DE102013222676B4

DE102013222676B4 - Elektrodenanordnung für ein mikromechanisches Bauelement

Info

Publication number: DE102013222676B4
Application number: DE102013222676.4A
Authority: DE
Inventors: Johannes Classen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-11-07
Filing date: 2013-11-07
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2033-11-08
Also published as: DE102013222676A1; KR20150053236A; KR102214248B1; TW201527204A; CN104627946B; TWI648216B; CN104627946A; US20150123219A1

Abstract

Elektrodenanordnung für ein mikromechanisches Bauelement (100), aufweisend:- wenigstens eine erste Funktionsschicht (10) mit darin ausgebildeten Elektroden (11,11',12) und einer beweglichen Struktur;- wenigstens eine zweite Funktionsschicht (20); und- wenigstens eine dritte Funktionsschicht (30), wobei die dritte Funktionsschicht (30) als elektrische Leiterbahn verwendbar ist, wobei die dritte Funktionsschicht (30) zumindest abschnittsweise von Oxidmaterial (40) vollständig freigestellt ist,wobei eine Dicke der dritten Funktionsschicht (30) wenigstens ca. viermal größer als eine Dicke der zweiten Funktionsschicht (20) ist, und wobeidie dritte Funktionsschicht (30) im Wesentlichen zwischen der ersten und der zweiten Funktionsschicht angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für ein mikromechanisches Bauelement. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenanordnung für ein mikromechanisches Bauelement.
Mikromechanische Inertialsensoren zur Messung von Beschleunigung und Drehrate sind im Automobil- und Consumerbereich für verschiedene Applikationen bekannt. Derartige Sensoren umfassen unter anderem eine oberflächenmikromechanische Schicht, deren Dicke typischerweise zwischen ca. 10µm und ca. 30µm liegt. Zu einer flexiblen Verdrahtung und Kontaktierung von beweglichen Strukturen dient eine darunter angeordnete dünne Leiterbahnebene, deren Dicke normalerweise zwischen ca. 200nm und ca. 1000nm liegt.
Die beiden Funktionsschichten sind über ein Oxidmaterial voneinander getrennt, wobei durch das Öffnen des Oxidmaterials Kontaktlöcher entstehen, die eine mechanische und elektrische Anbindung von einer der Funktionsschichten an die andere Funktionsschicht gewährleisten.
DE 10 2012 200 740 A1 offenbart ein mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements. Offenbart ist ein Schutz gegen eine Unterätzung von schmalen Leiterbahnen einer Funktionsschicht unter einer geschlossenen Schicht einer weiteren Funktionsschicht.
DE 10 2009 045 391 A1 offenbart eine mikromechanische Struktur und ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur. Gezeigt ist eine mikromechanische Funktionsschicht, um einen Elektrodenträger zu realisieren, auf dem einzelne, feststehende Elektroden einer weiteren Funktionsschicht angeordnet sind, wobei der Elektrodenträger teilweise unterhalb eines weiteren Elektrodenkamms der weiteren Funktionsschicht verläuft und diesen überbrückt. Auf diese Weise soll eine gute Entkopplung von Verpackungsstress und resultierender Substratverformung erreicht werden.
DE 10 2007 060 878 A1 offenbart ein mikromechanisches System.
DE 10 2008 040 758 A1 offenbart mikromechanische Strukturen und ein Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Strukturen.
US 2011/0037132 A1 offenbart eine MEMS-Package-Struktur und ein Verfahren zu deren Herstellung.
US 2011/0026742 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Halbleiterbaustein und einer Struktur davon.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Elektrodenanordnung für ein mikromechanisches Bauelement bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer Elektrodenanordnung für ein mikromechanisches Bauelement, aufweisend:

- wenigstens eine erste Funktionsschicht mit darin ausgebildeten Elektroden und einer beweglichen Struktur;
- wenigstens eine zweite Funktionsschicht; und
- wenigstens eine dritte Funktionsschicht, wobei die dritte Funktionsschicht als elektrische Leiterbahn verwendbar ist, wobei die dritte Funktionsschicht zumindest abschnittsweise vollständig von Oxidmaterial freigestellt ist, wobei eine Dicke der dritten Funktionsschicht wenigstens ca. viermal größer als eine Dicke der zweiten Funktionsschicht ist, und wobei die dritte Funktionsschicht im Wesentlichen zwischen der ersten und der zweiten Funktionsschicht angeordnet ist.

Erfindungsgemäß wird eine zusätzliche Verdrahtungsebene in Form einer dritten Funktionsschicht bereitgestellt. Aufgrund der Tatsache, dass die dritte Funktionsschicht relativ stark bzw. dick ausgebildet wird, kann sie vorteilhaft wenigstens abschnittsweise vollständig von Oxidmaterial freigestellt werden. Auf diese Weise ist es möglich, parasitäre Kapazitäten der als Leiterbahnebene ausgebildeten dritten Funktionsschicht zu minimieren. Zudem ergibt sich aufgrund der dickeren Ausbildung der Leiterbahnebene der dritten Funktionsschicht und der damit verbundenen hohen mechanischen Stabilität eine flächenmäßig kompakte Ausbildung der gesamten Verdrahtung der Elektrodenanordnung, da die Leiterbahnen vergleichsweise schmal ausgeführt werden können. Aufgrund dieser spezifischen Ausgestaltung der dritten Funktionsschicht ist diese als elektrische Leiterbahn ausreichend tragfähig, vollständig unterätzbar und weist günstige mechanische Eigenschaften auf. Dadurch ist eine hohe Designfreiheit bzw. -flexibilität von Leiterbahnstrukturen für das mikromechanische Bauelement unterstützt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenanordnung für ein mikromechanisches Bauelement, aufweisend die Schritte:

- Bereitstellen einer ersten Funktionsschicht;
- Ausbilden von Elektroden innerhalb der ersten Funktionsschicht;
- Bereitstellen einer zweiten Funktionsschicht; und
- Bereitstellen einer dritten Funktionsschicht, wobei eine Dicke der dritten Funktionsschicht derart ausgebildet wird, dass die dritte Funktionsschicht als elektrische Leiterbahn verwendbar ist, wobei die dritte Funktionsschicht wenigstens ca. viermal so dick wie die zweite Funktionsschicht ausgebildet wird und wobei die dritte Funktionsschicht im Wesentlichen zwischen der ersten und der zweiten Funktionsschicht ausgebildet wird; und
- wenigstens teilweises vollständiges Freistellen der dritten Funktionsschicht von Oxidmaterial.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung ist vorgesehen, dass wenigstens eine Leiterbahn der zweiten Funktionsschicht und wenigstens eine Leiterbahn der dritten Funktionsschicht überkreuzt angeordnet sind, wobei die Überkreuzung unterhalb der ersten Funktionsschicht angeordnet ist. Dadurch werden vorteilhaft Überbrückungen der zweiten mit der dritten Funktionsschicht ermöglicht, die unterhalb von beweglichen Strukturen der ersten Funktionsschicht angeordnet sind und auf diese Weise eine kompakte Bauform des Bauelements ermöglichen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung sieht vor, dass eine Breite der dritten Funktionsschicht wenigstens abschnittsweise unterschiedlich ausgebildet ist. Auf diese Weise kann vorteilhaft bestimmt werden, ob im Zuge eines Ätzprozesses Oxidmaterial stehen bleiben soll oder nicht. Ferner können dadurch Strukturen der dritten Funktionsschicht gegeneinander versetzt angeordnet werden, wodurch im Ergebnis Verdrahtungsfläche eingespart werden kann. Dies ist beispielsweise für Drehratensensoren, die mehrere unterschiedliche Potentiale an Elektroden führen, vorteilhaft, weil dadurch Verdrahtungsprobleme in flexibler Weise lösbar sind. Im Ergebnis bedeutet dies mehr Verdrahtungsoptionen und dadurch ein Gewinn an Designfreiheit. Zudem ergeben sich aufgrund der geringen Fläche der Leiterbahnenebene der dritten Funktionsschicht vorteilhaft geringe unerwünschte, parasitäre Kapazitäten. Eine Signalqualität eines mit dem mikromechanischen Bauelement generierten Signals kann auf diese Weise vorteilhaft hoch sein.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung sieht vor, dass zwischen den Funktionsschichten angeordnetes Oxidmaterial mittels eines Ätzprozesses strukturierbar ist. Insbesondere kann zu diesem Zweck Gasphasenätzen verwendet werden, welches auf alle Oxidschichten gleichermaßen einwirkt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung ist vorgesehen, dass die dritte Funktionsschicht Löcher für einen Zugang eines Ätzmediums aufweist. Auf diese Weise ist vorteilhaft unterstützt, dass sämtliches zwischen bzw. unter den Funktionsschichten angeordnetes Oxidmaterial vollständig und in kurzer Zeit ausgeräumt werden kann.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass Oxidmaterial nur an denjenigen Stellen strukturiert ist, an denen ein leitender Kontakt zu einer der Funktionsschichten ausgebildet ist. Auf diese Weise wird eine günstige Art einer Kontaktmöglichkeit zwischen Funktionsschichten bereitgestellt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung sieht vor, dass die zweite Funktionsschicht und die dritte Funktionsschicht mechanisch und/oder elektrisch miteinander verbindbar sind. Auf diese Weise wird ein vielfältiger Einsatz der Funktionsschichten innerhalb des mikromechanischen Bauelements unterstützt.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen.
In den Figuren zeigt:

1 eine Draufsicht auf eine herkömmliche Elektrodenanordnung eines Inertialsensors;
2 eine Draufsicht auf die herkömmliche Elektrodenanordnung von 1 mit einem anderen Detaillierungsgrad;
3 eine Aufsicht durch Schnitt A-B von 2;
4 eine Aufsicht durch Schnitt C-D von 2;
5 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung;
6 eine Draufsicht auf die Elektrodenanordnung von 5 mit einem anderen Detaillierungsgrad;
7 eine Draufsicht auf die Elektrodenanordnung von 5 mit einem anderen Detaillierungsgrad;
8 eine Aufsicht durch Schnitt A-B von 7;
9 eine Aufsicht durch Schnitt A'-B' von 7;
10 eine Aufsicht durch Schnitt C-D von 7; und
11 ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt in Draufsicht ein Prinzipbild eines mikromechanischen lateralen Beschleunigungssensors 100, welcher eine physikalische Beschleunigung parallel zur Substratebene messen kann. Eine als Rahmenstruktur 13 angeordnete seismische Masse mit beweglichen Elektroden 12 lenkt bei Beschleunigung aus, wobei geometrische Auslenkungen über eine Änderung eines Spalts der beweglichen Elektroden 12 zu ersten feststehenden Elektroden 11 und zweiten feststehenden Elektroden 11' gemessen werden. Die feststehenden Elektroden 11, 11' sind über Kontaktlöcher an eine zweite mikromechanische Funktionsschicht 20 angeschlossen.
Eine MEMS-Struktur einer ersten mikromechanischen Funktionsschicht 10 wird über ein Entfernen eines Opferoxids bzw. Oxidmaterial 40 (nicht dargestellt in 1) zwischen der ersten Funktionsschicht 10 und der zweiten Funktionsschicht 20 freigestellt. Das Oxidmaterial 40 wird dabei üblicherweise mit gasförmigem HF geätzt. Dieser Prozess ist zeitgesteuert, was bedeutet, dass je länger er dauert, umso weit reichender ist die Unterätzung der Silizium-Strukturen der Funktionsschichten 10, 20, die selbst vom HF nicht angegriffen werden. Neben dem gewünschten Entfernen des Oxidmaterials 40 unter den beweglichen Strukturen erfolgt auf diese Weise auch eine unerwünschte Ätzung des Oxidmaterials 40 an Stellen, wo Si-Strukturen fest mit einem Substrat 1 verbunden bleiben sollen, insbesondere an den Rändern der zweiten Funktionsschicht 20.
2 zeigt dieselbe Draufsicht der Elektrodenanordnung des Beschleunigungssensors 100 aus 1 mit einer einem anderen Detaillierungsgrad. In der Figur ist nunmehr auch nach dem genannten Gasphasenätzen verbleibendes Oxidmaterial 40 unterhalb der zweiten Funktionsschicht 20, sowie Oxidmaterial 40 zwischen der ersten Funktionsschicht 10 und der dritten Funktionsschicht 30 unterhalb der mechanischen Aufhängungen der beweglichen Struktur der ersten Funktionsschicht 10 erkennbar.
Ein Nachteil dieser konventionellen Anordnung ist somit ein hoher Platzbedarf für die als Leiterbahn fungierende zweite Funktionsschicht 20. Um deren vollständige Unterätzung sicher zu vermeiden, muss die zweite Funktionsschicht 20 typischerweise wenigstens ca. 30µm bis ca. 40µm breit ausgeführt werden. Vollständig unterätzte Leiterbahnen können sich unter Umständen schon über geringe Längen merklich aufwölben und zu Verkrümmung (engl. buckling) neigen, zudem sind sie sehr bruchempfindlich, wenn bewegte physikalische Massen beim Auftreffen mit hoher mechanischer Last auf sie aufschlagen.
Aufgrund ihrer großen Breite weisen die Leiterbahnen der zweiten Funktionsschicht 20 hohe parasitäre Kapazitäten zum Substrat 1 auf, die unter anderem einen Signal-Rausch-Abstand, eine Linearität, eine Einschwingzeit oder einen Stromverbrauch des mikromechanischen Sensors stark negativ beeinflussen und damit ein Signal des Sensors verfälschen können. Ein weiterer Nachteil der beschriebenen konventionellen Technologie ist ein hoher Platzbedarf für elektrische Brücken bzw. Überkreuzungen von Leiterbahnen. Da nämlich konventionell lediglich zwei leitfähige Schichten in Form der ersten Funktionsschicht 10 und der zweiten Funktionsschicht 20 zur Verfügung stehen, müssen Brücken immer in der ersten Funktionsschicht 10 ausgeführt werden und müssen demnach seitlich und damit platzintensiv neben den beweglichen Strukturen angeordnet werden.
Die 1 und 2 zeigen im oberen Bereich eine entsprechende Brücke der ersten Funktionsschicht 10, die eine darunter liegende Leiterbahn der zweiten Funktionsschicht 20 überkreuzt.
Die 3 und 4 zeigen zum besseren Verständnis der herkömmlichen Technologie Aufsichten bzw. Querschnitte längs der Schnittlinien A-B (3) bzw. C-D (4) von 2.
Man erkennt in 3 die auf einem Substrat 1 angeordnete konventionelle Struktur mit Oxidmaterial 40, zweiter Funktionsschicht 20 und mikromechanisch beweglicher Struktur in der ersten Funktionsschicht 10. Ein Kontaktloch 14 ist zur Aufhängung der Elektrode 11 der ersten Funktionsschicht 10 an der zweiten Funktionsschicht 20 vorgesehen. Erkennbar ist, dass die als Leiterbahn fungierende zweite Funktionsschicht 20 in Randbereichen teilweise stark unterätzt ist, was darin resultiert, dass die Leiterbahnen an ihren Rändern partiell freistehen bzw. überhängen. Nachteilig kann dies eine mechanische Instabilität der Leiterbahn bedeuten.
In 4 ist erkennbar, dass unterhalb eines rechten Bereichs der ersten Funktionsschicht 10, der als ein Feder-, Rahmen-, bzw. Elektrodenbereich ausgebildet ist, die Leiterbahn der zweiten Funktionsschicht 20 im Wesentlichen vollständig mit Oxidmaterial 40 unterlegt ist. Dies resultiert nachteilig in hohen parasitären Kapazitätswerten und kann die obengenannten nachteiligen Effekte für eine Signalqualität nach sich ziehen.
Im Stand der Technik ist es zwar bekannt, dass zu einer Reduktion von parasitären Effekten von einer Chip-Peripherie kommende Leiterbahnen teilweise in der ersten Funktionsschicht 10 statt in der zweiten Funktionsschicht 20 ausgebildet sind. Dies führt zwar zu verringerten parasitären Effekten, bedeutet aber nachteilig einen erhöhten Flächenbedarf, da dann nicht nur die Brücken, sondern auch die Zuführungsleiterbahnen neben den beweglichen Strukturen der ersten Funktionsschicht 10 liegen müssen.
Zudem eignet sich diese Methode nicht, um einzelne feststehende Elektroden zu kontaktieren, die innerhalb einer geschlossenen Rahmenmasse eines Sensors liegen, wie es beispielsweise in 1 und 2 gezeigt ist. Hierfür wird immer eine zusätzliche Verdrahtungsebene unterhalb oder gegebenenfalls oberhalb der Ebene der ersten Funktionsschicht 10 benötigt. Entsprechend wird dann im Stand der Technik auch im Bereich des beweglichen Sensorkerns eine zusätzliche Verdrahtungsebene der zweiten Funktionsschicht 20 verwendet.
Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass mittels einer dritten mikromechanischen Funktionsschicht 30 eine Reduktion von parasitären Kapazitäten sowie eine kompakte Anordnung bzw. Ausbildung für die Verdrahtung von oberflächenmikromechanischen Bauelementen bereitgestellt wird. Die mikromechanischen Bauelemente können dabei als mikromechanische Sensoren, beispielsweise als Inertialsensoren in Form von Drehraten- oder Beschleunigungssensoren ausgebildet sein.
5 zeigt eine prinzipielle Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung. Die bewegliche Sensorstruktur samt Aufhängung und Festelektroden in der ersten Funktionsschicht 10 sind identisch zu der in den 1 und 2 gezeigten Anordnung. Die Unterschiede liegen im Konzept der elektrischen Verdrahtung.
Erfindungsgemäß wird eine weitere Funktionsschicht 30 (in 5 in Umrissen erkennbar) bereitgestellt, die stärker bzw. dicker ausgebildet ist als die zweite Funktionsschicht 20. Mittels der dritten Funktionsschicht 30 wird insbesondere eine Verdrahtungsfunktionalität bereitgestellt, wobei eine Gesamtverdrahtung vorzugsweise über die beiden Funktionsschichten 20, 30 realisiert wird. Alle Funktionsschichten 10, 20, 30 sind vorzugsweise aus polykristallinem Silizium gebildet, wobei unterschiedliche Abscheideverfahren zu einer Ausbildung von unterschiedlichen Dicken der Funktionsschichten 10, 20, 30 verwendet werden.
Erkennbar sind Kontaktlöcher 21 zwischen der zweiten Funktionsschicht 20 und der dritten Funktionsschicht 30, sowie Kontaktlöcher 31 zwischen der ersten Funktionsschicht 10 und der dritten Funktionsschicht 30. Die Zuführung der Leiterbahnen für die Elektroden 11, 11' erfolgt auch hier auf der rechten Seite von unten über die Bahnen der zweiten Funktionsschicht 20, die aber in diesem Fall erkennbar deutlich schmaler ausgebildet sind als jene der in den 1 und 2 gezeigten Anordnungen. Die geringere Breite ist dadurch möglich, dass sie durch die darüberliegende Ebene der dritten Funktionsschicht 30 weitgehend gegen die Unterätzung beim Gasphasenätzen abgeschirmt sind. Ätzlöcher 32 sind vorzugsweise als schmale Schlitze in der dritten Funktionsschicht 30 ausgebildet, um ein gezieltes Unterätzen von Leiterbahnen der dritten Funktionsschicht 30 zu bewerkstelligen.
Aufgrund der im Vergleich zur zweiten Funktionsschicht 20 deutlich erhöhten Schichtdicke der dritten Funktionsschicht 30, die beispielsweise ca. viermal dicker ausgebildet ist als die zweite Funktionsschicht 20, lassen sich die Leiterbahnen der dritten Funktionsschicht 30 auch über deutlich größere Strecken vollständig unterätzen. Im Ergebnis bedeutet dies, dass sich die Leiterbahnen der dritten Funktionsschicht 30 im Wesentlichen nicht aufwölben können und daher mechanisch stabil ausgebildet sind. Somit können sie auch deutlich schmaler als herkömmliche Leiterbahnen der zweiten Funktionsschicht 20 dargestellt werden und sind aufgrund der Tatsache, dass unterhalb wenigstens abschnittsweise kein Oxidmaterial 40 angeordnet ist, mit wesentlich geringeren parasitären Kapazitäten behaftet als herkömmliche Leiterbahnen der zweiten Funktionsschicht 20. Trotz der geringeren Breite steigt somit der elektrische Widerstand der gesamten Verdrahtung nicht wesentlich an, da durch die größere Dicke der Leiterbahnen der dritten Funktionsschicht 30 die Querschnittsfläche und somit der elektrische Widerstand im Wesentlichen auf unverändertem Niveau gehalten werden können.
Im oberen Bereich von 5 erfolgt die Kontaktierung der Leiterbahnen der zweiten Funktionsschicht 20 auf die Ebene der dritten Funktionsschicht 30, in diesem Bereich ist auch eine Überkreuzung der Leiterbahn der zweiten Funktionsschicht 20 mit einer Leiterbahn der dritten Funktionsschicht 30 realisiert. Vorteilhaft kann dieser Bereich somit im Gegensatz zur herkömmlichen Brückenstruktur der Anordnung aus 1 und 2 bereits wieder für eine Nutzstruktur der ersten Funktionsschicht 10 verwendet werden.
Dadurch liegt eine Biegefeder 15 der ersten Funktionsschicht 10 teilweise oberhalb der Brücke aus der zweiten Funktionsschicht 20 und der dritten Funktionsschicht 30. Die Festelektroden im Sensorkernbereich werden in der Anordnung von 5 von Leiterbahnen der dritten Funktionsschicht 30 getragen. Diese können aus den genannten Gründen deutlich schmaler, beispielsweise ca. 5 µm bis ca. 20 µm ausgebildet werden. Sie dürfen zudem zum Zwecke einer Reduktion der parasitären Kapazität über schmale Ätzlöcher bzw. Zusatzschlitze 32 in der dritten Funktionsschicht 30 gezielt unterätzt werden.
Der vollständig unterätzte Leiterbahnbereich kann allerdings nicht beliebig groß werden, sondern hängt im Wesentlichen von der Dicke der dritten Funktionsschicht 30 und der Masse der daran befestigten Strukturen der ersten Funktionsschicht 10 ab. Schon bei relativ geringen Schichtdicken der dritten Funktionsschicht 30 im Bereich von ca. 2 µm lassen sich vollständig unterätzte Bereiche mit Längen von 100 µm und mehr realisieren.
Bei größeren Leiterbahnlängen sollten aus Stabilitätsgründen Zwischenstützen aus Oxidmaterial 40 für die Leiterbahnen der dritten Funktionsschicht 30 angeordnet werden. Daher ist in der Anordnung von 5 im Bereich der jeweils mittleren feststehenden Elektrode die Leiterbahnbreite der dritten Funktionsschicht 30 vergrößert, um auf diese Weise eine vollständige Unterätzung lokal zu verhindern und eine mechanische Anbindung der dritten Funktionsschicht 30 mittels Oxidmaterial 40 an das Substrat 1 zu gewährleisten. Mit dieser optionalen lokalen Anbindung kann die Steifigkeit der Leiterbahnstruktur vorteilhaft massiv erhöht werden. Selbstverständlich können bei einer größeren Sensorstruktur auch mehrere Anbindungspunkte, z.B. regelmäßig beabstandet angeordnet werden. Bei kleinen Sensorstrukturen und/oder dicken Ausbildungen der dritten Funktionsschicht 30 ist eine solche Anbindung hingegen unter Umständen gar nicht erforderlich.
Aufgrund der Tatsache, dass die dritte Funktionsschicht 30 abschnittsweise vollständig unterätzt ist, kann eine geringe Breite und damit kleine Fläche der Leiterbahnen realisiert werden, was wiederum gemäß der Kondensatorformel eine vorteilhaft geringe parasitäre Kapazität zur Folge hat. Auf diese Weise kann vorteilhaft die Qualität bzw. das Signal-Rausch-Verhältnis eines von den Elektroden der Sensorstruktur abgegriffenen elektrischen Signals bedeutsam verbessert sein.
Da die eigentlichen Leiterbahnen der dritten Funktionsschicht 30 in 5 wegen der schmalen Spalte zu den benachbarten Strukturen der dritten Funktionsschicht 30 nur schwer in Umrissen zu erkennen sind, zeigt die Draufsicht von 6 die beiden Leiterbahnen der dritten Funktionsschicht 30, die die Festelektroden der ersten Funktionsschicht 10 tragen, besser sichtbar in schraffierter Hervorhebung.
Die Draufsicht auf die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung von 7 zeigt zusätzlich zu 5 das Oxidmaterial 40 unterhalb der Ebene der dritten Funktionsschicht 30 oberhalb der Ebene der zweiten Funktionsschicht 20, welches zur Ausbildung von Verankerungspunkten zur mechanischen Fixierung der Leiterbahnen der dritten Funktionsschicht 30 dient. Zu erkennen sind unter anderem vollständig unterätzte Bereiche zwischen den Leiterbahnen der dritten Funktionsschicht 30 im Sensorkernbereich sowie nicht unterätzte Bereich in der Mitte der Sensorstruktur sowie ober- und unterhalb der Biegefedern 15.
Die 8 bis 10 zeigen auf Prozesssimulationen beruhende Aufsichten bzw. Querschnitte von 7 und dienen dem besseren Verständnis der Draufsichtdarstellungen von 5 bis 7. Gut zu erkennen sind jeweils die Ätzungen des in drei Schichten angeordneten Oxidmaterials 40 und die Kontaktlöcher zwischen benachbarten Silizium-Ebenen der Funktionsschichten 10, 20, 30.
8 zeigt eine Aufsicht längs der Schnittlinie A-B von 7. Gut erkennbar sind die mittels der dritten Funktionsschicht 30 realisierten breiten Leiterbahnabschnitte im Bereich der Zwischenstützen, die nur teilweise unterätzt sind.
9 zeigt einen Querschnitt längs der Schnittlinie A'-B' von 7. In diesem Abschnitt sind die mittels der dritten Funktionsschicht 30 realisierten Leiterbahnen schmal ausgeführt und daher vollständig unterätzt.
10 zeigt eine Querschnittsansicht längs einer Schnittlinie C-D von 7. Erkennbar ist, dass ein Bereich der Leiterbahn der dritten Funktionsschicht 30 unterhalb der zentralen Elektrodenstruktur weitgehend frei von Oxidmaterial 40 ist, was eine geringe parasitäre Kapazität der Leiterbahn bewirkt. Erkennbar ist auch eine im linken Figurenbereich dargestellte elektrische Kontaktierung der dritten Funktionsschicht 30 mit der zweiten Funktionsschicht 20 sowie eine isolierte Überkreuzung 33 der dritten Funktionsschicht 30 über der zweiten Funktionsschicht 20. Aufgrund der vielfältigen Kontaktierungs- bzw. Überkreuzungsmöglichkeiten der zweiten Funktionsschicht 20 mit der dritten Funktionsschicht 30 ist vorteilhaft eine hohe Designfreiheit einer Leiterbahnführung, insbesondere unterhalb der beweglichen MEMS-Strukturen der ersten Funktionsschicht 10 unterstützt.
11 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem ersten Schritt S1 wird eine erste Funktionsschicht 10 bereitgestellt.
In einem zweiten Schritt S2 werden Elektroden innerhalb der ersten Funktionsschicht 10 ausgebildet.
In einem dritten Schritt S3 wird eine zweite Funktionsschicht 20 bereitgestellt.
In einem vierten Schritt S4 wird eine dritte Funktionsschicht 30 bereitgestellt, wobei eine Dicke der dritten Funktionsschicht 30 derart ausgebildet wird, dass die dritte Funktionsschicht 30 als elektrische Leiterbahn verwendbar ist, wobei die dritte Funktionsschicht 30 wenigstens ca. viermal so dick wie die zweite Funktionsschicht 20 ausgebildet wird und wobei die dritte Funktionsschicht 30 im Wesentlichen zwischen der ersten und der zweiten Funktionsschicht 10, 20 ausgebildet wird.
Schließlich wird in einem fünften Schritt S5 die dritte Funktionsschicht 30 wenigstens teilweise vollständig von Oxidmaterial 40 freigestellt.
Auch wenn das vorgehend beschriebene Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung aus Gründen der Einfachheit für einen Beschleunigungssensor 100 dargestellt wurde, kann die Erfindung selbstverständlich für jegliches mikromechanische Bauelement, welches ein Messsignal mittels beweglicher mikromechanischer MEMS-Strukturen erfasst, verwendet werden (z.B. Resonator, Drehratensensor, Drucksensor, usw.).
Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine Elektrodenanordnung eines mikromechanischen Bauelements vorgeschlagen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine dritte Funktionsschicht für Verdrahtungszwecke verwendet wird, die aufgrund ihrer Dicke wenigstens abschnittsweise vollständig unterätzbar und damit von Oxidmaterial freistellbar ist.
Auf diese Weise kann eine elektrische Verdrahtung innerhalb der Bauelementstruktur robust, vielfältig, flexibel und platzsparend realisiert werden. Zudem können die in der dritten Funktionsschicht realisierten Leiterbahnen aufgrund der Dicke der dritten Funktionsschicht schmal und robust ausgebildet werden, wodurch eine vollständige Unterätzung möglich ist, was vorteilhaft eine parasitenarme Ausgestaltung der Verdrahtung unterstützt. Im Ergebnis lässt sich dadurch eine kompakte, parasitenarme Elektrodenanordnung für mikromechanische Bauelemente realisieren.
Vorteilhaft ist es mit der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung eine hohe Designfreiheit ermöglicht, wobei mehrere Leiterbahnebenen mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen innerhalb der Sensorstruktur variabel geführt bzw. angeordnet werden können. Dies wird dadurch erreicht, dass die Leiterbahnen der zweiten und dritten Funktionsschicht räumlich versetzt zueinander derart angeordnet werden, wodurch Platzressourcen der Sensorstruktur bestmöglichst ausgenützt werden. Vorteilhaft ist es in einer Abwandlung der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung auch möglich, die gezeigte Schichtanordnung aus erster, zweiter und dritter Funktionsschicht 10, 20, 30 innerhalb eines mikromechanische Bauelements auch mehrfach gewissermaßen gestapelt vorzusehen (nicht dargestellt).
Der Fachmann wird die beschriebenen Merkmale geeignet abändern oder miteinander kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Elektrodenanordnung für ein mikromechanisches Bauelement (100), aufweisend: - wenigstens eine erste Funktionsschicht (10) mit darin ausgebildeten Elektroden (11,11',12) und einer beweglichen Struktur; - wenigstens eine zweite Funktionsschicht (20); und - wenigstens eine dritte Funktionsschicht (30), wobei die dritte Funktionsschicht (30) als elektrische Leiterbahn verwendbar ist, wobei die dritte Funktionsschicht (30) zumindest abschnittsweise von Oxidmaterial (40) vollständig freigestellt ist, wobei eine Dicke der dritten Funktionsschicht (30) wenigstens ca. viermal größer als eine Dicke der zweiten Funktionsschicht (20) ist, und wobei die dritte Funktionsschicht (30) im Wesentlichen zwischen der ersten und der zweiten Funktionsschicht angeordnet ist.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Leiterbahn der zweiten Funktionsschicht (20) und wenigstens eine Leiterbahn der dritten Funktionsschicht (30) überkreuzt angeordnet sind, wobei die Überkreuzung unterhalb der ersten Funktionsschicht (10) angeordnet ist.
Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite der dritten Funktionsschicht (30) wenigstens abschnittsweise unterschiedlich ausgebildet ist.
Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Funktionsschichten (10,20,30) angeordnetes Oxidmaterial (40) mittels eines Ätzprozesses strukturierbar ist.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Funktionsschicht (30) Löcher (32) für einen Zugang eines Ätzmediums aufweist.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Oxidmaterial (40) nur an denjenigen Stellen strukturiert ist, an denen ein leitender Kontakt zu einer der Funktionsschichten (10,20,30) ausgebildet ist.
Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Funktionsschicht (20) und die dritte Funktionsschicht (30) mechanisch und/oder elektrisch miteinander verbindbar sind.
Mikromechanisches Bauelement (100) mit einer Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenanordnung für ein mikromechanisches Bauelement (100), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen einer ersten Funktionsschicht (10); - Ausbilden von Elektroden innerhalb der ersten Funktionsschicht (10); - Bereitstellen einer zweiten Funktionsschicht (20); und - Bereitstellen einer dritten Funktionsschicht (30), wobei eine Dicke der dritten Funktionsschicht (30) derart ausgebildet wird, dass die dritte Funktionsschicht (30) als elektrische Leiterbahn verwendbar ist, wobei die dritte Funktionsschicht (30) wenigstens ca. viermal so dick wie die zweite Funktionsschicht (20) ausgebildet wird und wobei die dritte Funktionsschicht (30) im Wesentlichen zwischen der ersten und der zweiten Funktionsschicht (10, 20) ausgebildet wird; und - wenigstens teilweises vollständiges Freistellen der dritten Funktionsschicht (30) von Oxidmaterial (40).
Verwendung einer Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem mikromechanischen Bauelement (100).