DE102014223886A1

DE102014223886A1 - MEMS-Vorrichtung

Info

Publication number: DE102014223886A1
Application number: DE102014223886.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kolb; Andreas Meisner; Till Schlösser; Wolfgang Werner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2014-11-24
Publication date: 2015-05-28
Also published as: CN104671186B; US9162868B2; US20150145074A1; CN104671186A; US20160052776A1

Abstract

Eine MEMS-Vorrichtung umfasst eine feste Elektrode und eine bewegliche Elektrode, die isoliert angeordnet und durch einen Abstand von der ortsfesten Elektrode beabstandet ist. Die bewegliche Elektrode ist mittels eines oder mehrerer Abstandsstücke, die ein Isoliermaterial aufweisen, in Bezug auf die feste Elektrode aufgehängt, wobei die bewegliche Elektrode an dem einen oder den mehreren Abstandsstücken seitlich angebracht ist.

Description

GEBIET
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen sowohl eine MEMS-Vorrichtung, eine als Beschleunigungssensor, Feuchtigkeitssensor, Bolometer bzw. Drucksensor verwendete MEMS-Vorrichtung, als auch ein Verfahren zur Herstellung einer MEMS-Vorrichtung.
HINTERGRUND
Eine MEMS-Vorrichtung, auch als mikro-elektromechanisches System bezeichnet, wird häufig als Sensor verwendet, etwa Beschleunigungssensoren, Drucksensoren oder Schallwellensensoren (Mikrofon). Alle diese MEMS-Vorrichtungen weisen ein bewegliches Element auf, beispielsweise eine Membran oder einen Kragarm, wobei die Bewegung des beweglichen Elements, die z. B. durch eine Druckänderung oder eine Beschleunigung herbeigeführt wird, kapazitiv erfasst werden kann. So umfasst eine übliche Variante einer MEMS-Vorrichtung eine bewegliche Elektrode als bewegliches Element und eine feste Elektrode, die der beweglichen Elektrode gegenüberliegt, sodass eine Abstandsänderung zwischen den zwei Elektroden (aufgrund der Bewegung des beweglichen Elements) zu einer kapazitiven Änderung führen kann.
Typischerweise weisen MEMS-Vorrichtungen eine eingeprägte Kapazität auf, die hauptsächlich durch die zwei Elektroden bestimmt ist, und eine parasitäre Kapazität der MEMS-Vorrichtung. Die Kapazitätsänderung, die auf die Bewegung des beweglichen Elements schließen lässt, ist oft relativ klein im Vergleich zur Gesamtkapazität der MEMS-Vorrichtung. Zur Kompensation fertigungstechnisch bedingter Abweichungen, vor allem im Zusammenhang mit der parasitären Kapazität, werden Mittel für ein Offset bereitgestellt. Folglich gibt es einen Bedarf an einer verbesserten Methode, die ermöglicht, die parasitäre Kapazität zu verringern.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Ausführungsform der Offenbarung stellt eine MEMS-Vorrichtung bereit, die eine feste Elektrode und eine bewegliche Elektrode umfasst. Die bewegliche Elektrode ist isoliert angeordnet und durch einen Abstand von der festen Elektrode beabstandet. Die bewegliche Elektrode ist mittels eines oder mehrerer Abstandsstücke, die ein Isoliermaterial aufweisen, in Bezug auf die feste Elektrode aufgehängt, wobei die bewegliche Elektrode an dem einen oder den mehreren Abstandsstücken seitlich angebracht ist.
Eine weitere Ausführungsform stellt eine MEMS-Vorrichtung bereit, die ein Substrat und eine bewegliche Elektrode umfasst. Das Substrat umfasst eine feste Elektrode. Die bewegliche Elektrode ist isoliert angeordnet und durch einen Abstand von der festen Elektrode beabstandet, die eine Rechteckform aufweist. Die bewegliche Elektrode ist mittels eines oder mehrerer Abstandsstücke, die ein isolierendes Oxid an ihren Ecken aufweisen, in Bezug auf die feste Elektrode aufgehängt, wobei die bewegliche Elektrode an dem einen oder den mehreren Abstandsstücken seitlich angebracht ist. Der Abstand zwischen der festen Elektrode und der beweglichen Elektrode ist veränderlich, wobei eine Änderung des Abstandes zu einer Änderung einer Kapazität führt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst eine MEMS-Vorrichtung eine feste Elektrode und eine bewegliche Elektrode, die isoliert angeordnet und durch einen Abstand von der festen Elektrode beabstandet ist. Die bewegliche Elektrode ist mittels eines oder mehrerer Abstandsstücke, die ein Isoliermaterial aufweisen, in Bezug auf die feste Elektrode aufgehängt, wobei die bewegliche Elektrode an dem einen oder den mehreren Abstandsstücken seitlich angebracht ist. Hierbei ist eine Grundfläche des einen oder der mehreren Abstandsstücke im Vergleich zur Grundfläche der beweglichen Elektrode wenigstens zwanzig Mal kleiner.
Eine weitere Ausführungsform stellt ein Verfahren zur Herstellung einer MEMS-Vorrichtung bereit. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen einer Opferschicht an einer festen Elektrode, ein Bereitstellen einer beweglichen Elektrode an der Opferschicht, derart, dass ein die Opferschicht und die bewegliche Elektrode umfassender Schichtstapel gebildet wird. Außerdem umfasst das Verfahren ein Bereitstellen eines oder mehrerer Abstandsstücke, die angrenzend an den Schichtstapel ein Isoliermaterial umfassen, derart, dass die bewegliche Elektrode an dem einen oder den mehreren Abstandsstücken seitlich angebracht ist, und ein Entfernen der Opferschicht wenigstens in einem Abschnitt, der mit einem Abschnitt der beweglichen Elektrode fluchtet, derart, dass die bewegliche Elektrode durch einen Abstand von der festen Elektrode beabstandet ist. Das hat zur Folge, dass die bewegliche Elektrode mittels des einen oder der mehrerer Abstandsstücke in Bezug auf die feste Elektrode aufgehängt ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erörtert, worin
1 eine schematische Querschnittansicht einer MEMS-Vorrichtung mit zwei Elektroden zeigt, die gemäß einer ersten Ausführungsform mittels eines oder mehrerer Abstandsstücke in Bezug aufeinander aufgehängt sind;
2a und 2b eine Querschnittansicht und eine Draufsicht einer weiteren MEMS-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigen;
3a bis 3f aufeinanderfolgende Vorgänge eines Verfahrens zur Herstellung der MEMS-Vorrichtung von 2a und 2b zeigen;
4a eine Draufsicht auf eine MEMS-Vorrichtung zeigt, die gemäß einer Ausführungsform als Beschleunigungssensor verwendet wird;
4b eine Draufsicht auf eine MEMS-Vorrichtung zeigt, die gemäß einer Ausführungsform als Drucksensor verwendet wird; und
5a und 5b eine Querschnittansicht und eine Draufsicht einer weiteren MEMS-Vorrichtung zeigen, die zwei Elektroden umfasst, die gemäß einer weiteren Ausführungsform mittels eines oder mehrerer Abstandsstücke, die in eine der Elektroden eingebettet sind, in Bezug aufeinander aufgehängt sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der hier offenbarten Lehren unter Bezugnahme auf 1 bis 5 erörtert, wobei in der Zeichnung Objekten mit völlig gleicher oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen gegeben worden sind, sodass Objekte, die in verschiedenen Ausführungsformen mit völlig gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, untereinander austauschbar sind und die Beschreibung davon für alle anwendbar ist.
1 zeigt eine Querschnittansicht einer MEMS-Vorrichtung 10 mit einer festen Elektrode 12 und einer beweglichen Elektrode 14. Hier sind die feste Elektrode 12 und die bewegliche Elektrode 14 so angeordnet, dass beide, mit einem Abstand 16 dazwischen, einander gegenüberliegen. In einer Ausführungsform sind die zwei Elektroden 12 und 14 im Wesentlichen parallel zueinander. Die zwei Elektroden 12 und 14 sind mittels eines oder mehrerer Abstandsstücke 18 voneinander beabstandet. Das eine oder die mehreren Abstandsstücke sind zwischen zwei Elektroden 12 und 14 angeordnet und an denselben befestigt. Im Detail: Die Abstandsstücke 18 können mittels einer Hauptfläche 12m, die der beweglichen Elektrode 14 zugewandt ist, an der festen Elektrode 12 angebracht sein. Ferner sind die Abstandsstücke 18 mittels einer Stirnfläche 14f der beweglichen Elektrode 14 an der beweglichen Elektrode 14 angebracht; d. h. dass das eine oder die mehreren Abstandsstücke 18 seitlich angrenzend an die bewegliche Elektrode 14 (und folglich seitlich aneinander angrenzend) angeordnet sind. Der Hintergrund der seitlichen Anordnung der beweglichen Elektrode 14 und der Abstandsstücke 18 wird nachstehend erörtert und zwar nach einer Erörterung des gesamten Aufbaus und der Funktionalität der MEMS-Vorrichtung 10.
Die feste Elektrode 12 ist ortsfest, so kann dieselbe beispielsweise an einem Substrat (nicht gezeigt) angeordnet sein. Umgekehrt ist die bewegliche Elektrode 14 wenigstens entlang einer ersten Richtung (durch den Pfeil 16 veranschaulicht) beweglich. Um die Bewegung zu erzielen, bildet oder besitzt die bewegliche Elektrode 14 einen Verformungsbereich. Alternativ kann der Verformungsbereich an der Verbindung oder der Grenzlinie zwischen der beweglichen Elektrode 14 und dem Abstandsstück 18 oder vom Abstandsstück 18 selbst gebildet sein. Im Allgemeinen bedeutet dies im Hinblick auf das eine oder die mehreren Abstandsstücke 18, dass der Zweck des einen oder der mehreren Abstandsstücke 18 darin besteht, eine Aufhängung der beweglichen Elektrode 14 in Bezug auf die feste Elektrode 12 zu schaffen.
Die zwei Elektroden 12 und 14 bilden eine Kapazität, demnach sind die zwei Elektroden 12 und 14 voneinander isoliert. Deswegen weisen die Abstandsstücke 18 ein Isoliermaterial auf, etwa ein Oxid oder ein Nitrid. Alternativ kann das Abstandsstück 18 ein anderes Isoliermaterial aufweisen, beispielsweise Monosilicium, wobei eine Dotierung derart ausgewählt ist, dass das Monosilicium nichtleitend ist.
Das Bewegungsausmaß ist derart ausgelegt, dass der Abstand 16 veränderlich ist. Eine Änderung des Abstandes 16 ruft eine Änderung der Kapazität hervor. Folglich ist eine Abstandsänderung oder eine Bewegung der beweglichen Elektrode 14 aufgrund der Kapazitätsänderung erfassbar. Dank der seitlichen Verbindung zwischen der beweglichen Elektrode 14 und den Abstandsstücken 18 mittels der Stirnflächen 14f kann vermieden werden, dass große Abschnitte der Elektroden 12 und 14 mit einem Oxid dazwischen einander zugewandt sind. Es ist zu beachten, dass diese Bereiche typischerweise parasitäre Kapazitäten hervorrufen. Der Hintergrund davon ist, dass die parasitäre Kapazität hauptsächlich in Bereichen des Oxids, oder allgemein ausgedrückt des Dielektrikums, hervorgerufen wird und zwar aufgrund der im Vergleich zur Dielektrizitätskonstante ε_Hohlraum des Hohlraums (hier 1,0, vgl. den mit 16 markierten Bereich) erhöhten Dielektrizitätskonstante ε_{Abstandsstück} (z. B. für ein Oxid 3,9). Folglich ermöglicht die Struktur der MEMS-Vorrichtung 10, die Bereiche zu verkleinern, die hauptsächlich für die parasitäre Kapazität verantwortlich sind. Anders ausgedrückt, diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Kapazität hauptsächlich durch den Überlappungsbereich der zwei Elektroden 12 und 14 und den Abstand 16 zwischen den zwei Elektroden 12 und 14 bestimmt ist. Folglich hat die MEMS-Vorrichtung 10 eine gegenüber MEMS-Vorrichtungen des Standes der Technik verringerte parasitäre Kapazität, dank der Art der Aufhängung der beweglichen Elektrode 14. Dies führt zu verbesserten elektrischen Kennwerten. Ein Haupteffekt ist, dass die Schaltung zum Auswerten der Bewegung der beweglichen Elektrode 14 keine Mittel für ein Offset des Signals von der Vorrichtung 10 benötigt.
Mit Bezug auf 2a und 2b wird eine weitere Ausführungsform einer MEMS-Vorrichtung 10' erörtert. Die MEMS-Vorrichtung 10' ist hier in 2a in einer Querschnittansicht (AA) gezeigt, wobei 2b eine Draufsicht auf die Vorrichtung 10' zeigt. Die Vorrichtung 10' umfasst ein Substrat 20, auf dem die feste Elektrode 12 ausgebildet ist, oder allgemeiner ausgedrückt, das die feste Elektrode 12 umfasst. Die zweite Elektrode 14 ist mit dem Abstand 16 über der Oberfläche 12m angeordnet. Gemäß dieser Ausführungsform ist die bewegliche Elektrode 14 mittels mehrerer Abstandsstücke 18a, 18b, 18c und 18d aufgehängt. Hierbei bildet die Elektrode eine Membran 14 und weist eine Verformungszone auf, die neben oder an der Grenzlinie zwischen der Membran 14 und den Abstandsstücken 18a, 18b, 18c und 18d liegt. Die mehreren Abstandsstücke 18a, 18b, 18c und 18d sind an den Ecken der beweglichen Elektrode 14 mit Öffnungen dazwischen angeordnet. Es ist zu beachten, dass die Öffnungen durch die Bezugszeichen 19a, 19b, 19c und 19d markiert sind. Wie anhand der Ausführungsform von 2b ersichtlich, sind die Öffnungen 19a, 19b, 19c und 19d an den Längsseiten der rechteckförmigen Membran 14 angeordnet.
Wie vor allem in der Draufsicht 2b zu sehen, ist die addierte Grundfläche der mehreren Abstandsstücke 18a, 18b, 18c und 18d im Vergleich zur Grundfläche der beweglichen Elektrode 14 signifikant kleiner. Beispielsweise kann das Verhältnis zwischen den zwei Grundflächen 1:10 oder 1:20 oder sogar 1:100 sein. Ausgehend von einer beispielhaften Größe der beweglichen Elektrode 14 von 35 μm × 35 μm (bis zu 200 μm × 200 μm) ist die Grundfläche eines jeweiligen Abstandsstücks 18a, 18b, 18c oder 18d kleiner als 70 μm oder kleiner als 20 μm² (kleiner als 5% oder 1% der Grundfläche der beweglichen Elektrode 14). Die Grundflächengröße steht mit der Summe aller Abstandsstücke 18a, 18b, 18c und 18d in Beziehung. Folglich kann die jeweilige Grundfläche eines einzelnen Abstandsstücks 18a, 18b, 18c oder 18d kleiner als 2,5% oder sogar kleiner als 0,25% der Grundfläche der beweglichen Elektrode 14 sein (abhängig von der Anzahl der Abstandsstücke 18a, 18b, 18c und 18d). Dies führt zu dem oben erörterten Vorteil des verbesserten elektrischen Kennwerts.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann an einem der Abstandsstücke 18a, 18b, 18c oder 18d ein Leiter 26 angeordnet sein, um die bewegliche Elektrode 14 elektrisch anzuschließen. Dieser Leiter 26 ist als eine Schicht angeordnet, die entlang der Oberfläche des Abstandsstücks 18a derart ausgebildet ist, dass sie sich vom Substrat 20 auf die bewegliche Elektrode 14 erstreckt. Um den Leiter von der Elektrode 12 zu isolieren, kann, gemäß einer weiteren Ausführungsform, das Substrat 20 einen Isolator 28 umfassen, der zwischen dem Leiter 26 und der Elektrode 12 angeordnet ist. Gemäß dieser weiteren Ausführungsform kann der Leiter 26 einen Abschnitt 26a umfassen, der sich durch den Isolator 28 hindurch in das Substrat 20 erstreckt.
Mit Bezug auf 3a bis 3f wird ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung der MEMS-Vorrichtung 10' erörtert.
3a zeigt einen ersten Vorgang des Bereitstellens des Substrats 20 und der festen Elektrode 12 auf dem Substrat 20. Danach wird auf der Oberfläche 12m der festen Elektrode 12 eine Opferschicht 32 aufgebracht, wie durch 3b veranschaulicht. In einer Ausführungsform kann die Opferschicht 32 auf die gesamte Oberfläche 12m der Elektrode 12 aufgebracht werden, wobei die Dicke der Opferschicht 32 auf der Grundlage des Abstandes 16 gewählt ist (vgl. 2a).
Der Werkstoff der Opferschicht 32 kann SiGe oder ein anderer/einen anderen Werkstoff, der durch isotropes Ätzen geätzt werden kann, sein/enthalten. Ein Verwenden von SiGe als Opferschicht 32 hat den Vorteil, dass die bewegliche Elektrode 14, die z. B. monokristallines Silicium aufweist, durch Epitaxie gebildet werden kann. Die Ätzgeschwindigkeit der Opferschicht 32 ist im Vergleich zur Ätzgeschwindigkeit der Membran 14 oder einer anderen Funktionsschicht (z. B. der Elektrode 12, 14 und 32 oder des Abstandsstücks 18) verschieden (beispielsweise höher), um ein selektives (Nass- oder Trocken-)Ätzen der Opferschicht 32 zu ermöglichen.
3c zeigt das Verfahren nach Bereitstellung der beweglichen Elektrode 14 auf der Opferschicht 32. Die bewegliche Elektrode 14 kann Polysilicium, Monosilicium oder ein Metall, etwa eine Legierung, umfassen, wobei der ausgewählte Werkstoff typischerweise vom Werkstoff der Opferschicht 32 und insbesondere von der Technologie abhängt, die zum Entfernen der Opferschicht 32 verwendet wird. Im Detail: Typischerweise werden als Werkstoff für die bewegliche Elektrode 14 Polysilicium, Monosilicium und Nitrid verwendet, wenn die MEMS-Vorrichtung in der Anfangsphase der Fertigung (FEOL, Front End of Line) gefertigt wird, wobei typischerweise eine bewegliche Metallelektrode 14 verwendet wird, wenn die MEMS-Vorrichtung 10' in der Endphase der Fertigung (BEOL, Back End of Line) gefertigt wird. Es ist zu beachten, dass Monosilicium die Herstellung einer robusten und zuverlässigen Elektrode 14 mit einem niedrigen Spannungsgradienten ermöglicht. Außerdem wird der Werkstoff der beweglichen Elektrode 14 in Abhängigkeit vom Werkstoff der Abstandsstücke 18 (die während eines der nächsten Vorgänge bereitgestellt werden) ausgewählt.
Im Detail: 3c veranschaulicht den Vorgang des Strukturierens der beweglichen Elektrode 14. Hierbei wird der Schichtstapel, der die zwei Schichten 14 und 32 umfasst, derart geätzt, dass die Form, z. B. die Rechteckform, der beweglichen Elektrode 14 festgelegt wird. Mit anderen Worten, das bedeutet, dass die Struktur des Schichtstapels 14, 32 durch Anwenden von Lithographietechnologien und/oder anisotropen Ätztechnologien festgelegt wird. Das Ergebnis dieses durch 3c veranschaulichten Vorgangs ist ein Schichtstapel 14, 32 mit der gewünschten Endform der beweglichen Elektrode 14.
Der nächste Vorgang, veranschaulicht durch 3d, ist das Bereitstellen der Abstandsstücke 18. Hierbei wird der Vorgang derart ausgeführt, dass die Abstandsstücke 18 um den Schichtstapel 14, 32 angeordnet sind.
Folglich werden die Abstandsstücke 18 typischerweise seitlich neben der beweglichen Elektrode 14 oder neben dem Schichtstapel 14, 32 bereitgestellt, z. B. durch Abscheidung des Abstandsstück-Oxids. Die Abscheidung des Abstandsstücks 18 erfolgt derart, dass die Dicke des Abstandsstücks 18 im Wesentlichen der Dicke des Schichtstapels entspricht, um die Verbindung zwischen der beweglichen Elektrode 14 und den Abstandsstücken 18 zu ermöglichen, und derart, dass eine gute (haftende) Verbindung zwischen der beweglichen Elektrode 14 und den Abstandsstücken 18 erzielt wird.
Die Abstandsstücke 18 können in strukturierter Weise bereitgestellt werden, z. B. unter Verwendung einer Maske, derart, dass die Grundfläche möglichst gering ist, um die parasitäre Kapazität zu verringern, wie voranstehend erläutert wurde. Das Bereitstellen der Abstandsstücke 18 in strukturierter Weise ermöglicht einem gleichzeitig, dieselben derart bereitzustellen, dass die Öffnungen (vgl. 19a, 19b, 19c und 19d) dazwischen angeordnet sind. Diese Öffnungen haben den Zweck, das Entfernen der Opferschicht in einem der nächsten Vorgänge zu ermöglichen. Alternativ können die Form der Abstandsstücke 18 und folglich die Grundfläche wie auch die Öffnungen der Abstandsstücke 18 nachträglich durch ein anderes (beispielsweise anisotropes) Ätzverfahren begrenzt werden.
Wie durch 3e veranschaulicht, soll durch den nächsten Vorgang die Opferschicht 32 entfernt werden. Dies kann durch isotropes (Nass- oder Trocken-)Ätzen erfolgen. Dank der Öffnungen zwischen den Abstandsstücken 18 wird eine gute Zugänglichkeit erreicht. Nach dem Entfernen der Opferschicht 32 ist die bewegliche Elektrode 14 durch die seitlich angebrachten Abstandsstücke 18 aufgehängt. Es sollte beachtet werden, dass in einer Ausführungsform die Opferschicht 32 vollständig entfernt ist, jedoch alternativ hauptsächlich oder wenigstens teilweise, d. h. zu mehr als 75%, 90% oder sogar 99%, bezogen auf den gesamten Opferschichtbereich 32, entfernt sein kann.
3f zeigt einen letzten, optionalen Vorgang des Herstellungsverfahrens, wobei die bewegliche Elektrode 14 elektrisch kontaktiert wird. Hierbei wird der elektrische Leiter 26 an der Oberfläche eines der Abstandsstücke 18 bereitgestellt, derart, dass sich der Leiter 26 vom Substrat 20 zur zweiten Elektrode 14 erstreckt.
Es sollte beachtet werden, dass das dargestellte Verfahren zur Herstellung optional weitere Vorgänge umfassen kann, etwa Polieren oder Planarisieren.
4a zeigt eine weitere MEMS-Vorrichtung 10'', die der MEMS-Vorrichtung 10' von 2a im Wesentlichen gleich oder ähnlich ist, wobei die bewegliche Elektrode 14'' als Kragarm ausgebildet ist. Der hammerförmige Kragarm 14'' ist mittels zweier Abstandsstücke, nämlich der Abstandsstücke 18a und 18b, aufgehängt. Was die weiteren Elemente, nämlich die erste Elektrode 12, das Substrat 20, den Leiter 26 und den Isolator 28, anbelangt, so ist die MEMS-Vorrichtung 10'' der MEMS-Vorrichtung 10' gleich oder ähnlich. Die gezeigte MEMS-Vorrichtung 10'' kann als Beschleunigungssensor verwendet werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Beschleunigungssensor 10'' einen Deckel umfassen, der am Substrat 20 derart angeordnet ist, dass die MEMS-Struktur mit den zwei Elektroden 12 und 14'' (14) gegen die Umgebung abgeschirmt ist.
4b zeigt eine weitere MEMS-Vorrichtung 10'''. Die weitere MEMS-Vorrichtung 10''' ist der MEMS-Vorrichtung 10' von 2a im Wesentlichen gleich oder ähnlich, wobei die Öffnungen 19a, 19b, 19c und 19d durch weitere Abstandsstücke 36a, 36b, 36c und 36d verschlossen sind. Aufgrund der zusätzlichen Abstandsstücke 36a, 36b, 36c und 36d bildet die bewegliche Elektrode 14 eine geschlossene Membran, sodass der Hohlraum zwischen den zwei Elektroden 12 und 14 hermetisch abgeschlossen ist. Dies ermöglicht die Nutzung der MEMS-Vorrichtung 10''' für verschiedene Anwendungen. Beispielsweise ermöglicht die geschlossene Membran 14 die Bildung eines Drucksensors aufgrund der Tatsache, dass eine Druckdifferenz zwischen dem Druck im Innern des geschlossenen Hohlraums und dem äußeren Druck zu einer Verformung der Membran 14 führt, die kapazitiv gemessen werden kann, wie voranstehend erläutert.
Aus dem Blickwinkel der Fertigung sollte beachtet werden, dass die Abstandsstücke 36a, 36b, 36c und 36d auf dem Substrat 20 oder auf der festen Elektrode 12 gebildet werden, nachdem die Opferschicht (vgl. 3e) entfernt worden ist.
Auch wenn bei den voranstehend erörterten Ausführungsformen die Abstandsstücke vor dem Hintergrund einer Abstandsstückanordnung erörtert worden sind, gemäß der die Abstandsstücke um die bewegliche Elektrode 14 angeordnet sind, sollte beachtet werden, dass das eine oder die mehreren Abstandsstücke auch innerhalb des Elektrodenbereiches 14 angeordnet sein können. Solch eine Anordnung wird nachstehend erörtert.
5a und 5b zeigen eine weitere MEMS-Vorrichtung 10'''', wobei die MEMS-Vorrichtung 10'''' in 5a durch eine Querschnittansicht (AA) und in 5b durch eine Draufsicht veranschaulicht wird. Die MEMS-Vorrichtung 10'''' umfasst das Substrat 20 mit der festen Elektrode 12'''' und der beweglichen Elektrode 14'''', die in Bezug auf die Oberfläche 12m der festen Elektrode 12 durch den Abstand 16 beabstandet angeordnet ist. Wie veranschaulicht, ist die bewegliche Elektrode 14'''' mittels eines Abstandsstücks 18'''' aufgehängt, das sich innerhalb eines Bereiches der beweglichen Elektrode 14 befindet. Das bedeutet, dass sich das Abstandsstück 18'''' von der Oberfläche 12m durch die bewegliche Elektrode 14'''' erstreckt, sodass das Abstandsstück 18'''' in die bewegliche Elektrode 14'''' eingebettet ist.
Alternativ kann die gezeigte MEMS-Vorrichtung 10'''' auch mehrere in die bewegliche Elektrode 14'''' eingebettete Abstandsstücke 18'''' umfassen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Leiter zum elektrischen Anschließen der beweglichen Elektrode 14'''' im Innern der Abstandsstücke 18'''' angeordnet sein (nicht gezeigt).
Die Herstellung der MEMS-Vorrichtung 10'''' ist im Wesentlichen der Herstellung der voranstehend erörterten MEMS-Vorrichtungen ähnlich. Hierbei wird während des Vorgangs des Festlegens der Form der beweglichen Elektrode 14'''' ein Loch für das Abstandsstück 18'''' (durch welches sich das Abstandsstück 18'''' erstrecken sollte) in der bewegliche Elektrode 14'''' und der Opferschicht 32 geschaffen (vgl. 3c). Das Integrieren des einen oder der mehreren Löcher für das eine oder die mehreren Abstandsstücke 18'''' in die bewegliche Elektrode 14'''' kann auf Lithographietechnologien und/oder anisotropem Ätzen beruhen.
Im Hinblick auf 2a, 2b und auf 4a sollte beachtet werden, dass die gezeigten MEMS 10' und 10'' als Feuchtigkeitssensor verwendet werden können. Hierbei verändert ein Flüssigkeitsfilm, der sich an die Membran 14 anlagert, beispielsweise proportional die Kapazität der MEMS-Vorrichtung 10' oder 10'', sodass eine feststellbare Kapazität auf die entsprechende Feuchtigkeit schließen lässt. Diese Kapazitätsänderung, die durch den Flüssigkeitsfilm hervorgerufen wird, ist recht klein, sodass das oben beschriebene Prinzip, das einem ein Vermeiden oder Verringern der parasitären Kapazität ermöglicht, vorteilhaft ist.
Gemäß weiteren Ausführungsformen bildet die MEMS-Vorrichtung 10' ein Bolometer. Hierbei ist es vorteilhaft, dass der Werkstoff der Abstandsstücke 18a, 18b, 18c und/oder 18d abhängig von einer gewünschten, z. B. einer verringerten, Wärmeleitfähigkeit ausgewählt werden kann.
Auch wenn die Membran 14 vor dem Hintergrund einer Membran mit einer Rechteckform erörtert wurde, sollte beachtet werden, dass die Form der Membran 14 anders sein kann, zum Beispiel rund.
Bezug nehmend auf 5a und 5b sollte beachtet werden, dass eine MEMS-Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform Abstandsstücke 18'''' umfassen kann, die in die bewegliche Elektrode 14'''' eingebettet sind, wie auch Abstandsstücke 18a, 18b, 18c und 18d, die die Elektrode 14'''' umgeben, wie durch 2a und 2b gezeigt.
Im Allgemeinen veranschaulichen die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen lediglich den Grundgedanken der vorliegenden Offenbarung. Es versteht sich, dass anderen Fachleuten Modifikationen und Variationen der hier beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten offensichtlich sein werden. Deshalb ist beabsichtigt, nur durch den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche beschränkt zu sein und nicht durch die speziellen Einzelheiten, die hier zur Beschreibung und Erklärung dargestellt wurden.

Claims

MEMS-Vorrichtung, umfassend: eine feste Elektrode; und eine bewegliche Elektrode, die isoliert angeordnet und durch einen Abstand von der festen Elektrode beabstandet ist; wobei die bewegliche Elektrode mittels eines oder mehrerer Abstandsstücke, die ein Isoliermaterial aufweisen, in Bezug auf die feste Elektrode aufgehängt ist, wobei die bewegliche Elektrode an dem einen oder den mehreren Abstandsstücken seitlich angebracht ist.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die feste Elektrode durch ein Substrat gebildet oder an einem Substrat befestigt ist.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die bewegliche Elektrode eine Quadratform aufweist und wobei die bewegliche Elektrode an einer oder mehreren Ecken der beweglichen Elektrode mittels des einen beziehungsweise der mehreren Abstandsstücke aufgehängt ist.
MEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das eine oder die mehreren Abstandsstücke in die bewegliche Elektrode eingebettet sind.
MEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das eine oder die mehreren Abstandsstücke ein Oxid oder Nitrid aufweisen.
MEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das eine oder die mehreren Abstandsstücke, verglichen mit dem Werkstoff oder einer Gitterstruktur der beweglichen Elektrode, einen anderen Werkstoff oder eine andere Gitterstruktur umfassen.
MEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Grundfläche des einen oder der mehreren Abstandsstücke im Vergleich zu einer Grundfläche der beweglichen Elektrode wenigstens 10 mal kleiner ist.
MEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Abstand zwischen der festen Elektrode und der beweglichen Elektrode veränderlich ist und wobei eine Änderung des Abstandes zu einer Änderung einer Kapazität führt.
MEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die bewegliche Elektrode mittels eines Leiters, der an einem des einen oder der mehreren Abstandsstücke angeordnet ist, elektrisch kontaktiert ist.
MEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das eine oder die mehreren Abstandsstücke durch eine Öffnung voneinander getrennt sind, die sich längs der beweglichen Elektrode erstreckt.
MEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die bewegliche Elektrode als Kragarm ausgebildet ist.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die MEMS-Vorrichtung einen Beschleunigungssensor oder einen Feuchtigkeitssensor bildet.
MEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei das eine oder die mehreren Abstandsstücke einen Werkstoff aufweisen, der eine im Vergleich zu einem Werkstoff der beweglichen Elektrode oder des Substrats eine verringerte Wärmeleitfähigkeit aufweist.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die MEMS-Vorrichtung ein Bolometer bildet.
MEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei ein weiteres Abstandsstück im Bereich der Öffnung angeordnet ist, um einen Hohlraum unter einer Membran, die von der beweglichen Elektrode gebildet wird, hermetisch zu verschließen.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die MEMS-Vorrichtung einen Drucksensor bildet.
MEMS-Vorrichtung, umfassend: ein Substrat mit einer festen Elektrode; und eine bewegliche Elektrode, die isoliert angeordnet und durch einen Abstand von der festen Elektrode beabstandet ist, wobei die bewegliche Elektrode eine Quadratform aufweist; wobei die bewegliche Elektrode mittels eines oder mehrerer Abstandsstücke, die ein isolierendes Oxid an ihren Ecken aufweisen, an der festen Elektrode aufgehängt ist, wobei die bewegliche Elektrode an dem einen oder den mehreren Abstandsstücken seitlich angebracht ist; wobei der Abstand zwischen der festen Elektrode und der beweglichen Elektrode veränderlich ist und wobei eine Änderung des Abstandes zu einer Änderung einer Kapazität führt.
MEMS-Vorrichtung, umfassend: eine feste Elektrode; und eine bewegliche Elektrode, die isoliert angeordnet und durch einen Abstand von der festen Elektrode beabstandet ist; wobei die bewegliche Elektrode mittels eines oder mehrerer Abstandsstücke, die ein Isoliermaterial aufweisen, an der festen Elektrode aufgehängt ist, wobei die bewegliche Elektrode an dem einen oder den mehreren Abstandsstücken seitlich angebracht ist, wobei eine Grundfläche des einen oder der mehreren Abstandsstücke wenigstens 20 mal kleiner als eine Grundfläche der beweglichen Elektrode ist.
Verfahren zur Herstellung einer MEMS-Vorrichtung, umfassend: Bereitstellen einer Opferschicht über einer festen Elektrode; Bereitstellen einer beweglichen Elektrode über der Opferschicht, derart, dass ein die Opferschicht und die bewegliche Elektrode umfassender Schichtstapel gebildet wird; Bereitstellen eines oder mehrerer Abstandsstücke, die ein Isoliermaterial umfassen, angrenzend an den Schichtstapel, derart, dass die bewegliche Elektrode an dem einen oder den mehreren Abstandsstücken seitlich angebracht ist; und Entfernen der Opferschicht wenigstens in einem Abschnitt, der mit einem Abschnitt der beweglichen Elektrode fluchtet, derart, dass die bewegliche Elektrode durch einen Abstand, der mit der Dicke der Opferschicht im Zusammenhang steht, von der festen Elektrode beabstandet ist; wobei die bewegliche Elektrode mittels des einen oder der mehreren Abstandsstücke a der festen Elektrode aufgehängt ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bereitstellen des einen oder der mehreren Abstandsstücke derart erfolgt, dass dazwischen eine Öffnung ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei das Bereitstellen des einen oder der mehreren Abstandsstücke anisotropes Ätzen und/oder Anwenden von Lithographie umfasst, um eine Grundfläche des einen oder der mehreren Abstandsstücke zu begrenzen.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das anisotrope Ätzen und/oder Anwenden von Lithographie derart erfolgt, dass die Grundfläche des einen oder der mehreren Abstandsstücke wenigstens 10 mal kleiner als eine Grundfläche der beweglichen Elektrode ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei das Entfernen der Opferschicht ein Ätzen oder isotropes Ätzen durch die Öffnung hindurch umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, ferner ein Verschließen der Öffnung durch ein weiteres Abstandsstück, nachdem die Opferschicht entfernt wurde, umfassend.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, ferner ein Festlegen der Fläche des Schichtstapels durch Anwenden von Lithographie und/oder anisotropes Ätzen vor dem Bereitstellen des einen oder der mehreren Abstandsstücke umfassend.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Festlegen der Fläche des Schichtstapels ein Ausbilden wenigstens eines Lochs in dem Schichtstapel für das eine oder die mehreren Abstandsstücke umfasst, und wobei das eine oder die mehreren Abstandsstücke in die bewegliche Elektrode eingebettet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, wobei das Entfernen der Opferschicht in einem Abschnitt erfolgt, in dem die feste Elektrode mit der gesamten beweglichen Elektrode fluchtet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 27, wobei eine Ätzgeschwindigkeit der Opferschicht von der Ätzgeschwindigkeit der Membran und/oder des Abstandsstücks abweicht.