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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil mit einem Schichtaufbau aus mindestens einem Substrat, einer ersten leitfähigen Schicht, einer piezoelektrisch aktiven Schicht und einer zweiten leitfähigen Schicht. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen mikromechanischen Bauteils.
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Eine Vielzahl von mikromechanischen Bauteilen bzw. mikroelektronischenmechanischen Systemen (MEMS) beruhen auf dem direkten piezoelektrischen Effekt, der die Erzeugung einer elektrischen Spannung durch die mechanische Verformung eines Festkörpers und die hierdurch veränderte Polarisation des verwendeten Kristalls beschreibt. Der inverse piezoelektrische Effekt wird beispielsweise durch Anlegen einer elektrischen Spannung erzielt, wodurch der Festkörper mechanisch verformt wird. Die auf diesem Effekt basierenden Bauteile sind aufgrund der hervorragenden Materialeigenschaften immer mehr gefragt.
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Die
US 8 633 634 B2 beschreibt beispielsweise ein mikromechanisches Bauteil, das als Biegeschwinger ausgebildet ist und als Energie-Harvester dient. Zur Herstellung dieses MEMS-basierten Bauteils wird zunächst eine Opferschicht auf ein Siliziumsubstrat aufgebracht, auf die dann ein Schichtaufbau abgeschieden wird, der eine piezoelektrische Schicht und eine darunter liegende Funktionsschicht, die den mechanischen Träger für die piezoelektrische Schicht bildet, umfasst. Um den Biegebalken, unter anderem bestehend aus Funktionsschicht und piezoelektrischer Schicht freizustellen, damit er mechanisch beweglich wird, wird die zuvor aufgebrachte Opferschicht aufwendig entfernt. Dabei ist die Empfindlichkeit des piezoelektrischen Materials gegenüber verschiedener physikalischer Prozessgrößen, wie z.B. Temperatur, Säure, Lauge, aber auch Wasserstoff zu berücksichtigen, und es muss eine Reduzierung der durchgeführten Prozessschritte, wie zusätzliche Lithografieebenen sowie Abscheidungen und Ätzungen angestrebt werden. Weiterer Stand der Technik verwandter Art ist in den Druckschriften
US 2004 / 0 090 500 A1 ,
US 2011 / 0 235 966 A1 ,
US 2014 / 0 077 662 A1 ,
US 2006 / 0 186 493 A1 ,
US 2003 / 0 234 835 A1 und
US 2008 / 0 236 283 A1 beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches mikromechanisches Bauteil zu schaffen, dessen Aufbau derart ausgebildet ist, dass keine zusätzlichen Funktions- und/oder Opferschichten verwendet werden müssen, wodurch das Verfahren zu seiner Herstellung vereinfacht wird und zusätzliche Behandlungsschritte, wie Ätzschritte, die das piezoelektrische Material nachteilig beeinflussen, vermieden werden sollen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs und des unabhängigen Verfahrensanspruchs gelöst.
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Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
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Das mikromechanische Bauteil gemäß der Erfindung umfasst einen Schichtaufbau aus mindestens einem Substrat, einer ersten leitfähigen Schicht, einer piezoelektrisch aktiven Schicht und einer zweiten leitfähigen Schicht, wobei die erste und zweite leitfähige Schicht die Elektroden für die piezoelektrisch aktive Schicht bilden. Das Substrat ist dabei gleichzeitig die mechanische Funktionsschicht als Träger für die piezoelektrisch aktive Schicht und ausgebildet, sich gleichzeitig mit der piezoelektrisch aktiven Schicht zu verformen. Unter Funktionsschicht wird in der Fachwelt verstanden, dass sie ein Bestandteil des Bauteils ist, das nach Fertigung des Endproduktes zumindest teilweise noch vorhanden ist und maßgeblich die Funktion dieses Bauteils beeinflusst. Dadurch, dass das Substrat hiermit selbst als funktionaler Träger der piezoelektrisch aktiven Schicht verwendet wird, ist es möglich, die Prozessschritte zu reduzieren und keine zusätzlichen Vorkehrungen zur Schonung der piezoelektrischen Schicht treffen zu müssen.
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Das mikromechanische Bauteil ist an die unterschiedlichsten Anwendungszwecke anpassbar, z.B. ist eine Verwendung als Mikrospiegel, Beschleunigungssensor, Energie-Harvester, Drucksensor und dergleichen möglich. Dabei können, wenn gewünscht, große Aktuator- und/oder Sensorflächen realisiert werden, es können breite Bauteilquerschnitte vorgesehen werden, die gegebenenfalls zum besseren Wärmetransport genutzt werden können, und es gibt die Möglichkeit der einfachen Nutzung der Rückseite der MEMS-Struktur.
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In vorteilhafter Weise ist die Dicke des Substrats abhängig von vorbestimmten mechanischen und elektrischen Parametern einstellbar und kann an das gewünschte mechanische Verhalten des Bauteils angepasst werden. Dabei ist es im Vorhinein bei der Herstellung/Produktion eines bestimmten Bauteils möglich, anhand der Substratdicke das mechanische Verhalten des Bauteils zu bestimmen und festzulegen. Auf der anderen Seite ist es im Nachhinein durch Rückdünnung des Substrates am Ende der Prozesskette möglich, die mechanischen Eigenschaften ggf. an Kundenwünsche anzupassen. Durch die Einstellung der Dicke kann beispielsweise die Resonanzfrequenz eines als mikromechanischer Spiegel ausgebildetes Bauteil angepasst oder die Auslenkung eines als Biegebalken ausgebildeten Bauteils bestimmt werden.
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In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel können mehrere Anordnungen aus erster leitfähiger Schicht, piezoelektrisch aktiver Schicht und zweiter leitfähiger Schicht auf dem Substrat aufgebracht werden, wodurch der piezoelektrische Effekt des Bauteils verstärkt wird, d.h. eine größere Kraft auf weniger Fläche erzielt wird. Dabei sind jedoch weitere Lithografieschritte nötig, um den Zugang zu den Elektroden zu ermöglichen, wodurch die Herstellungskosten erhöht werden.
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Vorteilhafterweise können zwischen Substrat und erster leitfähiger Schicht ein oder mehrere Diffusionsbarriereschichten angeordnet sein, wodurch sich die Grenzschichteigenschaften verbessern. Da der Abscheideprozess von piezoelektrischen Materialien oftmals bei sehr hohen Temperaturen statt findet, ist es möglich, dass die zuvor aufgebrachte leitfähige Schicht aufgrund einer erhöhten Molekularbewegung bei hoher Temperatur in das Substrat diffundiert. Die hochtemperaturstabilen Diffusionsbarrieren, wie z.B. Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, können hierbei zur Unterdrückung dieses Effektes verwendet werden. Das Substrat kann beispielsweise thermisch oxidiert werden, es können aber auch andere in der Mikrosystemtechnik bekannte Barrieren verwendet werden.
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In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist unterhalb der ersten leitfähigen Schicht und/oder unterhalb der zweiten leitfähigen Schicht eine Haftvermittlerschicht angeordnet, wodurch die Haftfähigkeit der Elektroden verbessert wird. Dabei kann als Haftvermittler beispielsweise Titan oder Chrom verwendet werden, jedoch sind auch andere Haftvermittler möglich.
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Der Schichtaufbau des mikromechanischen Bauteils kann um eine Passivierungsschicht erweitert werden, die zum Schutz der piezoelektrischen Schicht vor Umwelteinflüssen dient. Diese kann zum Anfang, aber auch am Ende der Prozesskette integriert werden. Als Passivierungsschichten können alle in der Mikrosystemtechnik gängigen nicht leitenden Schichten verwendet werden. Ihre Abscheidetemperaturen dürfen hierbei nicht über der Schmelztemperatur einer der verwendeten leitfähigen Elektrodenschichten liegen. Abscheideverfahren könnten hierbei Atomic Layer Deposition (ALD), Plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD), physical vapour deposition (PVD) sein, es können aber auch alle andere Verfahren zum Aufbringen von dielektrischen Schichten verwendet werden. Vorteilhafterweise wird eine solche Schicht so dünn gewählt, dass die zur späteren Kontaktierung notwendigen Drahtbonds hindurch gestochen werden können, ohne dass die Kontaktflächen durch einen weiteren Lithografieschritt geöffnet werden müssen.
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In einer besonders vorteilhaften Anwendung ist das mikromechanische Bauteil als ein- oder mehrachsig piezoelektrisch angetriebener Spiegel ausgebildet, wobei eine mit einer Verspiegelungsschicht versehene Spiegelplatte und Federelemente, an der die Spiegelplatte gelagert ist, mittels Substratdurchätzung freigestellt sind. Dabei bilden die Elektroden aus erster leitfähiger Schicht und zweiter leitfähiger Schicht sowie die piezoelektrisch aktive Schicht den Antrieb des Mikrospiegels. Ein solcher Mikrospiegel ist einfach herzustellen. Die untere Elektrode, die in den gewünschten Bereichen zuvor von der sich darüber befindlichen piezoelektrischen Schicht und der oberen Elektrode befreit wurde, kann gleichzeitig als Spiegelschicht dienen. Im vorliegenden Fall kann es besonders vorteilhaft sein, dass der Wafer mit einer hochreflektiven Schicht, wie z.B. ein Metall, auf der Rückseite ganzflächig versehen wird, die als Spiegelschicht verwendet werden kann. Es kommt hierbei zu keiner Interaktion mit den leitfähigen Schichten und der piezoelektrischen Schicht auf der Vorderseite. Es ist auch kein weiterer Lithografieschritt erforderlich, um die rückseitig aufgebrachte Reflexionsschicht zu segmentieren. Hierbei muss die Veränderung der Federsteifigkeit und somit der Resonanzfrequenz des Spiegels durch Aufbringung der hochreflektiven Schicht auch auf den schwingungsfähigen Bestandteilen des Bauelementes berücksichtigt werden.
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Es kann auch eine Absorptionsschicht auf die Rückseite des Substrats aufgebracht werden, die zur physikalischen Wechselwirkung von Strahlung in Wärme verwendet wird. Im Gegensatz zur Reflexion wird die Strahlung nicht reflektiert, sondern in sich aufgenommen. Insbesondere bei resonant betriebenen Strukturen kann hierbei eine Resonanzverschiebung verursacht werden, welche elektrisch gemessen und verarbeitet werden kann.
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In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist das mikromechanische Bauteil als Biegebalkenschwinger ausgebildet, der als Beschleunigungsgeber oder als Energie-Harvester dienen kann, wobei die Balkenstruktur durch Substratdurchätzung freigestellt ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen mikromechanischen Bauteils, das die Schritte umfasst: Bereitstellung eines Siliziumsubstrats, Abscheiden einer als erste Elektrode dienenden ersten elektrisch leitfähigen Schicht auf das Siliziumsubstrat, Aufbringen einer piezoelektrischen Schicht auf die erste elektrisch leitfähige Schicht, Abscheiden einer als zweite Elektrode dienenden zweiten elektrisch leitfähigen Schicht auf die piezoelektrische Schicht, aufeinanderfolgendes Strukturieren der als zweite Elektrode dienenden zweiten elektrisch leitfähigen Schicht und der piezoelektrischen Schicht in piezoelektrisch aktive Schichtbereiche, Freistellen der mechanischen Strukturen durch Entfernen der als erste Elektrode dienenden ersten elektrisch leitfähigen Schicht und Tiefenätzen des Siliziumsubstrats, wobei die Dicke des Substrats abhängig von der Bauteilgeometrie und den mechanischen und elektrischen Parametern des Bauteils gewählt wird.
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Durch diese Verfahrensschritte ist in einfacher Weise ein mikromechanisches MEMS-Bauteil herstellbar, wobei die empfindliche piezoelektrische Schicht durch Minimieren der Bearbeitungsschritte, wie Ätzschritte, und der Verwendung an Säuren, Laugen, aber auch Wasserstoff und von erhöhten Temperaturen geschont wird. Da keine zusätzlichen Opferschichten bzw. Funktionsschichten benötigt werden, ist keine aufwendige Entfernung der Schichten notwendig und es werden die Herstellungskosten reduziert. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass der Substrataufbau mit den gesamten elektrisch funktionalen Schichten, d.h. der Schichtaufbau selbst, unabhängig von der späteren Verwendung des Schichtaufbaus sozusagen als „Halbzeug“ vorbereitet werden kann, wodurch es möglich wird, individuell und sehr schnell auf Kundenwünsche einzugeben.
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Das Substrat kann hinsichtlich seiner Dicke in chemischer oder mechanischer Weise eingestellt werden. Selbstverständlich kann das Substrat im Vorhinein schon in der gewünschten Dicke bereitgestellt werden, die Dicke des Substrats kann jedoch auch in dem chemischen oder mechanischen Rückdünnungsschritt am Anfang oder auch am Ende der Prozesskette eingestellt werden.
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Erfindungsgemäß kann nach dem Abscheiden der als zweite Elektrode dienenden zweiten elektrisch leitfähigen Schicht eine fotolithografische Maske aufgebracht werden und unter Anwendung dieser Maske sowohl die als zweite Elektrode dienende zweite elektrisch leitfähige Schicht als auch die piezoelektrisch aktiven Schichtbereiche strukturiert werden. Somit ist es möglich, durch eine einzige fotolithografisch aufgebrachte Lackmaske sowohl die zweite elektrisch leitfähige Schicht zu der zweiten Elektrode als auch die piezoelektrisch aktiven Bereiche strukturiert werden. Durch eine einzige fotolithografische Ebene können beide zur elektrischen Kontaktierung notwendigen Bereiche erzielt werden.
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In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird nach dem Strukturieren der piezoelektrisch aktiven Schichtbereiche eine weitere fotolithografische Maske derart aufgebracht, dass unter Anwendung dieser weiteren Maske zur Freistellung der mechanischen Strukturen sowohl die als erste Elektrode dienende leitfähige Schicht teilweise entfernt wird als auch das Substrat des piezoelektrischen mikromechanischen Bauteils tiefengeätzt wird. Eine rückseitige Bearbeitung und somit mögliche Verunreinigung oder sogar Zerstörung der piezoelektrischen Schicht ist bei dieser vorteilhaften Prozessabfolge nicht notwendig.
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Aufgrund der sehr einfach variabel einstellbaren mechanischen Größen des erfindungsgemäßen Bauteils, wie z.B. Federsteifigkeit und gegebenenfalls Resonanzfrequenzen ist das Bauteil als piezoelektrisch angetriebener einachsiger oder aber mehrachsiger Mikrospiegel verwendbar. Andere piezoelektrisch arbeitende Bauteile im Mikrometer- bis Millimeterbereich sind mit diesem Herstellungsprozess realisierbar.
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Besonders vorteilhaft ist, dass das piezoelektrische mikromechanische Bauteil aus einem Trägerwafer vereinzelt werden kann, wobei das Vereinzeln auch zeitgleich mit dem Tiefenätzen des Substrats zum Freistellen der mechanischen Strukturen des Bauteils durchgeführt werden kann. Der Prozessschritt zur Vereinzelung des Trägerwafers kann somit entweder durch einen Säge- oder Laser-Dicing-Schritt nach dem Stand der Technik oder aber zeitgleich bei dem anisotropen Siliziumätzschritt der mechanischen Strukturen durchgeführt werden. Hierbei ist es durch die Wahl der Linienbreite des zu ätzenden Sägerahmens möglich, durch das Silizium des Substrats hindurch zu ätzen oder aber im Silizium zu stoppen, um es anschließend durch Zerbrechen endgültig zu vereinzeln.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine Aufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauteils, das als mikromechanischer Spiegel ausgebildet ist,
- 2 Verfahrensschritte a bis i zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils gemäß 1,
- 3 eine schematische Ansicht im Schnitt gemäß der Schnittlinie A-B der 1 im Ruhezustand und im ausgelenkten Zustand,
- 4 eine Aufsicht auf ein mikromechanisches Bauteil in Form eines Biegebalkens,
- 5 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel nach 4 im Ruhezustand und im ausgelenkten Zustand, und
- 6 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines mikromechanischen Bauteils mit einem mehrschichtigen Aufbau im ausgelenkten Zustand.
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In 1 ist ein mikromechanischer Spiegel in seiner Aufsicht dargestellt, wobei die Herstellungsschritte in 2a-i gezeigt sind. Eine Spiegelplatte 2 ist an drei Federelementen 3, die trapezförmig ausgebildet sind, aufgehängt. Eine untere Elektrode 4, die später im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren genauer beschrieben wird, ist ringförmig konzentrisch zur Spiegelplatte 2 angeordnet. Die Federelemente 3 werden durch Freistellungen 5 in dem Substrat des mikromechanischen Spiegels 1 definiert. Auf der von der unteren Elektrode vorgegebenen Ebene sind zwischen den Freistellungen 5 trapezförmige piezoelektrische Schichtbereiche 6 angeordnet, wobei auf den piezoelektrischen Schichtbereichen obere Elektroden 7 angeordnet sind. Die untere Elektrode 4, die oberen Elektroden 7 und die piezoelektrischen Schichtbereiche 6 bilden den Antrieb des mikromechanischen Spiegels 1.
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Der Spiegel 1 wird nur über die drei trapezförmigen Federn 3, die im direkten Kontakt mit der Spiegelplatte 2 stehen, angetrieben. Die übrigen drei dazwischenliegenden Trapeze sind vollständig von der Spiegelplatte 2 entkoppelt und haben keinerlei Einfluss auf das mechanische Verhalten. Lediglich zur Reduzierung der zu ätzenden Fläche verbleibt das piezoelektrische Material auf diesen Trapezsegmenten. Hierdurch wird einer Verschmutzung der Kammer deutlich entgegen gewirkt.
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Durch Anlegen einer elektrischen Spannung über den jeweiligen piezoelektrischen Schichtbereich 6 zwischen unterer Elektrode 4, die auf Nullpotential liegt, und oberer 7 Elektrode ist es möglich, eine Kraft auf eines der drei Federelemente auszuüben, um so eine mechanische Deformation der Spiegelplatte 2 zu erzielen.
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Das mechanische Verhalten des mikromechanischen Spiegels 1 wird zum einen durch die Substratdicke (wird später erläutert) und zum anderen durch die mittels des Siliziumtiefenätzens erzeugten Freistellungen 5 definiert. Die Resonanzfrequenz des mikromechanischen Spiegels 1 ist durch die Ausbildung der Federelemente 3 und der Spiegelplatte 2 vorgegeben und somit abhängig von der Ausbildung der Freistellungen und der Dicke des Substrats. Die einzelnen Federelemente 3 und damit die piezoelektrischen Schichtbereiche 6 werden alternierend über die Elektroden 4 und 7 angesteuert, wodurch es möglich wird, den mikromechanischen Spiegel 1 bzw. die Spiegelplatte 2 mit seiner bzw. ihrer Resonanz schwingen zu lassen.
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In der 2a-i ist das Verfahren zur Herstellung des mikromechanischen Spiegels nach 1 dargestellt. Als Ausgangssignal dient ein Siliziumwafer 10, dessen Dicke von vornherein an die jeweilige Anwendung angepasst ist bzw. vor den eigentlichen Herstellungsschritten angepasst wird oder am Ende der Verfahrensschritte chemisch oder mechanisch eingestellt wird. Auf dieses Substrat 10 wird eine leitfähige Schicht 11, z.B. aus Platin oder einem anderen Metall oder auch einem leitfähigen Oxid, abgeschieden, die eine Elektrode, im Ausführungsbeispiel nach 1 die Elektrode 4 bildet. Diese leitfähige Schicht 11 kann gleichzeitig die Verspiegelung für die Spiegelplatte 2 sein.
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Eine piezoelektrische Schicht 12, z.B. PZT (Blei-Zirkonat-Titanat), ZnO oder AlN (Aluminiumnitrid) in allen ihren Modifikationen wird anschließend auf der elektrisch leitfähigen Schicht abgeschieden. Beide Schichten 10, 11 werden bevorzugt durch Sputterprozesse aufgebracht, es sind jedoch alle anderen in der Mikrosystemtechnik verwendeten Abscheideprozesse, wie z.B. Aufdampfverfahren, Spin-On-Verfahren oder PLD-Verfahren, verwendbar. Im nächsten Prozessschritt wird auf die piezoelektrische Schicht 12 eine weitere leitfähige Schicht 13, die die Elektrode 7 bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 bildet, abgeschieden, wobei diese leitende Schicht z.B. eine Goldschicht, Platinschicht oder ein leitfähiges Oxid sein kann.
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Ausgehend von diesem universell einsetzbaren Schichtstapel nach 2a können nun die piezoelektrisch aktiven Schichtbereiche entsprechend den Schichtbereichen 6 in 1 durch eine erste Lithografie definiert werden, wobei eine erste Lackmaske 14 in bekannter Weise durch Belichten eines Fotolacks und Auflösen der belichteten Stellen aufgebracht wird (2b). Die zweite elektrisch leitfähige Schicht 13 wird dann nasschemisch oder durch einen Plasmaprozess strukturiert (2c), das heißt, die nicht mit der Lackmaske 14 bedeckten Flächen der elektrisch leitfähigen Schicht 13 werden entfernt. Anschließend wird mittels der gleichen fotolithografisch aufgebrachten Lackmaske 14 die piezoelektrische Schicht 12 selektiv bis zu der unteren leitfähigen Schicht 11 entfernt, beispielsweise ebenfalls nasschemisch oder auch durch einen Plasmaprozess, wodurch piezoelektrische Schichtbereiche entsprechend den Schichtbereichen 6 nach 1 erzielt werden. Die Lackmaske wird im nächsten Schritt entsprechend 2e wieder aufgelöst. Somit ist es möglich, durch eine einzige fotolithografische Ebene die beiden zur elektrischen Kontaktierung notwendigen Elektrodenbereiche zu erzeugen.
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Entsprechend 2f wird nun eine weitere fotolithografische Lackmaske 15 aufgebracht, die zur Herstellung der eigentlichen mechanisch bzw. physikalisch beweglichen Strukturen des Bauteils dient. Diese mechanischen Strukturen werden durch die Freistellungen 5 entsprechend 1 definiert. Es werden nun die durch die Lackmaske 15 offenliegenden Bereiche der unteren elektrisch leitfähigen Schicht 11 entfernt (2g), anschließend wird durch einen anisotropen Silizium-Tiefenätzschritt das gesamte Siliziumsubstrat 10 geätzt, wodurch Freistellungen 16 entsprechend den gewünschten mechanischen Strukturen des Bauteils für eine gewünschte Anwendung erzeugt werden. Anschließend wird die Lackmaske 15 wieder entfernt (siehe 2i).
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In 3 ist ein Schnitt entsprechend der Schnittlinie A-B aus 1 dargestellt und zwar im Ruhezustand und im angeregten Zustand. Wie zu erkennen ist, wird über nicht dargestellte Kontakte die untere Elektrode 4 bzw. Bodenelektrode (untere leitfähige Schicht 11) und die obere Elektrode 7 bzw. Topelektrode (obere leitfähige Schicht 13) an eine Spannungsquelle 17 angelegt, wobei die Spannung in 3a U = 0 ist. Wenn eine Spannung U > 0 an die jeweilige obere Elektrode 7, die den entsprechendem Federelement 3 zugeordnet ist, angelegt wird, schwingt die Spiegelplatte 2 zusammen mit dem darunterliegenden Substrat 10 entsprechend der vorgesehenen Resonanzfrequenz. Die Kontaktierung kann durch Drahtbonden direkt auf den aktiven Flächen, d.h. auf der unteren Elektrode 4 und der oberen Elektrode 7 durchgeführt werden, eine weitere Lithografieebene zur Erstellung zusätzlicher Kontaktflächen ist nicht notwendig.
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Das beschriebene Herstellungsverfahren kann auf einem Trägersubstrat bzw. Trägerwafer für eine Vielzahl von mikromechanischen Bauteilen durchgeführt werden, wobei die Bauteile dann vereinzelt werden. Auch das Vereinzeln kann bei dem Verfahren nach der Erfindung durch Tiefenätzen des Substrats 10 mit der elektrisch leitfähigen Schicht 11 entsprechend den Freistellungen 16 nach 2h und zusammen mit dem Ätzen der Freistellungen 16 durchgeführt werden. Falls die Bauteile auf Wafer-Ebene vakuumverkapselt werden, ist es nicht angebracht, die Bauteile durch das Ätzen vorher zu vereinzeln, d.h. die Vereinzelung muss nach einem anderen Verfahren, beispielsweise durch einen Sägeschritt, vorgenommen werden.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mikromechanischen Bauteils dargestellt, das als einseitig eingespannter Biegebalken 22 ausgebildet ist. Der Schichtaufbau ist entsprechend dem in 2 dargestellten Schichtaufbau. 5 zeigt einen Schnitt durch das mikromechanische Bauteil nach 4 im Ruhezustand und im angeregten Zustand. Wie in 2 ist auf ein Substrat 10 eine untere elektrisch leitfähige Schicht 11 aufgebracht, auf der die piezoelektrische Schicht 12 und die obere leitfähige Schicht 13 abgeschieden sind. Die mechanische Struktur des Biegebalkens 22 ist durch die Freistellungen 18 definiert. Zwischen einer unteren Elektrode 19, die der elektrisch leitfähigen Schicht 11 entspricht, und einer oberen Elektrode 20, die der oberen leitfähigen Schicht 13 entspricht, ist ein Energiespeicher 21 geschaltet. Wenn der Biegebalken 22 durch verschiedenste physikalische Größen, wie z.B. Vibration, Strahlung oder dergleichen, verformt wird, kann die durch die Auslenkung generierte Ladung für eine weitere Anwendung in dem Energiespeicher 21 gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt an einen elektrischen Verbraucher weitergegeben werden. Dieser Anwendungsfall entspricht einem sogenannten Energie-Harvester.
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Die gleiche Anordnung nach den 4 und 5 kann als Biegeschwinger basierend auf dem sekundären piezoelektrischen Effekt verwendet werden, wobei dann allerdings der Energiespeicher 22 durch eine Spannungsquelle wie in 3 ersetzt wird.
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In 6 ist ein Bauteil, z.B. ein Biegebalken, mit einem doppelten Piezostack im angeregten Zustand abgebildet. Die leitfähigen Schichten 11 und 11' sind die positiven Elektroden, die leitfähige Schicht 13 bildet das Massepotential. 12 und 12' sind beides piezoelektrische Schichten. Um solch einen Stack herzustellen, ist im Vergleich zu dem Aufbau nach 2 bzw. 5 mindestens ein weiterer Lithografieschritt zur Strukturierung der Schichten 12' und 11' notwendig. Der Vorteil hierbei ist es, dass durch den doppelten Piezostack doppelt so viel Kraft zur Auslenkung des Biegebalkens vorhanden ist. Der Nachteil liegt bei der Notwendigkeit eines weiteren Lithografieschrittes.
