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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche mikromechanischen Sensoren sind allgemein bekannt. Beispielsweise werden mikromechanische Sensoren zur Detektion von Beschleunigungen und/oder Drehraten eingesetzt, wobei der mikromechanische Sensor ein Substrat und relativ zum Substrat bewegliche Siliziumstrukturen aufweist.
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Beispielsweise umfassen die beweglichen Siliziumstrukturen zwei bewegliche Massen, die entlang einer Antriebsebene antiparallel zueinander bewegt werden, wobei zur Bestimmung einer Drehrate des mikromechanischen Sensors eine Auslenkungsbewegung der zwei Massen aus der Antriebsebene heraus kapazitiv detektiert wird. Die Antriebsebene kann dabei im Wesentlichen parallel oder senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats orientiert sein.
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Die Herstellung solcher beweglichen Siliziumstrukturen erfolgt typischerweise in zwei aufeinanderfolgenden Schritten, wobei die Siliziumstrukturen zunächst in einem Ätzverfahren durch Strukturieren einer Funktionsschicht erzeugt werden. Anschließend werden die Siliziumstrukturen freigestellt, wobei eine Opferschicht zwischen dem Substrat und den Siliziumstrukturen entfernt wird.
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Nachteilig an den bekannten mikromechanischen Sensoren ist, dass die während der Strukturierung der Funktionsschicht erzeugten Flanken der Siliziumstrukturen (auch als Ätzflanken oder Trenchflanken bezeichnet) gegenüber einer zur Haupterstreckungsebene des Substrats im Wesentlichen senkrechten Normalrichtung häufig um einen Winkel (auch als Ätzwinkel oder Trenchwinkel bezeichnet) geneigt sind, sodass hierdurch eine Abweichbewegung (Fehlauslenkung) der zwei beweglichen Massen induziert wird. Dabei tritt die Fehlauslenkung auch dann auf, wenn sich der mikromechanische Sensor in einer Ruhelage befindet, sodass eine taumelartige Bewegung der zwei seismischen Massen hervorgerufen wird, wobei ein Fehlsignal (d.h. ein sogenanntes Quadratursignal) erzeugt wird. Eine Quadraturkompensation kann typischerweise nur durch vergleichsweise aufwendige Zusatzmaßnahmen reduziert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mikromechanischen Sensor und ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Sensors vorzuschlagen, sodass der mikromechanische Sensor im Vergleich zum Stand der Technik ein reduziertes Quadratursignal aufweist.
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Der erfindungsgemäße mikromechanische Sensor und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Sensors gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein vergleichsweise kompakter und kostengünstiger mikromechanischer Sensor bereitgestellt wird, welcher dennoch im Vergleich zum Stand der Technik eine reduzierte Quadratur aufweist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass das erste und zweite Kompensationselement (welche in diesem Dokument auch als erste oder zweite Zusatzstruktur bezeichnet werden) derart geformt und/oder an dem ersten bzw. zweiten Federelement angeordnet sind, dass die Federstruktur selbst dann, wenn sie durch den Ätzprozess schräg geformt wird (d.h. insbesondere eine Trenchflanke bzw. Ätzflanke mit einem nichtverschwindenden Trenchwinkel aufweist), sich mechanisch wie eine gerade geätzte Feder verhält – d.h. keine Taumelbewegung erzeugt. Die Taumelbewegung bezieht sich dabei insbesondere auf eine mechanisch induzierte Fehlauslenkung bzw. Abweichung der Auslenkbewegung von einer Antriebsrichtung, die während einer Auslenkbewegung des Massenelements entlang der (zur Haupterstreckungsebene des Substrats parallel oder senkrecht orientierten) Antriebsrichtung auftritt. Dies bedeutet insbesondere, dass es aufgrund der Anbringung des ersten Kompensationselements an dem ersten Federelement und der Anbringung des zweiten Kompensationselements an dem zweiten Federelementvorteilhaft möglich ist, dass sogar bei einem nichtverschwindenden Trenchwinkel die üblicherweise beim Stand der Technik auftretende Taumelbewegung weitestgehend verhindert wird, insbesondere auch dann wenn sich der mikromechanische Sensor in einer Ruhelage befindet. Hierdurch wird das durch die taumelartige Bewegung des Massenelements erzeugte Qudraturfehlsignal (Fehlsignal) gegenüber dem Stand der Technik zumindest reduziert oder sogar vollständig vermieden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das erste und zweite Federelement streckenweise aneinander gekoppelt sind. Aufgrund der Realisierung zweier Federelemente (d.h. des ersten und zweiten Federelements), die streckenweise im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und insbesondere streckenweise (mechanisch) aneinander gekoppelt sind, ist es weiterhin vorteilhaft möglich, dass das Quadratursignal gegenüber dem Stand der Technik dadurch reduziert wird, dass eine Fehlauslenkung eines der zwei Federelemente durch das jeweils andere Federelement der zwei Federelemente kompensiert (oder sogar gezielt überkompensiert) wird. Hierdurch wird ein mikromechanischer Sensor mit einem vergleichsweise einfach herstellbaren Kompensationselement zur mechanischen Quadraturkompensation bereitgestellt, wobei zusätzlich der Entwicklungsaufwand und die Fehleranfälligkeit des gesamten Sensors gegenüber dem Stand der Technik reduziert wird. Bevorzugt sind die zwei Federelemente als Federbalken ausgebildet, wobei die Federelemente alternativ auch eine gekrümmte Form – beispielsweise eine U-Form – aufweisen können. Weiterhin ist es vorteilhaft möglich, dass aufgrund der mechanischen Quadraturkompensation durch das Kompensationselement eine vergleichsweise kompakte Auswerteschaltung verwendet werden kann, sodass die Baugröße des Drehratensensors gegenüber dem Stand der Technik reduziert wird. Bevorzugt werden die beiden Kompensationselemente aus einer ersten Schicht gebildet und die beiden Federelemente aus einer zweiten Schicht gebildet, wobei die erste Schicht zwischen dem Substrat und der zweiten Schicht angeordnet ist. Weiterhin bevorzugt werden die Kompensationselemente während der Strukturierung der zweiten Schicht zumindest teilweise geformt, sodass die erste Federstrukturbreite und die erste Breite unterschiedlich sind und sodass die zweite Federstrukturbreite und die zweite Breite unterschiedlich sind. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, einen mikromechanischen Sensor derart bereitzustellen, dass die Form und/oder Anordnung des ersten und zweiten Kompensationselements an den während der Strukturierung der zweiten Funktionsschicht realisierten Trenchwinkel angepasst ist.
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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 sich eine Flanke des ersten Federelements entlang einer Längsrichtung zum Substrat hin erstreckt,
- – wobei die erste Breite des ersten Kompensationselements und die zweite Breite des zweiten Kompensationselements im Wesentlichen gleich groß sind, wenn die Längsrichtung und eine Normalrichtung parallel zueinander orientiert sind, wobei die Normalrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats orientiert ist, und/oder
- – wobei die erste Breite des ersten Kompensationselements und die zweite Breite des zweiten Kompensationselements unterschiedlich sind, wenn die Längsrichtung und die Normalrichtung nichtparallel zueinander orientiert sind.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass die erste Breite des ersten Kompensationselements und die zweite Breite des zweiten Kompensationselements durch den Trenchwinkel (welcher zwischen der Normalrichtung und der Längsrichtung eingeschlossen wird) in selbstjustierender Weise vorgegeben werden. Hierdurch wird eine Quadraturkompensation auf vergleichsweise einfache und effiziente Weise realisiert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Kompensationselement derart mit dem ersten Federelement verbunden ist, dass das erste Kompensationselement zumindest teilweise zwischen dem Substrat und dem ersten Federelement angeordnet ist, wobei das zweite Kompensationselement derart mit dem zweiten Federelement verbunden ist, dass das zweite Kompensationselement zumindest teilweise zwischen dem Substrat und dem zweiten Federelement angeordnet ist.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass das erste und zweite Kompensationselement zur Quadraturkompensation an dem ersten bzw. zweiten Federelement (insbesondere unterhalb des jeweiligen Federelements) angeordnet werden, sodass die Kompensationselementen während der Strukturierung der zweiten Schicht zumindest teilweise zusammen mit den Federelementen ausgebildet werden. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, den mikromechanischen Sensor auf selbstjustierende Weise herzustellen – d.h. die Form und/oder Anordnung des ersten und zweiten Kompensationselements wird in Abhängigkeit des während der Strukturierung der zweiten Funktionsschicht realisierten Trenchwinkels angepasst.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine erste Querschnittfläche des ersten Federelements und eine zweite Querschnittfläche des zweiten Federelements die gleiche Querschnittsform aufweisen, wobei insbesondere die erste Federstrukturbreite und die zweite Federstrukturbreite gleich groß sind.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass die Quadraturkompensation hauptsächlich durch das erste und zweite Kompensationselement realisiert wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass sich das erste Kompensationselement in einem weiteren ersten Teilbereich parallel zur Querrichtung entlang einer weiteren ersten Breite erstreckt, wobei sich das zweite Kompensationselement in einem weiteren zweiten Teilbereich parallel zur Querrichtung entlang einer weiteren zweiten Breite erstreckt, wobei die weitere erste Breite größer als die erste Federstrukturbreite ist und/oder wobei die weitere zweite Breite größer als die zweite Federstrukturbreite ist.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass ein Kompensationselement derart an dem Federelement angeordnet wird, dass sich der erste und/oder zweite Teilbereich parallel zur Querrichtung über das Federelement hinaus erstreckt, sodass durch einen vergleichsweise schmalen ersten Teilbereich in Kombination mit einem relativ breiten zweiten Teilbereich (insbesondere durch L-förmige Kompensationselemente) eine mechanische Steifigkeit der Federstruktur in Abhängigkeit einer (durch den Trenchwinkel definierten) Breite des zweiten Teilbereichs (selbstjustierend) angepasst wird. Hierdurch ist es vorteilhaft weiterhin möglich, dass ein Kompensationselement an dem Federelement angebracht werden kann und dennoch gegenüber dem Stand der Technik eine zusätzliche Vergrößerung der Bauhöhe des mikromechanischen Sensors entlang der Normalrichtung weitestgehend vermieden wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste Teilbereich hauptsächlich in einem dem zweiten Federelement zugewandten Bereich des ersten Federelements angeordnet ist, wobei der zweite Teilbereich hauptsächlich in einem dem ersten Federelement zugewandten Bereich des zweiten Federelements angeordnet ist.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass eine an den jeweiligen Trenchwinkel (selbstjustierend) angepasste geometrische Form und/oder Anordnung des ersten und zweiten Kompensationselements realisiert wird, sodass eine mechanische Quadraturkompensation auf vergleichsweise einfache und effiziente Weise realisiert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Federstruktur derart ausgebildet wird, dass das erste Federelement eine sich entlang einer Querrichtung erstreckende erste Federstrukturbreite aufweist und das zweite Federelement eine sich entlang der Querrichtung erstreckende zweite Federstrukturbreite aufweist, wobei in dem vierten Verfahrensschritt das erste Kompensationselement derart ausgebildet wird, dass sich das erste Kompensationselement in einem ersten Teilbereich parallel zur Querrichtung entlang einer ersten Breite erstreckt und die erste Federstrukturbreite und die erste Breite unterschiedlich sind, wobei in dem vierten Verfahrensschritt das zweite Kompensationselement derart ausgebildet wird, dass sich das zweite Kompensationselement in einem zweiten Teilbereich parallel zur Querrichtung entlang einer zweiten Breite erstreckt und die zweite Federstrukturbreite und die zweite Breite unterschiedlich sind.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass das erste und zweite Kompensationselement aus der ersten Schicht gebildet werden, sodass die erste Breite des ersten Kompensationselement und die zweite Breite des zweiten Kompensationselement an den Trenchwinkel angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das erste Kompensationselement in einem dem zweiten Federelement zugewandten Bereich mit dem ersten Federelement verbunden wird und/oder das zweite Kompensationselement in einem dem ersten Federelement zugewandten Bereich mit dem zweiten Federelement verbunden wird.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass das erste und zweite Kompensationselement in demselben Strukturierungsschritt bzw. Ätzschritt erzeugt werden, in dem auch das erste und zweite Federelement erzeugt werden. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, den mikromechanischen Sensor auf selbstjustierende Weise herzustellen – d.h. die Form und/oder Anordnung des ersten und zweiten Kompensationselements wird in Abhängigkeit des während der Strukturierung der zweiten Funktionsschicht realisierten Trenchwinkels angepasst.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem vierten Verfahrensschritt das erste Federelement derart ausgebildet wird, dass sich eine Flanke des ersten Federelements entlang einer Längsrichtung zum Substrat hin erstreckt, wobei ein Trenchwinkel zwischen der Längsrichtung und einer zu einer Haupterstreckungsrichtung des Substrats im Wesentlichen senkrechten Normalrichtung eingeschlossen wird, wobei die Federstruktur derart gebildet wird, dass die erste Breite und/oder die weitere erste Breite des ersten Kompensationselements durch den Trenchwinkel vorgegeben wird und/oder dass die zweite Breite und/oder die weitere zweite Breite des zweiten Kompensationselements durch den Trenchwinkel vorgegeben wird.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass die Kompensationselemente relativ zur Feder derart angeordnet werden, dass die Breiten der Kompensationselemente derart an den Trenchwinkel angepasst sind, dass gerade eine durch schräge Trenchflanken induzierte Quadratur durch die Kompensationselemente kompensiert wird. Insbesondere werden im vierten Verfahrensschritt, d.h. im Trenchprozess, die Kompensationselemente zumindest teilweise zusammen mit den Federelementen ausgebildet.
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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 bis 5 einen mikromechanischen Sensor gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung,
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6 bis 8 eine Federstruktur eines mikromechanischen Sensor gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung,
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9 einen mikromechanischen Sensor und eine Federstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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10a–10f und 11a bis 11g ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Sensors gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und
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12 eine Federstruktur eines mikromechanischen Sensors gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen 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 1 ist ein mikromechanischer Sensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Querschnittsansicht dargestellt.
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Beispielsweise ist der mikromechanische Sensor 1 als Drehratensensor und/oder Beschleunigungssensor ausgebildet.
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Der mikromechanische Sensor 1 umfasst ein eine Haupterstreckungsebene 100 aufweisendes Substrat 10, wobei hier eine zur Haupterstreckungsebene 100 im Wesentlichen senkrecht orientierte Normalrichtung 101 dargestellt ist. Weiterhin weist der mikromechanische Sensor ein relativ zum Substrat 10 bewegliches Massenelement 30 auf, wobei das bewegliche Massenelement 30 über eine Federstruktur 20 (hier nur angedeutet) mit dem Substrat 10 gekoppelt ist bzw. federelastisch an dem Substrat 10 angebunden ist. Das Massenelement 30 und die Federstruktur 20 werden hier zusammenfassend auch als bewegliche Siliziumstrukturen 20, 30 bezeichnet.
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Ferner umfasst der mikromechanische Sensor 1 bevorzugt eine erste Schicht 301 und eine zweite Schicht 302, wobei die erste Schicht 301 zwischen dem Substrat 10 und der zweiten Schicht 302 angeordnet ist. Beispielsweise umfasst die erste Schicht 301 eine Opferschicht, bevorzugt eine Oxidschicht, und/oder die zweite Schicht 302 eine Funktionsschicht 302, bevorzugt eine Siliziumschicht. Hier ist zumindest ein Teil der ersten Schicht 301 entfernt worden – d.h. die beweglichen Siliziumstrukturen 20, 30 sind freigestellt. Weiterhin umfasst die erste Schicht 301 insbesondere eine dritte Schicht 303 – beispielsweise eine vergleichsweise dünne dritte Schicht 303, bevorzugt eine Polysiliziumschicht.
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Zur Herstellung der beweglichen Siliziumstrukturen 20, 30 wird die zweite Schicht 302 strukturiert (insbesondere durch Anwendung eines Ätzverfahrens), wobei Gräben 31 in der zweiten Schicht mit vergleichsweise hohem Aspektverhältnis erzeugt werden. Daran anschließend wird die erste Schicht 301 zumindest teilweise entfernt – d.h. insbesondere wird zumindest die unter der vergleichsweise dicken zweiten Schicht 302 angeordnete Opferschicht der ersten Schicht 301 entfernt (siehe Bezugszeichen 301‘), sodass die Siliziumstrukturen 20, 30 frei beweglich sind. Zusätzlich ist hier die zwischen den beweglichen Siliziumstrukturen 20, 30 und dem Substrat angeordnete dritte Schicht 303 dargestellt. Diese dritte Schicht 303 umfasst beispielsweise einen Aufhängungsbereich 40 zur Aufhängung der beweglichen Siliziumstrukturen 20, 30 und/oder einen Elektrodenbereich 60 unter dem beweglichen Massenelement 30 und/oder einen Leiterbahnbereich.
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In 2 ist ein mikromechanischer Sensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Querschnittsansicht dargestellt, wobei insbesondere die hier dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen identisch zu den anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist. Der mikromechanische Sensor 1 umfasst hier eine Kappenstruktur 70 zur hermetische Abdichtung der beweglichen Strukturen 20, 30, wobei die beweglichen Strukturen in einer Kaverne 71 angeordnet sind. Die Kappenstruktur 70 wird beispielsweise in einem Bondverfahren durch Aufbringen eines Kappenwafers auf einen Sensorwafer hergestellt, sodass die Kaverne 71 gebildet wird. Weiterhin ist hier ein aus der dritten Schicht 303 hergestellter Leiterbahnbereich 80 zur elektrischen Kontaktierung der in der Kaverne 71 angeordneten beweglichen Strukturen 20, 30 dargestellt.
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In 3 und 4 ist ein mikromechanischer Sensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Querschnittsansicht dargestellt, wobei insbesondere die hier dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen identisch zu den anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist, wobei der hier dargestellte mikromechanische Sensor 1 das Massenelement 30 und ein weiteres Massenelement 30‘ umfasst (welche nachfolgend auch als zwei Massen 30, 30‘ bezeichnet werden). Die zwei Massen 30, 30‘ werden derart mit einer Antriebsbewegung beaufschlagt, dass die zwei Massen 30, 30‘ antiparallel (entgegengesetzt parallel) entlang einer Antriebsrichtung 102 ausgelenkt werden (Antriebsauslenkung). In 3 (oben) sind die zwei Massen 30, 30‘ in einer Ruhelage des mikromechanischen Sensors 1 dargestellt, d.h. der mikromechanische Sensor befindet sich hier in einem Inertialsystem. Durch die antiparallelle Antriebsauslenkung der zwei Massen ist der mikromechanische Sensor 1 derart konfiguriert, dass ein Ausgangssignal des mikromechanischen Sensors 1 eine Information darüber aufweist, ob der mikromechanische Sensor mit einer Beschleunigung (siehe 3, unten) beaufschlagt wird – wobei die zwei Massen 30, 30‘ entlang einer Detektionsrichtung (hier entlang der Normalrichtung 101) parallel zueinander ausgelenkt werden – oder mit einer Drehrate (siehe 4, oben) beaufschlagt wird – wobei die zwei Massen 30, 30‘ entlang der Detektionsrichtung (hier entlang der Normalrichtung 101) antiparallel zueinander ausgelenkt werden. Eine solche Auslenkung der zwei Massen 30, 30‘ wird hier auch als Detektionsauslenkung bezeichnet – die zugehörige Bewegung der zwei Massen 30, 30‘ als Detektionsbewegung. Hier erfolgt die Antriebsauslenkung entlang der zur Haupterstreckungsebene 100 parallel orientierten Antriebsrichtung 102 und die Detektionsauslenkung entlang der zur Haupterstreckungsebene 100 senkrecht orientierten Normalrichtung 101. Alternativ ist der mikromechanische Sensor 1 derart konfiguriert, dass die Antriebsauslenkung entlang der zur Haupterstreckungsebene 100 senkrecht orientierten Normalrichtung 101 und die Detektionsauslenkung entlang der zur Haupterstreckungsebene 100 parallel orientierten Antriebsrichtung 102 erfolgt. Es wurde festgestellt, dass es in beiden Fällen bei dem Stand der Technik vergleichsweise schwierig ist eine Bewegung der zwei Massen exakt parallel oder senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 10 zu realisieren, da die Strukturierung der Funktionsschicht nicht vollständig senkrecht erfolgt und bei unterschiedlichen mikromechanischen Sensoren unterschiedliche Trenchwinkel vorhanden sind. Ein daraus resultierender Effekt ist beispielhaft in 4 (unten) dargestellt, wobei nicht exakt senkrechte Trenchwinkel bewirken, dass die Antriebsbewegung und/oder Detektionsbewegung der zwei Massen 30, 30‘ jeweils eine Bewegungskomponente senkrecht zur gewünschten Bewegungsrichtung (d.h. zur Antriebsrichtung bzw. Detektionsrichtung) aufweisen. Die zwei Massen 30, 30‘ führen dabei auch dann eine Taumelbewegung (mit einer Bewegungskomponente entlang der Detektionsrichtung) aus, wenn der mikromechanische Sensor 1 sich in der Ruhelage befindet. Die Taumelbewegung (Quadratur) verursacht insbesondere ein Fehlsignal (ein sogenanntes Quadratursignal), welches erfindungsgemäß durch mechanische Quadraturkompensation verhindert oder reduziert wird.
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In 5 ist ein mikromechanischer Sensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt, wobei insbesondere die hier dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen identisch zu den anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist. In 5 (recht Seite) ist der mikromechanische Sensor 1 in einer schematischen Aufsicht gezeigt, wobei hier zusätzlich die Federstruktur 20 dargestellt ist. Das bewegliche Massenelement 30 ist hier über die Federstruktur 20 federelastisch an dem Aufhängebereich 40 angebunden, sodass das bewegliche Massenelement 30 eine Antriebsbewegung entlang der Antriebsrichtung 102 (welche hier auch als Querrichtung 102 bezeichnet wird) ausführt, wenn das bewegliche Massenelement 30 durch eine Antriebsanordnung 50 des mikromechanischen Sensors 1 mit der Antriebsbewegung beaufschlagt wird. Die Federstruktur 20 umfasst ein erstes und zweites Federelement 21, 22, wobei in 5 (linke Seite) nur das erste Federelement 21 der Federstruktur 20 entlang der Schnittlinie X-X‘ in einer schematischen Querschnittsansicht gezeigt ist, wobei insbesondere die nachfolgende Beschreibung des ersten Federelements 21 in entsprechender Weise auch für das zweite Federelement 22 gilt. Das erste Federelement 21 weist eine Flanke 211 (Trenchflanke bzw. Ätzflanke) auf, die sich entlang einer Längsrichtung 201 zum Substrat 10 hin erstreckt. Hier sind die Längsrichtung 201 und die Normalrichtung 101 nichtparallel – d.h. die Längsrichtung 201 schließt mit der Normalrichtung 101 einen nichtverschwindenden Trenchwinkel 201‘ ein. Das bedeutet beispielsweise, dass ein oberer Flächenschwerpunkt 215 eines oberen Teils des ersten Federelements 21 entlang einer zur Normalrichtung 101 parallelen Projektionsrichtung versetzt zu einem unteren Flächenschwerpunkt 215‘ eines unteren Teils des ersten Federelements 21 angeordnet ist, sodass die Taumelbewegung erzeugt wird – d.h. die schräge Flanke 211 des ersten Federelements 21 bewirkt in diesem Beispiel, dass das Massenelement 30 entlang der eine zur Normalrichtung 101 parallele Komponente aufweisenden Bewegungsrichtung 202 bewegt wird, wenn das Massenelement 30 entlang der zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen Antriebsrichtung 102 des Substrats 10 angetrieben wird – und zwar auch dann, wenn sich der mikromechanische Sensor 1 in einer Ruhelage befindet.
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In 6 ist eine Federstruktur 20 eines mikromechanischen Sensors 1 gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in schematischer Querschnittsansicht dargestellt, wobei insbesondere die hier dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen identisch zu den anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist. In 6 ist ein erstes Federelement 21 dargestellt, wobei die Längsrichtung 201 und die Normalrichtung 101 parallel zueinander orientiert sind (linke Seite) oder wobei die Längsrichtung 201 und die Normalrichtung 101 nichtparallel zueinander orientiert sind (mittlere Darstellung und rechte Seite).
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In 7 ist eine Federstruktur 20 eines mikromechanischen Sensors 1 gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in schematischer Querschnittsansicht dargestellt, wobei insbesondere die hier dargestellten Ausführungsformen im Wesentlichen identisch zu den anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind. Die Federstruktur 20 ist derart konfiguriert, dass das erste und zweite Federelement 21, 22 streckenweise im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und streckenweise aneinander gekoppelt sind. Hier ist ein Querschnitt der Federstruktur 20 entlang einer Querrichtung 102 dargestellt, wobei die Querrichtung 102 insbesondere senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der Federstruktur 20 (beispielsweise im Falle von als Federbalken ausgebildeten Federelementen 21,22) bzw. senkrecht zu einer Hauptverlaufslinie der Federstruktur 20 (beispielsweise im Falle einer U-förmigen Federstruktur 20) orientiert ist. Die Federstruktur 20 umfasst neben dem ersten und zweiten Federelement 21, 22 noch ein erstes und zweites Kompensationselement 23, 24 zur Quadraturkompensation, wobei das erste Kompensationselement 23 mit dem ersten Federelement 21 verbunden ist, wobei das zweite Kompensationselement 24 mit dem zweiten Federelement 22 verbunden ist. Das erste Federelement 21 weist eine sich entlang der Querrichtung 102 erstreckende erste Federstrukturbreite 210 auf und das zweite Federelement 22 weist eine sich entlang der Querrichtung 102 erstreckende zweite Federstrukturbreite 220 auf. Das erste Kompensationselement 23 erstreckt sich in einem ersten Teilbereich parallel zur Querrichtung 102 entlang einer ersten Breite 230 und das zweite Kompensationselement 24 erstreckt sich in einem zweiten Teilbereich parallel zur Querrichtung 102 entlang einer zweiten Breite 240. Erfindungsgemäß bevorzugt sind die erste Federstrukturbreite 210 und die erste Breite 230 unterschiedlich breit, sowie die zweite Federstrukturbreite 220 und die zweite Breite 240 unterschiedlich breit. In 7 ist auf der linken Seite eine Federstruktur 20 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Längsrichtung 201 und die Normalrichtung 101 parallel zueinander orientiert sind. Weiterhin ist in 7 auf der rechten Seite eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Längsrichtung 201 und die Normalrichtung 101 nichtparallel zueinander orientiert sind.
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Insbesondere wird durch Anbringen eines Kompensationselements – hier des ersten Kompensationselements 23 – an das nach innen getrenchte Federelement – hier des ersten Federelements 21 – erreicht, dass der oberer Flächenschwerpunkt 215 des oberen Teils weiterhin über dem unteren Flächenschwerpunkt 215‘ des unteren Teils liegt. Insbesondere bezieht sich hier „das nach innen getrenchte Federelement“ auf dasjenige Federelement, welches – betrachtet aus einer Blickrichtung parallel zur Normalrichtung 101 auf das Substrat 10 hin – eine auf das jeweils andere Federelement zulaufende Flanke 211 aufweist. Bevorzugt wird die erste und/oder zweite Breite 230, 240 des Kompensationselements im Herstellungsverfahren an den Trenchwinkel 201‘ in einem mit dem Trenchwinkel 201‘ korrespondierenden Maß angepasst. Bevorzugt wird eine Grundform (d.h. einer Form einer Vorläuferstruktur aus welcher die Kompensationselemente 23, 24 in dem vierten Verfahrensschritt in einem Vertiefungsbereich 25 gebildet werden), eine geometrische Form (d.h. Höhe parallel zur Normalrichtung 101 und/oder Breite parallel zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 10) und/oder ein Abstand zwischen dem ersten und zweiten Federelements 21, 22 derart angepasst, dass eine Taumelbewegung vermieden wird.
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In 8 ist eine Federstruktur 20 eines mikromechanischen Sensors 1 gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in schematischer Querschnittsansicht dargestellt, wobei insbesondere die hier dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen identisch zu den anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist. Bevorzugt erfolgt die Strukturierung ersten Schicht 301 derart, dass eine trapezförmige Vertiefung 25 (mit einer positiven weiteren Flanke) in der ersten Schicht 301 erzeugt wird. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass Reste in dem (durch Bezugszeichen 25‘ auf der rechten Seite von 8 angedeuteten) Bereich entstehen, wenn der Trenchprozess bis in diesen Bereich hineinreicht.
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In 9 ist ein mikromechanischer Sensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Querschnittsansicht dargestellt, wobei insbesondere die hier dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen identisch zu den anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist. Hier ist illustriert, dass das bewegliche Massenelement 30 über eine Federstruktur 20 mit dem Substrat 10 gekoppelt ist, wobei das erste und zweite Federelement 21, 22 streckenweise im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und streckenweise – insbesondere über Koppelelemente 26 – aneinander gekoppelt sind.
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In 10a bis 10f ist ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Sensors 1 gemäß einer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei insbesondere die hier dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen identisch zu den anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist. In einem ersten Herstellungsschritt wird eine erste Schicht 301 auf einem Substrat 10 abgeschieden wird, wobei das Substrat 10 oder die erste Schicht 301 eine erste Teilschicht 301‘ umfasst (siehe 10a). Anschließend wird in einem zweiten Herstellungsschritt auf dem Substrat mit der ersten Schicht 301 (siehe 10b) ein Vertiefungsbereich 25 in der ersten Schicht 301 erzeugt, wie in 10c illustriert. Die Strukturierung der ersten Schicht 301 erfolgt beispielsweise über einen Zeitätzprozess. In einem dritten Herstellungsschritt wird nachfolgend eine zweite Schicht 302 insbesondere derart abgeschieden, dass der Vertiefungsbereich 25 mit dem Material der zweiten Schicht 302 ausgefüllt ist. In einem vierten Herstellungsschritt wird die zweite Schicht 302 strukturiert, wobei die Federstruktur 20 und das Massenelement 30 aus der zweiten Schicht 302 gebildet werden, wobei die Federstruktur 20 derart ausgebildet wird, dass ein erstes und zweites Federelement 21, 22 der Federstruktur 20 streckenweise im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und streckenweise aneinander gekoppelt sind. Weiterhin wird in dem vierten Herstellungsschritt, während der Strukturierung der zweiten Schicht 302, das erste Kompensationselement 23 und das zweite Kompensationselement 24 zur Quadraturkompensation in dem Vertiefungsbereich 25 gebildet, sodass das erste Kompensationselement 23 mit dem ersten Federelement 21 verbunden wird und das zweite Kompensationselement 24 mit dem zweiten Federelement 24 verbunden wird (siehe 10e). In einem nachfolgenden fünften Herstellungsschritt wird das Massenelement 30 und die Federstruktur 20 freigestellt, wobei die erste Schicht 301 zumindest teilweise entfernt wird.
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Beispielsweise wird die erste Schicht 301 in einem Opferschichtätzverfahren, beispielsweise Flusssäure (HF) Gas-Phasen-Ätzen entfernt und die Federstruktur 20 freigestellt.
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In 11a bis 11g ist ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Sensors 1 gemäß einer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei insbesondere die hier dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen identisch zu den anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist, wobei hier vor dem ersten Verfahrensschritt oder während des ersten Verfahrensschritts eine dritte Schicht 303 – beispielsweise eine Stoppschicht 303 – auf der ersten Teilschicht 301‘ aufgebracht wird (siehe 11a, 11b und 11c). Beispielsweise ist die Stoppschicht eine vergrabene Polysiliziumschicht. Die dritte Schicht 303 wird insbesondere dazu verwendet, ein L-förmiges erstes und zweites Kompensationselement 23, 24 zu erzeugen (siehe 11d, 11e, 11f und 11g).
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In 12 ist eine Federstruktur 20 eines mikromechanischen Sensors 1 gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die hier dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen identisch zu den anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist. Hier ist der erste Teilbereich durch Bezugszeichen 23‘ und der zweite Teilbereich durch Bezugszeichen 24‘ angedeutet. Das erste Kompensationselement 23 erstreckt sich in einem weiteren ersten Teilbereich (siehe Bezugszeichen 23‘‘) parallel zur Querrichtung 102 entlang einer weiteren ersten Breite 230‘ und das zweite Kompensationselement 24 erstreckt sich in einem weiteren zweiten Teilbereich (siehe Bezugszeichen 24‘‘) parallel zur Querrichtung 102 entlang einer weiteren zweiten Breite 240‘. Die weitere erste Breite 230‘ ist hier größer als die erste Federstrukturbreite 210 und die weitere zweite Breite 240‘ ist hier größer als die zweite Federstrukturbreite 220. Insbesondere werden der erste und zweite Teilbereich auch als erster bzw. zweiter Verbindungsbereich bezeichnet. Hier weist der erste und zweite Verbindungsbereich (siehe Bezugszeichen 23‘, 24‘) an einander abgewandten Seiten des ersten und zweiten Federelements 21, 22 jeweils eine Vertiefung auf. Der weitere erste und zweite Teilbereich wird hier auch als erster bzw. zweiter Zusatzbereich bezeichnet. Durch eine vergleichsweise breite Zusatzstruktur ist es aufgrund einer Federsteifigkeit (die bevorzugt mit der dritten Potenz der Breite skaliert) vorteilhaft möglich, ein erstes und zweites Kompensationselement zu realisieren, das eine vergleichsweise geringe Höhe (entlang der Normalrichtung 101) aufweist und daher besonders einfach herstellbar ist, wobei dennoch eine durch schräge Trenchwinkel erzeugte Quadratur kompensiert wird.
