DE102016216215A1 - Mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil - Google Patents

Mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil Download PDF

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Thomas Buck
Kerrin DOESSEL
Fabian Purkl
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil mit zumindest einer elektro-mechanischen Biegestruktur (10), welche jeweils umfasst: eine erste piezoelektrische Schicht (12), eine auf einer ersten Seite der ersten piezoelektrischen Schicht (12) angeordnete erste Außenelektrode (14), eine auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite der ersten piezoelektrischen Schicht (12) angeordnete erste Zwischenelektrode (16), eine auf einer von der ersten piezoelektrischen Schicht (12) weg gerichteten Seite der ersten Zwischenelektrode (16) angeordnete zweite piezoelektrische Schicht (18), und eine auf einer von der ersten Zwischenelektrode (16) weg gerichteten Seite der zweiten piezoelektrischen Schicht (18) angeordnete zweite Außenelektrode (22), wobei die zumindest eine elektro-mechanische Biegestruktur (10) jeweils eine zweite Zwischenelektrode (20) aufweist, welche auf der von der ersten piezoelektrischen Schicht (12) weg gerichteten Seite der ersten Zwischenelektrode (16) zwischen der zweiten piezoelektrischen Schicht (18) und der ersten Zwischenelektrode (16) angeordnet ist. Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung ein Mikrofon, einen Druck- und/oder Kraftsensor, und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil, ein Mikrofon und einen Druck- und/oder Kraftsensor. Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.
  • Stand der Technik
  • In der US 2014/0339657 A1 sind Mikrofone beschrieben, welche zur Umwandlung von Schallwellen in elektrische Signale eine Vielzahl elektro-mechanischer Biegebalken aufweisen. Jeder der Biegebalken umfasst eine zwischen einer ersten Außenelektrode und einer Zwischenelektrode angeordnete erste piezoelektrische Schicht und eine zwischen der Zwischenelektrode und einer zweiten Außenelektrode angeordnete zweite piezoelektrische Schicht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Mikrofon mit den Merkmalen des Anspruchs 8, einen Druck- und/oder Kraftsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft Möglichkeiten zum Umwandeln von Kräften und Drücken, insbesondere von Schallwellen, in elektrische Signale mit einer gesteigerten Spannung und/oder einer erhöhten Stromstärke. Wie nachfolgend genauer erläutert wird, können mittels des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils (aufgrund der zwei Zwischenelektroden seiner zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur) Kräfte und/oder Drücke, insbesondere Schallwellen, in elektrische Signale umgewandelt werden, welche verlässlicher und mit kostengünstigeren elektronischen Komponenten nachweisbar, verstärkbar und/oder auswertbar sind.
  • Die vorliegende Erfindung steigert deshalb auch Nutzungsmöglichkeiten von piezoelektrischen Schichten zum Umwandeln, Nachweisen und/oder Messen von Kräften und/oder Drücken, insbesondere von Schallwellen, wobei auf eine Ausstattung der zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur mit einer nahe an dieser angebrachten Gegenelektrode (back plate), wie sie für kapazitive Biegesensoren benötigt wird, verzichtet werden kann. Damit entfallen bei einer Nutzung der vorliegenden Erfindung auch die Nachteile von kapazitiven Biegesensoren, wie beispielsweise eine Begrenzung der Beweglichkeit des kapazitiven Biegesensors aufgrund der Gegenelektrode oder eine durch einen Luftstromwiderstand der Gegenelektrode ausgelöste Signalungenauigkeit.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist ein Zwischenvolumen zwischen der ersten Zwischenelektrode und der zweiten Zwischenelektrode zumindest teilweise mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material gefüllt und/oder weist mindestens einen Zwischenspalt mit Luft, mindestens einem Gas oder Vakuum darin auf. Eine derartige Ausbildung des Zwischenvolumens zwischen der ersten Zwischenelektrode und der zweiten Zwischenelektrode trägt zur Reduzierung einer „parasitären“ Kapazität zwischen der ersten Zwischenelektrode und der zweiten Zwischenelektrode bei. Wie unten genauer erläutert wird, kann auf diese Weise eine mittels einer Verformung der jeweiligen elektro-mechanischen Biegestruktur bewirkte Ausgangsspannung erhöht werden.
  • Vorzugsweise ist in dem Zwischenvolumen zwischen der ersten Zwischenelektrode und der zweiten Zwischenelektrode mindestens ein mechanisches Verbindungselement aus dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material ausgebildet, welches sich jeweils von der ersten Zwischenelektrode zu der zweiten Zwischenelektrode erstreckt und den mindestens einen Zwischenspalt mit Luft, dem mindestens einem Gas oder Vakuum darin begrenzt. Das mindestens eine mechanische Verbindungselement bewirkt somit eine verlässliche mechanische Kopplung zwischen den beiden Zwischenelektroden, wobei gleichzeitig der mindestens eine Zwischenspalt mit Luft, wie mindestens einem Gas oder Vakuum darin zur Reduzierung einer Steifigkeit der jeweiligen elektro-mechanischen Biegestruktur beiträgt.
  • Insbesondere können mehrere mechanische Verbindungselemente als das mindestens eine mechanische Verbindungselement in dem Zwischenvolumen zwischen der ersten Zwischenelektrode und der zweiten Zwischenelektrode ausgebildet sein, wobei zwischen zwei benachbarten mechanischen Verbindungselementen jeweils ein Zwischenspalt mit Luft, dem mindestens einem Gas oder Vakuum darin ausgebildet ist. Somit ist neben einer guten mechanischen Kopplung der beiden Zwischenelektroden miteinander auch eine geringe Steifigkeit der jeweiligen Biegestruktur bei dieser Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils realisiert.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist die zweite Zwischenelektrode elektrisch derart an der ersten Außenelektrode angebunden, dass die zweite Zwischenelektrode und die erste Außenelektrode auf einem gleichen Potential liegen. Eine durch Verformung der ersten piezoelektrischen Schicht und gleichzeitige Verformung der zweiten piezoelektrischen Schicht bewirkte Ausgangsspannung kann in diesem Fall an der jeweiligen zweiten Außenelektrode und der jeweiligen ersten Zwischenelektrode abgegriffen werden. Die solche Art abgegriffene Ausgangsspannung ist gegenüber herkömmlicher piezoelektrischer Sensorelemente gesteigert und lässt sich deshalb verlässlicher und mit kostengünstigeren elektronischen Komponenten nachweisen, verstärken und/oder auswerten.
  • Vorteilhafterweise weist das mikromechanische Bauteil mindestens einen an der jeweiligen zweiten Außenelektrode der zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur elektrisch angebundenen ersten elektrischen Kontakt und mindestens einen an der jeweiligen ersten Zwischenelektrode der zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur elektrisch angebundenen zweiten elektrischen Kontakt auf. Die gegenüber dem Stand der Technik gesteigerte Ausgangsspannung kann somit bei dieser Ausführungsform des mikromechanisches Bauteils leicht abgegriffen werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich eine Vielzahl von Ätzzugängen durch die zweite Außenelektrode, die zweite piezoelektrische Schicht und die zweite Zwischenelektrode. Wie unten genauer erläutert wird, erleichtert dies das Ausbilden des mindestens einen Zwischenspalts mit Luft, dem mindestens einen Gas oder Vakuum darin in dem Zwischenvolumen zwischen der ersten Zwischenelektrode und der zweiten Zwischenelektrode.
  • Die oben beschriebenen Vorteile sind sowohl bei einem Mikrofon als auch bei einem Druck- und/oder Kraftsensor mit einem derartigen mikromechanischen Bauteil realisiert. Es wird darauf hingewiesen, dass sowohl das Mikrofon als auch der Druck- und/oder Kraftsensor gemäß den vorausgehend beschriebenen Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weiterbildbar ist.
  • Des Weiteren schafft auch ein Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil die oben beschriebenen Vorteile. Auch das Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil ist gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen von mikromechanischen Bauteilen weiterbildbar.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
  • 1a bis 1c einen Querschnitt, eine Draufsicht und einen elektrischen Schaltkreis zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
  • 2a und 2b einen Querschnitt und eine Draufsicht zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
  • 3a bis 3d Querschnitte zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1a bis 1c zeigen einen Querschnitt, eine Draufsicht und einen elektrischen Schaltkreis zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Das mittels der 1a bis 1c schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil weist zumindest eine elektro-mechanische Biegestruktur 10 auf, welche jeweils eine erste piezoelektrische Schicht 12 mit einer ersten Außenelektrode 14 und einer ersten Zwischenelektrode 16 und eine zweite piezoelektrische Schicht 18 mit einer zweiten Zwischenelektrode 20 und einer zweiten Außenelektrode 22 umfasst. Die jeweilige erste Außenelektrode 14 liegt auf einer ersten Seite der ersten piezoelektrischen Schicht 12. (Die jeweilige erste Außenelektrode 14 kann entweder die zugeordnete erste piezoelektrische Schicht 12 kontaktieren, oder es kann mindestens ein weiteres Material zwischen der jeweiligen ersten Außenelektrode 14 und der zugeordneten ersten piezoelektrischen Schicht 12 vorliegen.) Die erste Zwischenelektrode 16 liegt auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite der ersten piezoelektrischen Schicht 12. (Die jeweilige erste Zwischenelektrode 16 kann damit entweder die zugeordnete erste piezoelektrische Schicht 12 kontaktieren, oder es kann mindestens ein weiteres Material zwischen der jeweiligen ersten Zwischenelektrode 16 und der zugeordneten ersten piezoelektrischen Schicht 12 vorliegen.) Die jeweilige zweite piezoelektrische Schicht 18 ist auf einer von der ersten piezoelektrischen Schicht 12 weg gerichteten Seite der ersten Zwischenelektrode 16 angeordnet, wobei (zumindest) die jeweilige zweite Zwischenelektrode 20 zwischen der zweiten piezoelektrischen Schicht 18 und der ersten Zwischenelektrode 16 vorliegt. Damit liegt auch die jeweilige zweite Zwischenelektrode 20 auf der von der ersten piezoelektrischen Schicht 12 weg gerichteten Seite der ersten Zwischenelektrode 16. (Wie unten genauer erläutert wird, bedeutet dies jedoch nicht, dass die jeweilige erste Zwischenelektrode 16 die jeweilige zweite Zwischenelektrode 20 kontaktiert.) Die zweite Außenelektrode 22 ist auf einer von der ersten Zwischenelektrode 16 (und der zweiten Zwischenelektrode 20) weg gerichteten Seite der zugeordneten zweiten piezoelektrischen Schicht 18 angeordnet. (Die jeweilige zweite Außenelektrode 22 kann entweder die zugeordnete zweite piezoelektrische Schicht 18 kontaktieren, oder es kann mindestens ein weiteres Material zwischen der jeweiligen zweiten Außenelektrode 22 und der zugeordneten zweiten piezoelektrischen Schicht 18 vorliegen.) Beispiele für die Materialien der Komponenten 12 bis 22 sind unten noch gegeben.
  • In 1a bis 1c ist beispielhaft nur eine (einzige) elektro-mechanische Biegestruktur 10 wiedergegeben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das mikromechanische Bauteil auch mehrere elektro-mechanische Biegestrukturen 10, insbesondere eine Vielzahl von elektro-mechanischen Biegestrukturen 10, jeweils mit den Komponenten 12 bis 22 aufweisen kann.
  • Vorzugsweise ist die zumindest eine elektro-mechanische Biegestruktur 10 so an einer (schematisch dargestellten) Halterung 24, wie beispielsweise einem Halbleitersubstrat (insbesondere einem Siliziumsubstrat), angeordnet, das mindestens ein die Halterung 24 kontaktierender Verankerungsbereich 10a der zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur 10 an der Halterung 24 verankert ist, während ein freitragender Bereich 10b der zugeordneten elektro-mechanischen Biegestruktur 10 mittels einer darauf ausgeübten Kraft F (bzw. eines darauf ausgeübten Drucks) in Bezug zu dem mindestens einen Verankerungsbereich 10a der zugeordneten elektro-mechanischen Biegestruktur 10 unter einer Verformung zumindest der piezoelektrischen Schichten 12 und 18 verstellbar ist. Die zumindest eine elektro-mechanische Biegestruktur 10 kann beispielsweise als Biegebalken oder als Membran ausgebildet sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit der zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur 10 nicht auf bestimmte Formen beschränkt ist.
  • In dem Beispiel der 1a bewirkt die Kraft F eine mittels des Pfeils 26 wiedergegebene Stauchung in der ersten piezoelektrischen Schicht 12 und eine mittels des Pfeils 28 wiedergegebene Dehnung in der zweiten piezoelektrischen Schicht 18. Eine mittels der Verformung der ersten piezoelektrischen Schicht 12 bewirkte erste Teilspannung V1 ist deshalb zu einer mittels der Verformung der zweiten piezoelektrischen Schicht 18 bewirkten zweiten Teilspannung V2 entgegengerichtet. Um dennoch eine Ausgangsspannung Vtotal zu erhalten, welche ungefähr einer Summe eines Betrags der ersten Teilspannung V1 und eines Betrags der zweiten Teilspannung V2 entspricht, ist die zweite Zwischenelektrode 20 elektrisch derart an der ersten Außenelektrode 14 angebunden, dass die zweite Zwischenelektrode 20 und die erste Außenelektrode 14 auf einem gleichen Potential liegen. (Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Realisierung einer derartigen elektrischen Anbindung der zweiten Zwischenelektrode 20 an die erste Außenelektrode 14 wird unten noch beschrieben.) Außerdem weist das mikromechanische Bauteil mindestens einen an der zweiten Außenelektrode 22 der zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur 10 elektrisch angebundenen ersten elektrischen Kontakt 30 und mindestens einen an der ersten Zwischenelektrode 16 der zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur 10 elektrisch angebundenen zweiten elektrischen Kontakt 32 auf. Die mindestens eine Ausgangsspannung Vtotal der zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur 10 ist somit leicht abgreifbar.
  • 1c zeigt einen zu der Kontaktierung der 1a äquivalenten elektrischen Schaltkreis. Erkennbar ist, dass die Gesamt-Kapazität Ctotal1 der unteren piezoelektrischen Schicht 12 der elektro-mechanischen Biegestruktur 10 der 1a zusätzlich zu einer „piezoelektrischen“ Kapazität C der piezoelektrischen Schicht 12 auch eine „parasitäre“ Kapazität Cp eines Kondensators aus den Zwischenelektroden 16 und 20 aufweist gemäß Gleichung (Gl. 1) mit: Ctotal1 = C + Cp (Gl. 1) Für die Ausgangsspannung V1 gilt deshalb Gleichung (Gl. 2) mit:
    Figure DE102016216215A1_0002
    wobei Q(F) eine mittels der Kraft F (aufgrund der Verformungen der piezoelektrischen Schichten 12 und 18) generierte Gesamtladung ist. Die Kapazität der zweiten piezoelektrischen Schicht bleibt gemäß Gleichung (Gl. 3) von den Parasiten unbeeinträchtigt: Ctotal2 = C (Gl. 3)
  • Dadurch ergibt sich die Ausgangsspannung V2 gemäß Gleichung (Gl. 4) zu: V2 = Vtotal (Gl. 4)
  • Die gesamte Ausgangsspannung des Sensorelements ergibt sich aus der Summe der Teilspannungen gemäß Gleichung (Gl. 5):
    Figure DE102016216215A1_0003
  • Die „parasitäre“ Kapazität Cp trägt somit zur Reduzierung der Ausgangsspannung Vtotal bei. Sofern jedoch ein Zwischenvolumen 34 zwischen der ersten Zwischenelektrode 16 und der zweiten Zwischenelektrode 20 zumindest teilweise mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material 36 gefüllt ist und/oder das Zwischenvolumen 34 mindestens einen Zwischenspalt 38 mit Luft, mindestens einem Gas oder Vakuum darin aufweist, ist die „parasitäre“ Kapazität Cp (vernachlässigbar) niedrig. Vorzugsweise ist das Zwischenvolumen 34 zwischen der ersten Zwischenelektrode 16 und der zweiten Zwischenelektrode 20 nur teilweise mit dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material 36 gefüllt und weist den mindestens einen Zwischenspalt 38 mit Luft, mindestens einem Gas oder Vakuum darin auf. Während ein vollständiges Ausfüllen des Zwischenvolumens 34 zwischen der ersten Zwischenelektrode 16 und der zweiten Zwischenelektrode 20 die zumindest eine elektro-mechanische Biegestruktur 10 steifer machen würde, bleibt die zumindest eine elektro-mechanische Biegestruktur 10 mit dem mindestens einen zwischen den Zwischenelektroden 16 und 20 liegenden Zwischenspalt 38 mit Luft, dem mindestens einen Gas oder Vakuum darin flexibel, und kann deshalb auf die Kraft F mit der gewünschten starken Verformung ihrer piezoelektrischen Schichten 12 und 18 reagieren. Luft, das mindestens eine Gas oder Vakuum haben keine Festigkeit und sind keine elektrischen Leiter. Ihr Vorhandensein in dem Zwischenvolumen 34 trägt somit zur Reduzierung der „parasitären“ Kapazität Cp unter Beibehaltung/Verbesserung einer Flexibilität der zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur 10 bei. Außerdem ermöglicht der mindestens eine zwischen den Zwischenelektroden 16 und 20 liegenden Zwischenspalt 38 mit Luft, dem mindestens einen Gas oder Vakuum darin auch eine Steigerung eines Abstandes zwischen der ersten Zwischenelektrode 16 und der zweiten Zwischenelektrode 20 ohne eine Reduzierung der Flexibilität der zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur 10.
  • Vorzugsweise ist in dem Zwischenvolumen 34 zwischen der ersten Zwischenelektrode 16 und der zweiten Zwischenelektrode 20 mindestens ein mechanisches Verbindungselement 40 aus dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material 36, welches sich jeweils von der ersten Zwischenelektrode 16 zu der zweiten Zwischenelektrode 20 erstreckt, ausgebildet. Das mindestens eine mechanische Verbindungselement 40 bewirkt eine „mechanische Kopplung“ zwischen den beiden Zwischenelektroden 16 und 20 derart, dass die auf die zweite piezoelektrische Schicht 18 ausgeübte Kraft F auch auf die erste piezoelektrische Schicht 12 weitergeleitet wird, und damit Verformungen beider piezoelektrischen Schichten 12 und 18 gemäß der Pfeile 26 und 28 auslöst. Bevorzugter Weise begrenzt das mindestens eine mechanische Verbindungselement 40 den mindestens einen Zwischenspalt 38 mit Luft, dem mindestens einen Gas oder Vakuum darin.
  • In der Ausführungsform der 1a bis 1c sind mehrere mechanische Verbindungselemente 40, vorzugsweise eine Vielzahl mechanischer Verbindungselemente 40, als das mindestens eine mechanische Verbindungselement 40 in dem Zwischenvolumen 34 zwischen der ersten Zwischenelektrode 16 und der zweiten Zwischenelektrode 20 ausgebildet. Jeweils zwischen zwei benachbarten mechanischen Verbindungselementen 40 ist ein Zwischenspalt 38 mit Luft, dem mindestens einen Gas oder Vakuum darin ausgebildet. Die mechanischen Verbindungselemente 40 können insbesondere als „Muster von Stützinseln“ ausgebildet sein. In diesem Fall weist jedes der mechanischen Verbindungselemente 40 in einer Ebene parallel zu den Zwischenelektroden 14 und 20 Ausdehnungen auf, welche kleiner als ihre Höhe/der Abstand zwischen der ersten Zwischenelektrode 14 und der zweiten Zwischenelektrode 20 ist. Trotz der „mechanischen Kopplung“ zwischen den Zwischenelektroden 14 und 20 über die mechanischen Verbindungselemente 40 ist damit eine Gesamt-Kontaktfläche der „mechanischen Kopplung“ minimiert.
  • 1b zeige eine Draufsicht auf die zweite Außenelektrode 22. Erkennbar ist, dass eine Vielzahl von Ätzzugängen 42 sich durch die zweite Außenelektrode 22, die zweite piezoelektrische Schicht 18 und die zweite Zwischenelektrode 20 erstrecken. Wie unten genauer erläutert wird, können die Ätzzugänge 42 zum Strukturieren der mechanischen Verbindungselemente 40 und zum Ausbilden der Zwischenspalte 38 genutzt werden. Mittels eines (nicht dargestellten) Verschließens der Ätzzugänge 32 kann außerdem das mindestens eine Gas oder Vakuum in dem mindestens einen Zwischenspalt 38 „eingeschlossen“ werden. Außerdem sind mittels der gestrichelten Linien 44 Positionen der mechanischen Verbindungselemente 40 unter der zweiten Zwischenelektrode 20 wiedergegeben.
  • 2a und 2b zeigen einen Querschnitt und eine Draufsicht zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Das mittels der 2a und 2b schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform lediglich darin, dass die mechanischen Verbindungsstrukturen 40 als senkrecht zu Ebenen der Zwischenelektroden 16 und 20 sich erstreckende Zwischenwände ausgebildet sind. (In 2a und 2b ist auf ein Einzeichnen der Ätzzugänge 42 der besseren Übersichtlichkeit wegen verzichtet.) Bezüglich weiterer Merkmale der Ausführungsform der 2a und 2b wird auf das vorausgehend beschriebene mikromechanische Bauteil verwiesen.
  • Die oben erläuterten mikromechanischen Bauteile eignen sich gut für ein Mikrofon oder für einen Druck- und/oder Kraftsensor. Ihre elektro-mechanischen Biegestrukturen 10 sind sensitive Druck- und/oder Kraftdetektierelemente, welche bei einer darauf ausgeübten Kraft F (bzw. einem darauf ausgeübten Druck), insbesondere auch bei Auftreffen einer Schallwelle auf der jeweiligen zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur 10, durch Verformung der piezoelektrischen Schichten 12 und 18 eine zum Nachweisen, Verstärken und/oder Auswerten ausreichend hohe Ausgangsspannung Vtotal ausgeben. Die elektro-mechanischen Biegestrukturen 10 weisen somit als Mikrofon oder als Druck- und/oder Kraftsensor eine hohe Sensitivität auf. Wie oben bereits erläutert ist, haben ihre elektro-mechanischen Biegestrukturen 10 auch eine vergleichsweise große Flexibilität (bzw. eine relativ geringe Steifigkeit).
  • 3a bis 3d zeigen Querschnitte zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
  • Das im Weiteren erläuterte Herstellungsverfahren kann beispielsweise zum Herstellen eines der oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile ausgeführt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausführbarkeit des im Weiteren beschriebenen Herstellungsverfahrens nicht auf ein Herstellen dieser mikromechanischen Bauteile beschränkt ist.
  • Zum Herstellen des mikromechanischen Bauteils wird zumindest eine elektro-mechanische Biegestruktur 10 gebildet. Die zumindest eine elektro-mechanische Biegestruktur 10 wird jeweils ausgebildet mit einer ersten piezoelektrischen Schicht 12, einer ersten Außenelektrode 14, einer ersten Zwischenelektrode 16, einer zweiten Zwischenelektrode 20, einer zweiten piezoelektrischen Schicht 18 und einer zweiten Außenelektrode 22. Die Elektroden 14, 16, 20 und 22 können beispielsweise aus Aluminium, Molybdän (Mo) und/oder Tantal (Ta) gebildet werden. Als Material für die erste piezoelektrische Schicht 12 und zweite piezoelektrische Schicht 18 können z.B. Aluminiumnitrid (AlN) und/oder Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) verwendet werden. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass eine Herstellbarkeit der Komponenten 12 bis 22 nicht auf die hier genannten Materialien limitiert ist.
  • In der Ausführungsform der 3a bis 3d wird zuerst auf einer Substratoberfläche eines Halbleitersubstrats 50 oder auf mindestens einer die Substratoberfläche zumindest teilweise abdeckenden Schicht 52, wie beispielsweise mindestens einer ersten Isolierschicht 52, die erste Außenelektrode 14 gebildet. Das Halbleitersubstrat 50 kann z.B. Silizium umfassen, insbesondere ein Siliziumsubstrat 50 sein. Die mindestens eine erste Isolierschicht 52 kann beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht und/oder eine Siliziumnitridschicht (Si3N4-Schicht) sein.
  • Anschließend wird die erste piezoelektrische Schicht 12 (direkt oder indirekt) auf einer von dem Substrat 50 weg gerichteten Seite der ersten Außenelektrode 14 gebildet. Während die erste Außenelektrode 14 auf einer ersten Seite der ersten piezoelektrischen Schicht 12 angeordnet wird, wird die zweite Zwischenelektrode 16 (direkt oder indirekt) auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite der ersten piezoelektrischen Schicht 12 angeordnet. Vorzugsweise wird die erste Zwischenelektrode 16 mit einer durchgehenden Aussparung 54 geformt, welche ein Bilden eines späteren ersten Durchkontakts 56a unter Umgehung der ersten Zwischenelektrode 16 erlaubt.
  • Vorzugsweise wird vor dem Bilden der zweiten Zwischenelektrode 20 auf einer von der ersten piezoelektrischen Schicht 12 weg gerichteten Seite der ersten Zwischenelektrode 16 mindestens eine (zweite) Isolierschicht 58 abgeschieden, welche die Komponenten 12, 14 und 16 zumindest teilweise abdeckt. Auch die mindestens eine zweite Isolierschicht 58 kann eine Siliziumdioxidschicht und/oder eine Siliziumnitridschicht (Si3N4-Schicht) sein.
  • Bevorzugter Weise wird die zweite Zwischenelektrode 20 elektrisch derart an der ersten Außenelektrode 14 angebunden, dass die zweite Zwischenelektrode 20 und die erste Außenelektrode 14 auf einem gleichen Potential liegen. Dazu können die Elektroden 14 und 20 über einen sich von der ersten Außenelektrode 14 zu der zweiten Zwischenelektrode 20 erstreckenden ersten Durchkontakt 56a miteinander verbunden werden. Zum Bilden des ersten Durchkontakts 56a wird (vor dem Bilden der zweiten Zwischenelektrode 20) ein Graben durch die mindestens eine (zweite) Isolierschicht 58 und die erste piezoelektrische Schicht 12 geätzt, wobei der Graben durch die Aussparung 54 in der ersten Zwischenelektrode 16 verläuft. Anschließend wird der Graben mit mindestens einem elektrisch leitfähigen Material, wie z.B. Aluminium, Molybdän (Mo) und/oder Tantal (Ta), gefüllt. Ein Kontakt zwischen dem ersten Durchkontakt 56a und der ersten Zwischenelektrode 16 ist aufgrund des Verlaufs des ersten Durchkontakts 56a durch die in der ersten Zwischenelektrode 16 ausgebildete Aussparung 54 verhindert. Die erste Zwischenelektrode 16 wird somit nicht auf das gleiche Potential der Elektroden 14 und 20 gelegt.
  • Die zweite Zwischenelektrode 20 kann anschließend auf der mindestens einen zweiten Isolierschicht 58 gebildet werden. (Die zweite Zwischenelektrode 20 wird somit auf der von der ersten piezoelektrischen Schicht 12 weg gerichteten Seite der ersten Zwischenelektrode 16 zwischen der zweiten piezoelektrischen Schicht 18 und der ersten Zwischenelektrode 16 angeordnet.) Ein Zwischenvolumen 34 zwischen der ersten Zwischenelektrode 16 und der zweiten Zwischenelektrode 20 ist deshalb zumindest teilweise mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material 36 der mindestens einen (zweiten) Isolierschicht 58 gefüllt. Vorzugsweise wird die zweite Zwischenelektrode 20 mit einer Vielzahl von durchgehenden Löchern 60 gebildet, welche spätere Ätzzugänge ermöglichen.
  • Die zweite piezoelektrische Schicht 18 wird (direkt oder indirekt) auf der zweiten Zwischenelektrode 20 gebildet. Die zweite piezoelektrische Schicht 18 wird somit auf der von der ersten piezoelektrischen Schicht 12 weg gerichteten Seite der ersten Zwischenelektrode 16 (und der zweiten Zwischenelektrode 20) gebildet, wodurch die zweite Zwischenelektrode 20 zwischen der zweiten piezoelektrischen Schicht 18 und der ersten Zwischenelektrode 16 angeordnet wird.
  • Optionaler Weise wird vor dem Bilden der zweite Außenelektrode 22 noch ein zweiter Durchkontakt 56b gebildet, welcher eine Kontaktierung der ersten Zwischenelektrode 16 erleichtert. Dazu wird ein Graben durch die zweite piezoelektrische Schicht 18 und die mindestens eine (zweite) Isolierschicht 58 geätzt, welcher mit mindestens einem elektrisch leitfähigen Material, wie z.B. Aluminium, Molybdän (Mo) und/oder Tantal (Ta), gefüllt wird.
  • Die zweite Außenelektrode 22 wird (direkt oder indirekt) auf einer von der ersten Zwischenelektrode 16 und der zweiten Zwischenelektrode 20 weg gerichteten Seite der zweiten piezoelektrischen Schicht 18 gebildet. Auch die zweite Außenelektrode 22 kann mit einer Vielzahl von durchgehenden Löchern 62 ausgebildet werden, deren Positionen vorzugsweise zu den Positionen der Löcher 60 in der zweiten Zwischenelektrode 20 korrespondieren.
  • Der fertige Schichtaufbau aus den Komponenten 12 bis 22, 50, 52, 56a, 56b und 58 ist in 3a dargestellt. Erkennbar ist auch, dass auf einer von dem Halbleitersubstrat 50 weg gerichteten Außenseite des Schichtaufbaus mindestens ein erster elektrischer Kontakt 30 und mindestens ein zweiter elektrischer Kontakt 32 vorliegen, wobei beim Ausführen der oben beschriebenen Verfahrensschritte die jeweilige zweite Außenelektrode 22 der zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur 10 elektrisch an den mindestens einen ersten elektrischen Kontakt 30 und die jeweilige erste Zwischenelektrode 16 der zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur 10 elektrisch an den mindestens einen zweiten elektrischen Kontakt 32 angebunden werden.
  • 3b zeigt den Schichtaufbau nach einem Strukturieren einer Vielzahl von Ätzzugängen 64 durch Wegätzen der aufgrund der Löcher 62 in der zweiten Außenelektrode 22 freiliegenden Materialbereiche der zweiten piezoelektrischen Schicht 18. Die Ätzzugänge 64 können sich jeweils von einem der Löcher 62 in der zweiten Außenelektrode 22 zu einem der Löcher 60 in der zweiten Zwischenelektrode 20 erstrecken.
  • Anschließend kann die zumindest eine elektro-mechanische Biegestruktur 10 zumindest teilweise freigestellt werden, indem eine Aussparung/Kaverne 66 durch das Halbleitersubstrat 50 strukturiert wird. Auf diese Weise wird jeweils ein freitragender Bereich 10b der zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur 10 freigestellt, während mindestens ein Verankerungsbereich 10a der zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur 10 an dem Halbleitersubstrat 50 verankert bleibt, wie in 3c erkennbar ist.
  • 3d zeigt das mikromechanische Bauteil nach einem weiteren Ätzschritt, mittels welchem das mindestens eine elektrisch isolierende Material 36 (in dem Zwischenvolumen 34) in Form mindestens eines mechanischen Verbindungselements 40, welches sich von der ersten Zwischenelektrode 16 zu der zweiten Zwischenelektrode 20 erstreckt, strukturiert wird, und mindestens ein Zwischenspalt 38 (später mit Luft, mindestens einem Gas oder Vakuum darin) in dem Zwischenvolumen 34 geformt wird. Dies geschieht, indem durch die Vielzahl von Ätzzugängen 64, welche durch die zweite Außenelektrode 22, die zweite piezoelektrische Schicht 18 und die zweite Zwischenelektrode 20 verlaufen, das mindestens eine elektrisch isolierende Material 36 (in dem Zwischenvolumen 34) teilweise entfernt wird, so dass nur noch das mindestens eine mechanische Verbindungselement 40 zurückbleibt. Auf diese Weise wird das mindestens eine mechanische Verbindungselement 40 aus dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material 36, welches sich von der ersten Zwischenelektrode 16 zu der zweiten Zwischenelektrode 20 erstreckt und den mindestens einen Zwischenspalt 38 (später mit Luft, dem mindestens einen Gas oder Vakuum darin) begrenzt, strukturiert. Optionaler Weise können die Ätzzugänge 54 später mit mindestens einem (nicht skizzierten) abgeschiedenen Material verschlossen werden, so dass das mindestens eine Gas oder Vakuum in dem mindestens einen Zwischenspalt zwischen zwei benachbarten mechanischen Verbindungselementen 40 eingeschlossen wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2014/0339657 A1 [0002]

Claims (15)

  1. Mikromechanisches Bauteil mit: zumindest einer elektro-mechanischen Biegestruktur (10), welche jeweils umfasst: – eine erste piezoelektrische Schicht (12); – eine auf einer ersten Seite der ersten piezoelektrischen Schicht (12) angeordnete erste Außenelektrode (14); – eine auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite der ersten piezoelektrischen Schicht (12) angeordnete erste Zwischenelektrode (16); – eine auf einer von der ersten piezoelektrischen Schicht (12) weg gerichteten Seite der ersten Zwischenelektrode (16) angeordnete zweite piezoelektrische Schicht (18); und – eine auf einer von der ersten Zwischenelektrode (16) weg gerichteten Seite der zweiten piezoelektrischen Schicht (18) angeordnete zweite Außenelektrode (22); dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine elektro-mechanische Biegestruktur (10) jeweils eine zweite Zwischenelektrode (20) aufweist, welche auf der von der ersten piezoelektrischen Schicht (12) weg gerichteten Seite der ersten Zwischenelektrode (16) zwischen der zweiten piezoelektrischen Schicht (18) und der ersten Zwischenelektrode (16) angeordnet ist.
  2. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei ein Zwischenvolumen (34) zwischen der ersten Zwischenelektrode (16) und der zweiten Zwischenelektrode (20) zumindest teilweise mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material (36) gefüllt ist und/oder mindestens einen Zwischenspalt (38) mit Luft, mindestens einem Gas oder Vakuum darin aufweist.
  3. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 2, wobei in dem Zwischenvolumen (34) zwischen der ersten Zwischenelektrode (16) und der zweiten Zwischenelektrode (20) mindestens ein mechanisches Verbindungselement (40) aus dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material (36) ausgebildet ist, welches sich jeweils von der ersten Zwischenelektrode (16) zu der zweiten Zwischenelektrode (20) erstreckt und den mindestens einen Zwischenspalt (38) mit Luft, dem mindestens einen Gas oder Vakuum darin begrenzt.
  4. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 3, wobei mehrere mechanische Verbindungselemente (40) als das mindestens eine mechanische Verbindungselement (40) in dem Zwischenvolumen (34) zwischen der ersten Zwischenelektrode (16) und der zweiten Zwischenelektrode (20) ausgebildet sind, und wobei zwischen zwei benachbarten mechanischen Verbindungselementen (40) jeweils ein Zwischenspalt (38) mit Luft, dem mindestens einen Gas oder Vakuum darin ausgebildet ist.
  5. Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Zwischenelektrode (20) elektrisch derart an der ersten Außenelektrode (14) angebunden ist, dass die zweite Zwischenelektrode (20) und die erste Außenelektrode (14) auf einem gleichen Potential liegen.
  6. Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikromechanische Bauteil mindestens einen an der jeweiligen zweiten Außenelektrode (22) der zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur (10) elektrisch angebundenen ersten elektrischen Kontakt (30) und mindestens einen an der jeweiligen ersten Zwischenelektrode (16) der zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur (10) elektrisch angebundenen zweiten elektrischen Kontakt (32) aufweist.
  7. Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Ätzzugängen (42) sich durch die zweite Außenelektrode (22), die zweite piezoelektrische Schicht (18) und die zweite Zwischenelektrode (20) erstrecken.
  8. Mikrofon umfassend ein mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  9. Druck- und/oder Kraftsensor umfassend ein mikromechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  10. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Schritten: Bilden zumindest einer elektro-mechanischen Biegestruktur (10), welche jeweils ausgebildet wird mit: – einer ersten piezoelektrischen Schicht (12); – einer auf einer ersten Seite der ersten piezoelektrischen Schicht (12) angeordneten ersten Außenelektrode (14); – einer auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite der ersten piezoelektrischen Schicht (12) angeordneten ersten Zwischenelektrode (16); – einer auf einer von der ersten piezoelektrischen Schicht (12) weg gerichteten Seite der ersten Zwischenelektrode (16) angeordneten zweiten piezoelektrischen Schicht (18); und – einer auf einer von der ersten Zwischenelektrode (16) weg gerichteten Seite der zweiten piezoelektrischen Schicht (18) angeordneten zweiten Außenelektrode (22); dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine elektro-mechanische Biegestruktur (10) jeweils ausgebildet wird mit einer zweiten Zwischenelektrode (20), welche auf der von der ersten piezoelektrischen Schicht (12) weg gerichteten Seite der ersten Zwischenelektrode (16) zwischen der zweiten piezoelektrischen Schicht (18) und der ersten Zwischenelektrode (16) angeordnet wird.
  11. Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, wobei ein Zwischenvolumen (34) zwischen der ersten Zwischenelektrode (16) und der zweiten Zwischenelektrode (20) zumindest teilweise mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material (36) gefüllt wird und/oder mindestens ein Zwischenspalt (38) mit Luft, mindestens einem Gas oder Vakuum darin in dem Zwischenvolumen (34) zwischen der ersten Zwischenelektrode (16) und der zweiten Zwischenelektrode (20) gebildet wird.
  12. Herstellungsverfahren nach Anspruch 11, wobei mindestens ein mechanisches Verbindungselement (40) aus dem mindestens einen elektrisch isolierenden Material (36) strukturiert wird, welches sich von der ersten Zwischenelektrode (16) zu der zweiten Zwischenelektrode (20) erstreckt und den mindestens einen Zwischenspalt (38) mit Luft, dem mindestens einen Gas oder Vakuum darin begrenzt.
  13. Herstellungsverfahren nach Anspruch 12, wobei eine Vielzahl von Ätzzugängen (42) durch die zweite Außenelektrode (22), die zweite piezoelektrische Schicht (18) und die zweite Zwischenelektrode (20) gebildet werden, und wobei das mindestens eine elektrisch isolierende Material (36) in dem Zwischenvolumen (34) zwischen der ersten Zwischenelektrode (16) und der zweiten Zwischenelektrode (20) durch die Vielzahl von Ätzzugängen (64) teilweise entfernt wird, so dass nur noch das mindestens eine mechanische Verbindungselement (40) zurückbleibt.
  14. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die zweite Zwischenelektrode (20) elektrisch derart an der ersten Außenelektrode (12) angebunden wird, dass die zweite Zwischenelektrode (20) und die erste Außenelektrode (12) auf einem gleichen Potential liegen.
  15. Herstellungsverfahren nach einem Ansprüche 10 bis 14, wobei die jeweilige zweite Außenelektrode (22) der zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur (10) elektrisch an mindestens einem ersten elektrischen Kontakt (30) und die jeweilige erste Zwischenelektrode (16) der zumindest einen elektro-mechanischen Biegestruktur (10) elektrisch an mindestens einem zweiten elektrischen Kontakt (32) angebunden werden.
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