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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.
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Stand der Technik
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In der
DE 195 37 814 A1 sind ein Sensor und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors beschrieben. Der Sensor weist ein bewegliches Element auf, welches zusammen mit mindestens einem Biegeelement und einem Verankerungsbereich aus einer auf einem Substrat abgeschiedenen Siliziumschicht herausstrukturiert ist. Dabei bleibt das bewegliche Element über das mindestens eine Biegeelement und dem mindestens einen Verankerungsbereich so an dem Substrat angebunden, dass das bewegliche Element in Bezug zu dem Substrat verstellbar ist. Außerdem weist der Sensor mindestens eine Leiterbahn oder Elektrode auf, welche zwischen dem Substrat und den aus der Siliziumschicht herausstrukturierten Bereichen des beweglichen Elements, des mindestens einen Biegeelements und des mindestens einen Verankerungsbereichs angeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft mikromechanische Bauteile, welche zusätzlich zu einer ersten Nutzebene/MEMS-Ebene mit der darin ausgebildeten mindestens einen verstellbaren Masse noch eine zweite Nutzebene/MEMS-Ebene aufweisen. Die in dem Substrat realisierte zweite Ebene ist mechanisch robust und weist einen vergleichsweise geringen Stressgradienten auf. Beispielsweise kann somit mindestens eine Feder, welche frei von einem mechanischen Offset ist, in der zweiten Ebene ausgebildet werden. Wie unten jedoch genauer ausgeführt wird, können auch anders ausgebildete Zwischenkomponenten in der zweiten Ebene vorteilhaft realisiert werden.
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Wie unten ebenso ausgeführt wird, weisen die erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile auch eine relativ große Verstellbarkeit zumindest der mindestens einen verstellbaren Masse auf. Die mindestens eine verstellbare Masse kann mit einer relativ hohen Bewegungsfreiheit sowohl parallel zu der Oberseite des Substrats als auch senkrecht zu der Oberseite des Substrats verstellbar sein. Auch für mindestens eine als Zwischenkomponente gebildete weitere verstellbare Masse ist die hohe Bewegungsfreiheit sowohl parallel zu der Oberseite des Substrats als auch senkrecht zu der Oberseite des Substrats mittels der vorliegenden Erfindung leicht realisierbar.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils umfasst das mikromechanische Bauteil mindestens eine Gegenelektrode als die mindestens eine Zwischenkomponente, welche mit einem ersten Kontakt des mikromechanischen Bauteils elektrisch verbunden ist, wobei die mindestens eine verstellbare Masse mit einem zweiten Kontakt des mikromechanischen Bauteils elektrisch verbunden ist, so dass über den ersten Kontakt und den zweiten Kontakt eine Aktorspannung zwischen der mindestens einen verstellbaren Masse und der mindestens einen Gegenelektrode anlegbar ist und/oder eine zwischen der mindestens einen verstellbaren Masse und der mindestens einen Gegenelektrode vorliegende Messspannung abgreifbar ist. Somit kann in dieser Ausführungsform die mindestens eine verstellbare Masse als Elektrode eines aus der mindestens einen verstellbaren Masse und der mindestens einen Gegenelektrode gebildeten elektrostatischen Aktors durch ein Anlegen der Aktorspannung verstellt werden. Auf diese Weise kann auch eine an die mindestens eine verstellbare Masse angeordnete/angebundene Untereinheit, wie beispielsweise eine Spiegelplatte, mitverstellt werden. Ebenso kann in dieser Ausführungsform die mindestens eine verstellbare Masse als Sensorelement, insbesondere als seismische Masse, eingesetzt werden. Mittels eines Messens der vorliegenden Messspannung kann beispielsweise eine Beschleunigung oder eine Drehgeschwindigkeit des mikromechanischen Bauteils (aufgrund der resultierenden Auslenkbewegung der mindestens einen verstellbaren Masse) ermittelt werden. Somit kann das mikromechanische Bauteil für eine Vielzahl von vorteilhaften Aktorvorrichtungen und Sensorvorrichtungen genutzt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das mikromechanische Bauteil mindestens eine weitere verstellbare Masse und/oder mindestens eine Feder als die mindestens eine Zwischenkomponente. Wie oben schon beschrieben ist, kann die mindestens eine Feder in dieser Ausführungsform frei von einem mechanischen Offset realisiert werden. Während in einer abgeschiedenen dünnen Halbleiterschicht häufig Stressgradienten in darin ausgebildeten mechanischen Strukturen auftreten, welche eine Verbiegung oder ein Brechen der mechanischen Strukturen auslösen können, ist in dem Substrat ausreichend Material zum Herausstrukturieren von Offset-freien Strukturen gewährleistet.
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Die in den beiden vorausgehenden Absätzen beschriebenen Vorteile sind auch bei einem entsprechend angepassten Herstellungsverfahren gewährleistet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Herstellungsverfahrens werden vor einem Ätzen der Trenngräben und der Unterätzgräben eine Vielzahl von Strukturiergräben in die Oberseite des Substrats geätzt, welche die Oberseite des Substrats zumindest teilweise in von den Strukturiergräben umrahmte Teilflächen unterteilen und welche mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material gefüllt werden, womit die Oberseite des Substrats zumindest teilweise abgedeckt wird. Bevorzugt werden anschließend in dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material durchgehende Aussparungen gebildet, welche manche der von den Strukturiergräben umrahmten Teilflächen teilweise freilegen, während andere von den Strukturiergräben umrahmte Teilflächen von dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material vollständig abgedeckt bleiben. In diesem Fall können die Trenngräben durch die aufgrund der durchgehenden Aussparungen teilweise freiliegenden Teilflächen mittels eines isotropen Ätzschritts geätzt werden, wobei nach dem Ätzen der Trenngräben mittels des isotropen Ätzschritts die Unterätzgräben geätzt werden. Nach dem Ätzen der Unterätzgräben kann die mindestens eine Isolierschicht auf das mindestens eine elektrisch isolierende Material aufgebracht werden, wodurch die durchgehenden Aussparungen in dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material von der mindestens einen Isolierschicht abgedeckt werden. Sofern gewünscht, können zum Freistellen der mindestens einen zumindest mechanisch an dem mindestens einen Trägerteil angebunden Zwischenkomponente das mindestens eine elektrisch isolierende Material und die mindestens eine Isolierschicht zumindest teilweise entfernt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
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1a bis 1e schematische Darstellungen von Substratquerschnitten zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil;
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2a und 2b schematische Darstellungen von Substratquerschnitten zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil;
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3a und 3b schematische Darstellungen von Substratquerschnitten zum Erläutern einer dritten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil;
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4a bis 4c schematische Darstellungen von Substratquerschnitten zum Erläutern einer vierten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil; und
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5a und 5b schematische Darstellungen von Substratquerschnitten zum Erläutern einer fünften Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1a bis 1e zeigen schematische Darstellungen von Substratquerschnitten zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
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Bei dem anhand der 1a bis 1e schematisch dargestellten Herstellungsverfahren werden mindestens eine spätere Zwischenkomponente und mindestens ein späteres Halterungsteil aus einem Substrat 10 herausstrukturiert. Das Substrat 10 kann beispielsweise ein Halbleitersubstrat, insbesondere ein Siliziumsubstrat, sein. Als Alternative oder als Ergänzung zu Silizium kann das Substrat 10 jedoch auch noch mindestens ein anderes Halbleitermaterial, mindestens ein Metall und/oder mindestens ein elektrisch isolierendes Material umfassen.
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Zum Herausstrukturieren der mindestens einen späteren Zwischenkomponente und des mindestens einen späteren Halterungsteils aus dem Substrat 10 werden Trenngräben in/durch eine Oberseite 12 des Substrats 10 und Unterätzgräben an einer von der Oberseite 12 weg gerichteten Seite der mindestens einen Zwischenkomponente geätzt. In der Ausführungsform der 1a bis 1e wird als Vorbereitung des Ätzens der Trenngräben und der Unterätzgräben eine Vielzahl von Strukturiergräben 14 in/durch die Oberseite 12 des Substrats 10 geätzt. Vorzugsweise wird zum Ätzen der Vielzahl von Strukturiergräben 14 ein anisotroper Ätzschritt ausgeführt. Die Strukturiergräben 14 sind als relativ schmale und tiefe Gräben umschreibbar. Beispielsweise können die Strukturiergräben 14 senkrecht zu der Oberseite 12 eine Ausdehnung/Tiefe zwischen 0,5 µm bis 100 µm aufweisen. Bevorzugt werden die Strukturiergräben 14 mit einer parallel zu der Oberseite 12 ausgerichteten Ausdehnung/Breite zwischen 0,1 µm bis 8 µm geätzt. Eine einheitliche Tiefe und eine einheitliche Breite aller Strukturiergräben 14 wird bevorzugt, da dies das weitere Herstellungsverfahren, insbesondere einen späteren Verschlussprozess, erleichtert. Die hier angegebenen Zahlenwerte sind jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
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Die Strukturiergräben 14 unterteilen die Oberseite 12 des Substrats 10 zumindest teilweise in von den Strukturiergräben 14 umrahmte Teilflächen 16a und 16b. Die Teilflächen 16a und 16b können parallel zur Oberseite 12 des Substrats 10 Ausdehnungen zwischen 0,5 µm bis 50 µm haben. Vorzugsweise weisen die von den Strukturiergräben 14 umrahmten Teilflächen 16a und 16b nahezu die gleichen Ausdehnungen und/oder Flächeninhalte auf.
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Nach dem Ätzen der Strukturiergräben 14 werden diese mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material 18 gefüllt. Außerdem wird die Oberseite 12 des Substrats 10 zumindest teilweise mit dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material 18 so abgedeckt, dass eine die Oberseite 12 zumindest teilweise abdeckende Schicht 18a aus dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material 18 gebildet wird. Das mindestens eine elektrisch isolierende Material 18 kann beispielsweise ein Oxid sein. Speziell können bei einem Substrat 10 aus Silizium zuerst eine thermische Oxidation und anschließend eine Oxid-Abscheidung ausgeführt werden. Mittels der thermischen Oxidation kann an den freiliegenden Bereichen des Substrats 10 aus Silizium eine sehr dichte und auch in den inneren Bereichen der Strukturiergräben 14 relativ homogene Oxidschicht gebildet werden. Durch ein Beenden der thermischen Oxidation vor einem vollständigen Füllen/Verschließen der Strukturiergräben 14 sind (mechanische) Spannungen in dem Substrat 10 trotz der Volumenausdehnung bei der Umwandlung des Siliziums in Oxid verhinderbar. Ein Verbiegen des Substrats 10 aufgrund von (mechanischen) Spannungen muss somit nicht befürchtet werden. Nach dem Beenden der thermischen Oxidation können die Strukturiergräben 14 mittels der Oxid-Abscheidung, wie beispielsweise einer LPCVD-Abscheidung oder einer PECVD-TEOS-Abscheidung, mit zusätzlichem Oxid aufgefüllt werden. Eine Dauer des Abscheideprozesses kann so festgelegt werden, dass die Strukturiergräben 14 geschlossen/vollständig gefüllt werden. Die hier beschriebene Vorgehensweise gewährleistet auch einen vorteilhaften geringen Schichtstress innerhalb des mindestens einen elektrisch isolierenden Materials 18. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass auch andere elektrisch isolierende Materialien außer oder zusätzlich zu dem Oxid zum Füllen der Strukturiergräben 14 und Bilden der Schicht 18a einsetzbar sind.
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1a zeigt einen Substratquerschnitt nach dem Füllen der Strukturiergräben 14 mit dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material 18. In einem weiteren Verfahrensschritt, welcher in 1b schematisch dargestellt ist, werden in dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material 18 durchgehende Aussparungen 20 gebildet, welche manche der von den Strukturiergräben 14 umrahmten Teilflächen 16a teilweise freilegen, während andere von den Strukturiergräben 14 umrahmte Teilflächen 16b von dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material 18 vollständig abgedeckt bleiben. Die durchgehenden Aussparungen 20 können beispielsweise geätzt werden. Vorzugsweise werden die durchgehenden Aussparungen 20 mit einer so geringen Ausdehnung parallel zur Oberseite 12 des Substrats 10 ausgebildet, dass sie bei einem späteren Abscheideprozess leicht wieder verschließbar sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Lage der von den durchgehenden Aussparungen 20 teilweise freigelegten Teilflächen 16a so gewählt werden, dass eine von dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material 18 vollständig abgedeckte Teilfläche 16b von benachbarten teilweise freigelegten Teilflächen 16a umgeben ist. Speziell können die Teilflächen 16a und 16b so festgelegt werden, dass Schlitzstrukturen oder Gitterstrukturen von den teilweise freigelegten Teilflächen 16a vorliegen, welche eine Form und/oder eine Position der mindestens einen späteren Zwischenkomponente und/oder des mindestens einen späteren Halterungsteils festlegen. Die Schlitzstrukturen oder Gitterstrukturen können auch als Gitter aus Löcherstrukturen umschrieben werden.
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Nach dem Bilden der durchgehenden Aussparungen 20 werden die oben schon erwähnten Trenngräben 22 durch die (aufgrund der durchgehenden Aussparungen 20) teilweise freiliegenden Teilflächen 16a geätzt. Dies geschieht vorzugsweise mittels eines isotropen Ätzschritts. Zum Bilden der Trenngräben 22 wird gezielt das Substratmaterial unter den teilweise freigelegten Teilflächen 16a entfernt, während das zuvor in die Strukturiergräben 14 eingefüllte mindestens eine elektrisch isolierende Material 18 ein Ätzen des Substratmaterials unterhalb der vollständig abgedeckten Teilflächen 16b verhindert. Eine Tiefe der Trenngräben 22, welche mittels der Tiefe der Strukturiergräben 14 festlegbar ist, kann je nach Anwendung frei gewählt werden. (Eine ausreichende Dicke der Schicht 18a gewährleistet eine vorteilhafte Stabilität der in die Trenngräben 22 hineinragenden/der die Trenngräben 22 teilweise überspannenden Überstände 24 aus dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material 18.)
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Nach dem Erreichen einer gewünschten Ätztiefe der Trenngräben 22 kann zum Bilden der Unterätzgräben 26 ohne eine Unterbrechung weitergeätzt werden. Auf diese Weise werden teilweise und/oder vollständig unterätzte Strukturen 28 als die mindestens eine Zwischenkomponente 28 zusammen mit dem mindestens einen Halterungsteil 30 aus dem Material des Substrats 10 gebildet. Die als die mindestens eine Zwischenkomponente 28 gebildeten Strukturen 28 bleiben entweder noch mit dem mindestens einen Halterungsteil 30 mechanisch verbunden oder werden ganz von dem mindestens einen Halterungsteil 30 getrennt. Der isotrope Ätzschritt wird vorzugsweise erst gestoppt, nachdem die mindestens eine Zwischenkomponente 28 von dem mindestens einen Halterungsteil 30 mechanisch getrennt ist. Speziell kann als das mindestens eine Halterungsteil 30 eine Trägerplatte/Bodenplatte strukturiert werden, von welcher die mindestens eine Zwischenkomponente 28 mittels der Unterätzgräben 26 abgetrennt ist. Das Ergebnis des isotropen Ätzschritts ist in 1c dargestellt.
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Das Substrat 10 stellt ausreichend Material zum Bilden der Komponenten 28 und 30 bereit. Somit kann die mindestens eine zusätzlich zu dem mindestens einen Halterungsteil 30 aus dem Substrat 10 herausstrukturierte Zwischenkomponente 28, sofern gewünscht, leicht zum verlässlichen Ausführen einer mechanischen Funktion ausgebildet werden. Da das Substrat 10 frei von einem Stressgradienten ist, muss ein Verbiegen der daraus gebildeten Komponenten 28 und 30 nicht befürchtet werden.
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Nach dem Ätzen der Unterätzgräben 26 wird mindestens eine Isolierschicht 34 auf das mindestens eine elektrisch isolierende Material 18/die Schicht 18a aufgebracht. Auf diese Weise werden die durchgehenden Aussparungen 20 in der Schicht 18a aus dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material 18 von der mindestens einen Isolierschicht 34 abgedeckt/verschlossen. Vorzugsweise wird für die mindestens eine Isolierschicht 34 das gleiche Material wie für die Schicht 18a verwendet. Die mindestens eine Isolierschicht 34 kann somit ebenfalls eine Oxidschicht sein. Weitere Materialien sind für die mindestens eine Isolierschicht 34 jedoch ebenfalls verwendbar. Besonders günstig zum Bilden der mindestens einen Isolierschicht 34 sind konforme Oxidabscheidungen, welche auch senkrechte oder steile Kanten gut überwachsen. Insbesondere sind eine LPCVD-TEOS-Abscheidung oder eine SACVD-TEOS-Ozon-Abscheidung zum Bilden der mindestens einen Isolierschicht 34 geeignet.
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Optionaler Weise kann nach dem Bilden der mindestens einen Isolierschicht 34 mindestens eine Außenfläche 36 der mindestens einen Zwischenkomponente 28 von dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material 18 und einem Abschnitt der mindestens einen Isolierschicht 34 freigelegt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise mindestens ein späterer elektrischer Kontakt zwischen der mindestens einen Zwischenkomponente 28 und einer später gebildeten elektrisch leitfähigen Struktur erzeugt werden.
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Wie in 1d schematisch dargestellt, wird eine Halbleiterschicht 38 auf der mindestens einen Isolierschicht 34, welche (indirekt) über der Oberseite 12 des Substrats 10 liegt, gebildet. Die Halbleiterschicht 38 ist vorzugsweise eine EP-Polysiliziumschicht. Es können jedoch auch andere Halbleitermaterialien für die Halbleiterschicht 38 eingesetzt werden.
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Aus der Halbleiterschicht 38 werden mindestens eine verstellbare Masse 40, mindestens ein Federelement 42, mindestens ein Verankerungsbereich 44 und mindestens ein Trägerteil 46 zumindest teilweise herausstrukturiert. Das Herausstrukturieren der Komponenten 40 bis 44 aus der Halbleiterschicht 38 erfolgt so, dass die mindestens eine verstellbare Masse 40 über das mindestens eine Federelement 42 mit dem mindestens einen Verankerungsbereich derart verbunden wird, dass die mindestens eine verstellbare Masse 40 in Bezug zu dem mindestens einen Halterungsteil 30 verstellbar ist. Demgegenüber bleibt der mindestens eine Verankerungsbereich 44 direkt oder indirekt an dem mindestens einen Halterungsteil 30/dem Substrat 10 angebunden. Beispielsweise kann der mindestens eine Verankerungsbereich 44 über einen Pufferbereich 47 aus dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material 18 und aus einem Abschnitt der mindestens einen Isolierschicht 34 mechanisch an dem mindestens einen Halterungsteil 30/dem Substrat 10 angebunden bleiben.
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Das Herausstrukturieren des mindestens einen Trägerteils 46 aus der Halbleiterschicht 38 erfolgt so, dass die mindestens eine Zwischenkomponente 28 an dem mindestens einen Trägerteil 46 angebunden wird/bleibt. Die mindestens eine Zwischenkomponente 28 wird somit in Bezug zu dem mindestens einen Halterungsteil 30/dem Substrat 10 unverstellbar oder verstellbar über den Unterätzgräben 26 aufgehängt. Man kann dies auch so umschreiben, dass die mindestens eine Zwischenkomponente 28 an ihrer von der Oberseite weg gerichteten Seite die Unterätzgräben 26 begrenzend aufgehängt/angeordnet wird. Die mindestens eine (aufgehängte) Zwischenkomponente 28 nimmt dabei eine Lage zwischen dem mindestens einen Halterungsteil 30 und den aus der Halbleiterschicht 38 herausstrukturierten Bereichen der mindestens einen verstellbaren Masse 40, des mindestens einen Federelements 42 und des mindestens einen Verankerungsbereichs 44 ein.
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Für das Abscheiden der Halbleiterschicht 38 und das Herausstrukturieren der Komponenten 40 bis 46 können Standardverfahrensschritte (Standard-MEMS-Prozessschritte) ausgeführt werden. Sofern gewünscht können einige der Verfahrensschritte/Prozessschritte zum Bilden der Komponenten 40 bis 46 auch vor der Strukturierung des Substrats 10 in die Komponenten 28 und 30 ausgeführt werden.
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Eine Schichtdicke der Halbleiterschicht 38 senkrecht zur Oberseite 12 kann frei gewählt werden. Somit kann die Halbleiterschicht 38 frei von einem Stressgradienten abgeschieden werden. Ein Verbiegen der aus der Halbleiterschicht 38 gebildeten Komponenten aufgrund von einem Stressgradienten muss somit nicht befürchtet werden. Insbesondere das mindestens eine Federelement 42 ist deshalb auch in der Regel frei von einem (natürlichen) Offset oder einer zufällige Vorauslenkung. Während bei Federn aus einer dünnen Halbleiterschicht einzelne Kristallkörner einen (natürlichen) Offset oder eine zufällige Vorauslenkung in der Feder bewirken können, muss dieser Nachteil bei dem mindestens einen aus der Halbleiterschicht 38 herausstrukturierten Federelement 42 nicht in Kauf genommen werden. Außerdem stellt die Halbleiterschicht 38 ausreichend Material bereit zum Ausbilden der Komponenten 40 bis 46 mit Mindestdicken, welche ein Brechen einer der Komponenten 40 bis 46 unwahrscheinlich machen. Insbesondere ist es leicht möglich, die Komponenten 40 bis 46 zum verlässlichen Ausführen einer mechanischen Funktion (ohne deren Beschädigung) auszubilden.
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Zum Freistellen der mindestens einen mechanisch an dem mindestens einen Trägerteil 46 angebundenen Zwischenkomponente 28 werden das mindestens eine elektrisch isolierende Material 18 und die mindestens eine Isolierschicht 34 zumindest teilweise entfernt. Beispielsweise kann dies über einen Gasphasen-HF-Ätzschritt erfolgen. Sobald auf diese Weise ein Zugang für ein Ätzgas 48 in einen Unterätzgraben 26 freigelegt wird, verteilt sich das Ätzgas 48 im gesamten Innenhohlraum der Unterätzgräben 26 und das zu entfernende Material kann durch eine geeignete Führung der Unterätzgräben 26 selbst in weit von dem Zugang entfernt liegenden Bereichen noch geätzt werden.
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1e zeigt das mittels des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens (teilweise oder fertig) hergestellte mikromechanische Bauteil 50. Das mikromechanische Bauteil 50 weist mindestens ein zumindest Teilbereiche des Substrats 10 umfassendes Halterungsteil 30 auf. Die mindestens eine verstellbare Masse 40 des mikromechanischen Bauteils 50 ist über mindestens ein Federelement 42 derart mit dem mindestens einen direkt oder indirekt an dem Halterungsteil 30 angebundenen Verankerungsbereich 44 verbunden, dass die mindestens eine verstellbare Masse 40 in Bezug zu dem Halterungsteil 30 verstellbar ist. Der mindestens eine Verankerungsbereich 44 kann z.B. über den mindestens einen Pufferbereich 47 aus dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material 18 und/oder einem Restabschnitt der mindestens einen Isolierschicht 34 an dem Halterungsteil 30 angebunden sein. Der mindestens eine Pufferbereich 47 kann, sofern dies gewünscht ist, senkrecht zu der Oberseite 12 des Substrats 10 eine vergleichsweise große Höhe haben. Somit ist gewährleistbar, dass die mindestens eine verstellbare Masse 40 sowohl parallel zu der Oberseite 12 als auch senkrecht zu der Oberseite 12 eine große Bewegungsfreiheit aufweist.
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Wie oben bereits beschrieben, ist die mindestens eine Zwischenkomponente 28 mittels der in die Oberseite 12 des Substrats 10 geätzten Trenngräben 22 und der an einer von der Oberseite 12 abgewandten Seite der mindestens einen Zwischenkomponente 28 liegenden Unterätzgräben 26 zusammen mit dem Halterungsteil 30 aus dem (vorherigen) Substrat 10 herausgeätzt. Außerdem ist die mindestens eine Zwischenkomponente 28 zumindest mechanisch an dem mindestens einen Trägerteil 46 so angebunden, dass die Zwischenkomponente 28 über den Unterätzgräben 26 aufgehängt ist. Die mindestens eine Zwischenkomponente 28 ist in Bezug zu dem Halterungsteil 30 wahlweise unverstellbar oder verstellbar angeordnet. In der Ausführungsform der 1e ist die mindestens eine Zwischenkomponente 28 in Bezug zu dem Halterungsteil 30 unverstellbar. Das mindestens eine Trägerteil 46, welches über einen Pufferbereich 52 aus dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material 18 und/oder einem Restbereich der mindestens einen Isolierschicht 34 an dem Halterungsteil 30 angebunden ist, ist dazu relativ starr ausgebildet. Als Alternative dazu kann das mindestens eine Trägerteil 46 jedoch auch je einen elastisch verbiegbaren Unterabschnitt aufweisen, welcher zwischen einem ersten Kontaktabschnitt des jeweiligen Trägerteils 46, an welchem die benachbarte Zwischenkomponente 28 angebunden ist, und einem zweiten Kontaktabschnitt des jeweiligen Trägerteils 46, welcher über den Pufferbereich 52 an dem Halterungsteil 30 angebunden ist, ausgebildet ist. Auch der Pufferbereich 52 kann senkrecht zu der Oberseite 12 mit einer Höhe ausgebildet sein, welche im Zusammenwirken mit den Unterätzgräben 26 eine gute Bewegungsfreiheit der mindestens einen Zwischenkomponente 28 senkrecht zu der Oberseite 12 gewährleistet. Damit kann die mindestens eine Zwischenkomponente 28 wahlweise auch Funktionen einer seismischen Masse eines Sensors verlässlich ausführen.
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Die mindestens eine verstellbare Masse 40, das mindestens eine Federelement 42, der mindestens eine Verankerungsbereich 44 und das mindestens eine Trägerteil 46 sind jeweils zumindest teilweise aus der indirekt über der Oberseits 12 des Substrats 10 liegenden Halbleiterschicht 38 herausstrukturiert. Man kann dies auch so umschreiben, dass die Komponenten 40 bis 46 aus der zuvor die Oberseits 12 des Substrats 10 überspannenden Halbleiterschicht 38 herausstrukturiert sind. Die mindestens eine Zwischenkomponente 28 ist zwischen dem Halterungsteil und den aus der Halbleiterschicht 38 herausstrukturierten Bereichen der Komponenten 40 bis 46 angeordnet.
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Das mikromechanische Bauteil kann als Aktor oder als Sensor eingesetzt werden. Das mikromechanische Bauteil 50 kann z.B. mindestens eine Gegenelektrode und/oder mindestens eine Leiterbahn als die mindestens eine Zwischenkomponente 28 aufweisen.
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In diesem Fall ist die mindestens eine Gegenelektrode/Leiterbahn vorzugsweise mit einem ersten Kontakt des mikromechanischen Bauteils 50 elektrisch verbunden. Außerdem kann die mindestens eine verstellbare Masse 40 mit einem zweiten Kontakt des mikromechanischen Bauteils 50 elektrisch verbunden sein. Auf diese Weise ist gewährleistbar, dass über den ersten Kontakt und den zweiten Kontakt eine Aktorspannung zwischen der mindestens einen verstellbaren Masse 40 und der mindestens einen Gegenelektrode/Leiterbahn anlegbar und/oder eine zwischen der mindestens einen verstellbaren Masse 40 und der Gegenelektrode/Leiterbahn vorliegende Messspannung abgreifbar ist. Sofern dies gewünscht wird, kann die mindestens eine verstellbare Masse 40 beispielsweise mittels der Aktorspannung in eine Bewegung versetzt werden. Das mikromechanische Bauteil 50 ist damit als elektrostatischer/elektrodynamischer Aktor einsetzbar. Ebenso kann die mindestens eine verstellbare Masse 40 als seismische Masse eines Sensors zum Detektieren einer Bewegung/Beschleunigung des Sensors eingesetzt werden, wobei mittels eines Auswertens der abgegriffenen Messspannung die Bewegung/Beschleunigung des Sensors ermittelbar oder nachweisbar ist. Insbesondere ist das mikromechanische Bauteil 50 als Untereinheit eines Beschleunigungssensors oder eines Drehratensensors vorteilhaft verwendbar.
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Als Alternative oder als Ergänzung zu der mindestens einen Gegenelektrode/Leiterbahn kann das mikromechanische Bauteil 50 auch mindestens eine weitere verstellbare Masse und/oder mindestens eine Feder als die mindestens eine Zwischenkomponente 28 umfassen. Für das mikromechanische Bauteil 50 kann damit auch der Vorteil genutzt werden, dass die mindestens eine aus dem Substrat 10 als Zwischenkomponente 28 herausstrukturierte Feder kaum einen (natürlichen) Offset oder eine zufällige Vorauslenkung aufweist. Somit können eine Vielzahl verschieden ausgebildeter Zwischenkomponenten mittels des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens an dem mikromechanischen Bauteil 50 ausgebildet werden.
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In der Ausführungsform der 1e ist die mindestens eine Zwischenkomponente 28 über einen elektrischen Kontakt 54 aus dem Material der Halbleiterschicht 38 mit dem mindestens einen Trägerteil 46 verbunden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine derartige leitfähige Anbindung der mindestens einen Zwischenkomponente 28 an das mindestens eine Trägerteil 46 lediglich beispielhaft zu interpretieren ist.
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2a und 2b zeigen schematische Darstellungen von Substratquerschnitten zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
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Wie in 2a erkennbar, wird bei der hier beschriebenen Ausführungsform nach dem Ätzen der Gräben 22 und 26 zuerst eine erste Isolierschicht 34a (zum Schließen der durchgehenden Aussparungen 20) abgeschieden. Danach wird ein leitfähiges Material 60 auf der ersten Isolierschicht 34a und/oder auf einer davon freigelegten Fläche 62 der mindestens einen Zwischenkomponente 28 und/oder des mindestens einen Halterungsteils 30 abgeschieden und strukturiert. Das mindestens eine leitfähige Material 60 kann beispielsweise zum Bilden von Leiterbahnen 64, Kontakten 66 und/oder Elektroden genutzt werden. Anschließend kann das mindestens eine leitfähige Material 60 zumindest teilweise mit einer zweiten Isolierschicht 34b abgedeckt werden, bevor die oben schon beschriebene Halbleiterschicht 38 abgeschieden wird. Die Halbleiterschicht 38 kann so strukturiert werden, dass die in 2b dargestellten Komponenten 40 bis 46 daraus ausgebildet werden. Bezüglich der Eigenschaften der Komponenten 40 bis 46 und des damit ausgestatteten mikromechanischen Bauteils 50 wird auf die oberen Beschreibungen verwiesen.
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3a und 3b zeigen schematische Darstellungen von Substratquerschnitten zum Erläutern einer dritten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
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In der Ausführungsform der 3a und 3b werden unterschiedliche Ausdehnungen für die Teilflächen 16b gewählt. Außerdem wird die Halbleiterschicht 38 so strukturiert, dass auch nach dem Bilden der Komponenten 40 bis 46 eine breite Teilfläche 16b‘ von einem flächigen Unterabschnitt des benachbarten Trägerteils 46 überspannt bleibt. Insbesondere werden die Ausdehnungen für die breite Teilfläche 16b‘ und den überspannenden Unterabschnitt so festgelegt, dass die unter der breiten Teilfläche 16b‘ liegenden Substratbereiche mittels der Unterätzgräben 26 zwar unterätzt werden, jedoch beim Ätzen des mindestens einen elektrisch isolierenden Materials 18 und/oder der mindestens einen Isolierschicht 34 ein elektrisch isolierender Pufferbereich 68 zwischen der breiten Teilfläche 16b‘ und dem überspannenden Unterabschnitt verbleibt.
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Man kann die oben beschriebene Ausbildung/Festlegung der Ausdehnungen der Teilflächen 16b auch damit umschrieben, kann eine Perforation des Substrats 10 in einem Bereich eines späteren Pufferbereichs 68 größer beabstandet ausgeführt wird. In anderen Bereichen kann die Perforation des Substrats 10 kleiner beabstandet ausgeführt werden. Die Ätzzugänge können in dem mindestens einen Bereich mit der größer beabstandeten Perforation größer ausgebildet werden, als in den Bereichen mit der kleiner beabstandeten Perforation. Damit sind auch tiefere und robustere Strukturen (wie z.B. Kammelektroden für höhere Kapazitäten) aus dem Substrat 10 heraus strukturierbar.
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Das in 3b dargestellte (halbfertige oder fertige) mikromechanische Bauteil 50 weist deshalb mindestens einen Pufferbereich 68 aus dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material 18 und/oder einem Restabschnitt der mindestens einen Isolierschicht 34 auf, über welchen die mindestens eine Zwischenkomponente 28 an das mindestens eine Trägerteil 46 angebunden ist. Damit realisiert der mindestens eine Pufferbereich 68 eine mechanische Verbindung zwischen der mindestens einen Zwischenkomponente 28 und dem mindestens einen Trägerteil 46, welche elektrisch isolierend wirkt. Das mikromechanische Bauteil 50 der 3b kann deshalb speziell zur Realisierung eines Sensors mit einem besonders günstigen Auswertekonzept genutzt werden. Als Ergänzung zu dem mindestens einen Pufferbereich 68 kann jedoch auch noch mindestens ein leitfähiger Kontakt zwischen einer Zwischenkomponente 28 und einem Trägerteil 46 des gleichen mikromechanischen Bauteils 50 ausgebildet sein.
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4a bis 4c zeigen schematische Darstellungen von Substratquerschnitten zum Erläutern einer vierten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
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Wie in der Ausführungsform der 4a bis 4c dargestellt, kann bei manchen teilweise freigelegten Teilflächen 16a die Anzahl der zum Freilegen ausgebildeten durchgehenden Aussparungen 20 oder deren Breite variiert werden. Auf diese Weise kann die Unterätzung der dazwischenliegenden Substratbereiche gesteuert werden, indem manche Unterätzgräben 26 breiter als andere Unterätzgräben 26 ausgebildet werden. Insbesondere eine senkrecht zur Oberseite 12 ausgerichtete Breite der Unterätzgräben 26 kann auf diese Weise variiert werden. Wie in 4c gezeigt, können an einem mikromechanischen Bauteil 50 auch Zwischenkomponenten 28 als unterätzte Strukturen ausgebildet werden/sein, deren senkrecht zur Oberseite 12 ausgerichtete Breite (lokal) variiert.
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5a und 5b zeigen schematische Darstellungen von Substratquerschnitten zum Erläutern einer fünften Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
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In der Ausführungsform der 5a und 5b werden bis zum Ätzen der Gräben 22 und 26 die oben bereits erläuterten Verfahrensschritte ausgeführt. Danach wird ein Rückseitentrench ausgeführt, um ausgehend von einer Rückseite 70 des Substrats 10 eine bis zu den Unterätzgräben 26 sich erstreckende Aussparung 72 zu ätzen. Vorzugsweise wird, wie in 5a schematisch dargestellt, vor dem Rückseitentrench eine thermische Oxidation ausgeführt, um an den Wänden der Unterätzgräben 26 eine Oxidschicht 74 auszubilden. Die Oxidschicht 74 kann beim Rückseitentrench als Ätzstopp dienen, was in 5b schematisch wiedergegeben ist. Vorzugsweise wird deshalb der Rückseitentrench vor der isotropen Oxidätzung ausgeführt.
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Alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile 50 sind mittels der Herstellungsverfahren mit einer vergleichsweise geringen Größe, leicht und kostengünstig herstellbar. Deshalb lässt sich jedes der oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile 50 vorteilhaft in einem mikromechanischen Sensor einsetzen. Verstellbewegungen der mindestens einen verstellbaren Masse 40 jedes mikromechanischen Bauteils 50 können beispielsweise über Kapazitätsänderungen an der abgegriffenen Messspannung gemessen werden. Jedoch nicht nur die mindestens eine verstellbare Masse 40, sondern auch die mindestens eine Zwischenkomponente 28 kann in bestimmten Ausführungsformen als eine gegenüber dem mindestens einen Halterungsteil 30 relativ frei bewegliche Struktur für Messungen genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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