50%, der Erstreckung der fünften Teilschicht 75 entlang einer zur Normalrichtung 103 parallelen Projektionsrichtung ist. Gemäß einer zweiten Alternative werden in dem sechzehnten Teilschritt (18) in die Funktionsschicht 300 bzw. zweite Polysiliziumschicht 300 vergleichsweise schmale, tiefe Gräben einer Grabenstruktur 71 geätzt – d.h. die Gräben weisen ein Aspektverhältnis größer als 1, bevorzugt größer als 2,5, auf. In dem siebzehnten Teilschritt (19) wird die Grabenstruktur mit der vierten Teilschicht 74, insbesondere eine Oxidschicht, verschlossen – d.h. mit dem Material der vierten Teilschicht verfüllt –, wobei in die vierte Teilschicht 74 Ätzöffnungen der vierten Teilschicht 74‘ geätzt werden, wobei in dem achtzehnten Teilschritt (20) mittels einer isotropen Silizium-Ätzung durch die Ätzöffnungen der vierten Teilschicht 74‘ hindurch das Siliziummaterial der Funktionsschicht 300, welches zwischen den oxidverfüllten Gräben 74‘ angeordnet ist, herausgeätzt, wobei in einem neunzehnten Teilschritt (21) die fünfte Teilschicht 75, insbesondere eine Oxidschicht, abgeschieden wird, wobei die Ätzöffnungen der vierten Teilschicht 74‘ verschlossen werden. In einem zwanzigsten Teilschritt, dargestellt in 22, werden in die vierte und/oder fünfte Teilschicht 74, 75 ein weiterer Kontaktbereich 76 geätzt. In einem einundzwanzigsten Teilschritt, dargestellt in 23, wird eine Verschlussschicht 77 abgeschieden, wobei die Verschlussschicht 77 insbesondere eine dritte Polysiliziumschicht 77 ist. Optional wird in einem zweiundzwanzigsten Teilschritt, dargestellt in 24, wird eine Metallschicht 72, insbesondere eine Aluminiumschicht 72, abgeschieden und strukturiert, wobei aus der Metallschicht 72 ein Anschlussmittel 72 gebildet wird. In einem dreiundzwanzigsten Teilschritt, dargestellt in 25, wird in die Verschlussschicht 77 eine Struktur der Verschlussschicht 77‘ geätzt, wobei die Struktur der Verschlussschicht 77‘ insbesondere eine Mehrzahl von Ätzkanälen umfassen, wobei die Ätzkanäle sich jeweils entlang einer zur Normalrichtung 103 parallelen Projektionsrichtung zumindest teilweise oder vollständig durch die Verschlussschicht 77 hindurch erstrecken. Bevorzugt weisen die Ätzkanäle der Struktur der Verschlussschicht 77‘ ein Aspektverhältnis größer als 1, besonders bevorzugt größer als 1,5, ganz besonders bevorzugt größer als 2,5 auf. Insbesondere wird der Kontaktbereich 76 von der Verschlussschicht 77 mittels eines Ätzkanals elektrisch isoliert.
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In einem dritten Herstellungsschritt wird aus dem ersten Teilelement 21 und dem zweiten Teilelement 22 ein bewegliches Element 20 ausgebildet, wobei das bewegliche Element 20 mittels einer Federmittelanordnung 30 an dem Substrat 10 angebunden wird, wobei das bewegliche Element 20 derart angeordnet wird, dass das bewegliche Element 20 aus einer Ruheposition in eine Auslenkposition auslenkbar ist. Hierbei wird in einem vierundzwanzigsten Teilschritt, dargestellt in 26, werden mittels eines Opferschichtätzverfahrens die MEMS-Strukturen im Substrat 10 freigeätzt – d.h. das bewegliche Element 20 wird freigestellt – insbesondere mittels eines Gasphasenätzverfahrens unter Einsatz von Flusssäure (HF). Bevorzugt werden in der ersten und/oder zweiten Funktionsebene 200, 200‘ zueinander korrespondierende – d.h. entlang einer zur Normalrichtung 103 parallelen Projektionsrichtung zumindest teilweise oder vollständig überlappende – Ätzkanäle 77‘ bzw. Ätzgräben 71‘ erzeugt.
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In einem vierten Herstellungsschritt wird das mikromechanische Bauelement 1 mittels eines Kapselmittels 40 hermetisch verkapselt wird, wobei in einem fünfundzwanzigsten Teilschritt, dargestellt in 27, das Kapselmittel 40 aus einer Kapselschicht 400 umfassend das dritte Polysiliziummaterial 77 und die Versiegelungsschicht 78 gebildet wird. Bevorzugt wird die Versiegelungsschicht 78 mittels einer Oxidabscheidung eines Oxidmaterials gebildet. In einem sechsundzwanzigsten Teilschritt, dargestellt in 28, wird optional der Kontaktbereich 76 freigestellt.
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In 29 bis 31 sind verschiedene Ausführungsformen des mikromechanischen Bauelements 1 der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die in 29 dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen den in 3 bis 6 und 17 bis 28 beschriebenen Ausführungsformen, wobei hier das bewegliche Element 20 und der Kontaktbereich 76 entlang der Normalrichtung 103 an gegenüberliegenden Seiten des Substrats 10 angeordnet sind. Die in 30 dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen den in 1, 2 und 3 bis 16 beschriebenen Ausführungsformen, wobei hier das zweite Teilelement 22 und ein weiteres zweites Teilelement 22‘‘ aus der Funktionsschicht 300 gebildet sind bzw. sich jeweils hauptsächlich entlang der Funktionsebene 200 erstrecken, wobei das zweite Teilelement 22 und das weitere zweite Teilelement 22‘‘ durch eine Ausnehmung 22‘ voneinander beabstandet sind. Bevorzugt ist das zweite Teilelement über ein weiteres Verbindungselement 25‘ mit dem ersten Teilelement 21, bevorzugt elektrisch leitfähig, verbunden. Insbesondere weist die Federmittelanordnung ein erstes Federmittel 31 und ein zweites Federmittel 32 auf, wobei das erste Federmittel aus der Funktionsschicht 300 und das zweite Federmittel 32 aus der weiteren Funktionsschicht 300‘ gebildet ist. Es ist hierdurch vorteilhaft möglich, Teilstrukturen des mikromechanischen Bauelements 1 – wie beispielsweise das bewegliche Element 20, feststehende Elektroden und/oder die Federmittelanordnung 30 – derart auszubilden, dass die Teilstrukturen aus beiden oder ausschließlich einer der zwei Funktionsschichten 300, 300‘ angeordnet sind oder sich hauptsächlich entlang der Funktionsebene 200 und der weiteren Funktionsebene 300‘ erstrecken. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, die Masse und/oder Elektrodenfläche des beweglichen Elements 20 in effizienter Weise zu erhöhen. Die in 31 dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in 1, 2, 3 bis 16 und 30 dargestellten Ausführungsformen, wobei hier das zweite Teilelement 22 einen Aussparungsbereich 79 aufweist, wobei sich der Aussparungsbereich vollständig durch das zweite Teilelement 22 hindurch erstreckt – d.h. sich entlang einer zur Normalrichtung 103 parallelen Projektionsrichtung über die gesamte Schichtdicke 210 der Funktionsschicht 300 erstreckt. Alternativ oder zusätzlich weist auch das erste und/oder dritte Teilelement 21, 23 einen Aussparungsbereich auf. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dem beweglichen Element 20 – hier insbesondere dem ersten Teilelement 21 – in Normalrichtung 103 eine vergleichsweise große Bewegungsfreiheit zu ermöglichen, was durch die am ersten Teilelement 21 ansetzenden Pfeile angedeutet ist.
