DE102016216226A1

DE102016216226A1 - Mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil

Info

Publication number: DE102016216226A1
Application number: DE102016216226.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Buck; Kerrin DOESSEL; Fabian Purkl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-08-29
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2018-03-15
Also published as: IT201700094906A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil mit einem Substrat (10), und zumindest einer an dem Substrat (10) angeordneten Biegestruktur (12), welche jeweils mindestens eine piezoelektrische Schicht (14, 16), eine auf einer zu dem Substrat (10) ausgerichteten ersten Seite (12-1) der Biegestruktur (12) ausgebildete erste Außenelektrode (18) und eine auf einer von dem Substrat (10) weg gerichteten zweiten Seite (12-2) der Biegestruktur (12) ausgebildete zweite Außenelektrode (20) umfasst, wobei mindestens ein Graben und/oder mindestens ein vorstehender Balken (34) zusätzlich zu der ersten Außenelektrode (18) auf der ersten Seite (12-1) der Biegestruktur (12) und/oder zusätzlich zu der zweiten Außenelektrode (20) auf der zweiten Seite (12-2) der Biegestruktur (12) ausgebildet ist. Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung ein Mikrofon und einen Druck- und/oder Kraftsensor. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung 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 2016/0339657 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 kostengünstige und einfach realisierbare Möglichkeiten zum zumindest teilweisen Kompensieren einer durch den intrinsischen Stressgradienten in der mindestens einen piezoelektrischen Schicht ausgelösten und in der Regel unerwünschten Verformung der zumindest einen Biegestruktur des jeweiligen mikromechanischen Bauteils. Ein herkömmlicherweise aufgrund der durch den intrinsischen Stressgradienten bewirkten Verformung in Kauf zu nehmender Spalt/Luftspalt, welcher eine Sensitivität der jeweiligen Biegestruktur (bzw. des damit ausgestatteten mikromechanischen Bauteils) beeinflusst, kann deshalb mittels der vorliegenden Erfindung leicht verkleinert/geschlossen werden. Die vorliegende Erfindung trägt somit zur Verbesserung der Sensitivität von mikromechanischen Bauteilen mit zumindest einer mindestens eine piezoelektrische Schicht umfassenden Biegestruktur bei.
Der in der mindestens einen piezoelektrischen Schicht der zumindest einen Biegestruktur auftretende intrinsische Stressgradient kann auch als ein mechanischer Stress/eine mechanische Spannung/eine intrinsische Spannung bezeichnet werden. Der in der mindestens einen piezoelektrischen Schicht der zumindest einen Biegestruktur auftretende intrinsische Stress resultiert aus dem Abscheideprozess zum Bilden der mindestens einen piezoelektrischen Schicht. Da mittels der vorliegenden Erfindung die Folgen des intrinsischen Stresses zumindest reduzierbar sind, ermöglicht die vorliegende Erfindung die Verwendung von kostengünstig und einfach/schnell ausführbaren Abscheideverfahren zum Bilden der zumindest einen piezoelektrischen Schicht, ohne dass danach während eines Betriebs des jeweiligen mikromechanischen Bauteils Nachteile aufgrund des aus dem verwendeten Abscheideverfahren resultierenden intrinsischen Stresses in Kauf genommen werden müssen. Die vorliegende Erfindung trägt somit auch dazu bei, die Herstellungskosten für mikromechanische Bauteile zu reduzieren und eine Herstellbarkeit von mikromechanischen Bauteilen zu verbessern und/oder zu beschleunigen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils weist der mindestens eine Graben und/oder der mindestens eine vorstehende Balken eine Länge auf, welche um zumindest einen Faktor 5 größer als eine Breite des jeweiligen Grabens oder vorstehenden Balkens ist. Insbesondere kann der mindestens eine Graben und/oder der mindestens eine vorstehende Balken eine Länge haben, welche um zumindest einen Faktor 7, insbesondere um zumindest einen Faktor 10, speziell um einen Faktor 15, größer als eine Breite des jeweiligen Grabens oder vorstehenden Balkens ist. Ein derartiges Design des mindestens einen Grabens und/oder des mindestens einen vorstehenden Balkens wirkt der (aufgrund des intrinsischen Stressgradienten in der mindestens einen piezoelektrischen Schicht häufig auftretenden) unerwünschten Verformung der jeweils damit ausgebildeten Biegestruktur vorteilhaft entgegen.
Beispielsweise können mehrere zumindest abschnittsweise parallel zueinander ausgerichtete Gräben oder vorstehende Balken als der mindestens eine Graben und/oder der mindestens eine vorstehende Balken auf der ersten Seite und/oder auf der zweiten Seite der Biegestruktur ausgebildet sein. Dies trägt vorteilhaft zur Stützung der jeweils damit ausgebildeten Biegestruktur in einer gewünschten Ausgangsstellung bei.
Ebenso können der mindestens eine Graben und/oder der mindestens eine vorstehende Balken als mindestens ein rechteckiges Muster aus Gräben oder vorstehenden Balken und/oder als mindestens ein Wabenmuster aus Gräben oder vorstehenden Balken auf der ersten Seite und/oder auf der zweiten Seite der Biegestruktur ausgebildet sein. Auch dies bewirkt die gewünschte Stützung der Biegestruktur in ihrer Ausgangsstellung (entgegen des intrinsischen Stressgradienten in der mindestens einen piezoelektrischen Schicht).
Bevorzugter Weise ist die zumindest eine Biegestruktur als jeweils ein Biegebalken ausgebildet, wobei ein Verankerungsbereich des Biegebalkens an dem Substrat verankert ist, während ein freitragender Bereich des Biegebalkens mittels einer darauf ausgeübten Kraft in Bezug zu dem Verankerungsbereich des gleichen Biegebalkens verstellbar ist. Ein derartiger Biegebalken ist aufgrund seiner Ausbildung mit dem mindestens einen Graben und/oder mit dem mindestens einen vorstehenden Balken verlässlich in seiner gewünschten Ausgangsstellung haltbar. Wie unten genauer ausgeführt wird, kann damit eine Verwendbarkeit des mindestens einen Biegebalkens, insbesondere in einem Mikrofon, gesteigert werden.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Graben und/oder der mindestens eine vorstehende Balken auf einer von dem Verankerungsbereich weg gerichteten Seite der ersten Außenelektrode auf der ersten Seite der Biegestruktur und/oder auf einer von dem Verankerungsbereich weg gerichteten Seite der zweiten Außenelektrode auf der zweiten Seite der Biegestruktur ausgebildet. Wie unten genauer erläutert wird, bewirkt eine derartige Anordnung des mindestens einen Grabens und/oder des mindestens einen vorstehenden Balkens an dem jeweils damit ausgebildeten Biegebalken eine vorteilhafte Sensitivität des Biegebalkens, während gleichzeitig ein unerwünschter Spalt/Luftspalt in einer unmittelbaren Umgebung des Biegebalkens mittels dieser Anordnung des mindestens einen Grabens und/oder des mindestens einen vorstehenden Balkens daran reduzierbar/unterdrückbar ist.
Alternativ kann, sofern der zumindest eine Biegebalken jeweils mehrere Gräben und/oder vorstehende Balken als den mindestens einen Graben und/oder den mindestens einen vorstehenden Balken aufweist, mindestens einer der Gräben und/oder vorstehenden Balken auf der von dem Verankerungsbereich weg gerichteten Seite der ersten Außenelektrode auf der ersten Seite der Biegestruktur und/oder auf der von dem Verankerungsbereich weg gerichteten Seite der zweiten Außenelektrode auf der zweiten Seite der Biegestruktur ausgebildet sein, und mindestens ein anderer der Gräben und/oder vorstehenden Balken kann zwischen dem Verankerungsbereich und der ersten Außenelektrode auf der ersten Seite der Biegestruktur und/oder zwischen dem Verankerungsbereich und der zweiten Außenelektrode auf der zweiten Seite der Biegestruktur ausgebildet sein. Auch eine derartige Anordnung von Gräben und/oder vorstehenden Balken an dem damit ausgebildeten Biegebalken steigert dessen Sensitivität und trägt zur Unterdrückung des unerwünschten Spalts/Luftspalts in der unmittelbaren Umgebung des jeweiligen Biegebalkens bei.
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 schematische Querschnitte zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
2 bis 9 schematische Darstellungen von weiteren Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils;
10a bis 10d schematische Querschnitte zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil; und
11a bis 11d schematische Querschnitte zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Ausführungsformen der Erfindung
1a bis 1c zeigen schematische Querschnitte zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 1a schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist ein (schematisch wiedergegebenes) Substrat 10 und zumindest eine an dem Substrat 10 angeordnete Biegestruktur 12 auf. Die zumindest eine Biegestruktur 12 umfasst jeweils mindestens eine piezoelektrische Schicht 14 und 16, eine erste Außenelektrode 18 und eine zweite Außenelektrode 20. Die erste Außenelektrode 18 ist auf einer zu dem Substrat 10 (bzw. zu einer in/durch das Substrat 10 strukturierten Aussparung 22) ausgerichteten ersten Seite 12-1 der Biegestruktur 12 ausgebildet. Im Unterschied dazu ist die zweite Außenelektrode 20 auf einer von dem Substrat 10 (bzw. der Aussparung 22) weg gerichteten zweiten Seite 12-2 der Biegestruktur 12 ausgebildet. Die Biegestruktur 12 der 1a weist beispielhaft zwei piezoelektrische Schichten 14 und 16 als die mindestens eine piezoelektrische Schicht 14 und 16 auf, wobei eine Zwischenelektrode 24 (in einem Zwischenvolumen zwischen den Außenelektroden 18 und 20) zwischen den zwei piezoelektrischen Schichten 14 und 16 liegt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Ausbildung der Biegestruktur 12 mit den Komponenten 14 bis 20 und 24 nur beispielhaft zu interpretieren ist. Beispielsweise kann zusätzlich zu der ersten piezoelektrischen Schicht 14 und/oder der zweiten piezoelektrischen Schicht 16 noch mindestens eine weitere Zwischenschicht zwischen der ersten Außenelektrode 18 und der Zwischenelektrode 24 und/oder der Zwischenelektrode 24 und der zweiten Außenelektrode 20 liegen.
Die Elektroden 18, 20 und 24 können (senkrecht zu einer Richtung von der ersten Außenelektrode 18 zu der zweiten Außenelektrode 20) eine Ausdehnung a aufweisen, welche deutlich kleiner als eine Ausdehnung A der mindestens einen piezoelektrischen Schicht 14 und 16 (senkrecht zu der Richtung von der ersten Außenelektrode 16 zu der zweiten Außenelektrode 18) ist. Beispielsweise liegt eine Ausdehnung a der Elektroden 18, 20 und 24 bei etwa einem Drittel der Ausdehnung A der piezoelektrischen Schichten 14 und 16. Abweichend von der Darstellung in den 1a bis 1c können die Elektroden 18, 20 und 24 auch unterschiedliche Ausdehnungen a und/oder die piezoelektrischen Schichten 14 und 16 voneinander abweichende Ausdehnungen A haben.
Die Elektroden 18, 20 und 24 können beispielsweise aus Aluminium, Molybdän (Mo) und/oder Tantal (Ta) gebildet sein. Als Material für die erste piezoelektrische Schicht 14 und zweite piezoelektrische Schicht 16 können z.B. Aluminiumnitrid (AlN) und/oder Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) verwendet sein. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass eine Herstellbarkeit der Komponenten 14 bis 20 und 24 nicht auf die hier genannten Materialien limitiert ist.
Die zumindest eine Biegestruktur 12 kann beispielsweise als Biegebalken 12 oder als Membran ausgebildet sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit der zumindest einen Biegestruktur 12 nicht auf bestimmte Formen beschränkt ist. Die jeweilige Biegestruktur 12 weist mindestens einen freitragenden Bereich 12a/mindestens ein freitragendes Ende auf, welcher/welches in Bezug zu einem Verankerungsbereich 12b/verankerten Ende der Biegestruktur 12 unter einer Stauchung und/oder Dehnung der mindestens einen piezoelektrischen Schicht 14 und 16 verstellbar ist. Die Biegestruktur 12 ist somit mittels einer darauf ausgeübten Kraft F und/oder eines darauf ausgeübten Drucks verformbar, wobei die mindestens eine piezoelektrische Schicht 14 und 16 komprimiert und/oder gedehnt wird. Da eine Vielzahl von Möglichkeiten zum Fixieren des Verankerungsbereichs 12b möglich sind, wird hier nicht genauer darauf eingegangen.
Vor einer Freistellung des mindestens einen freitragenden Bereichs 12a der Biegestruktur 12 (in der Regel durch Entfernung eines Opferschichtmaterials) liegt die Biegestruktur 12 in einer mittels der Linien 26 in 1a bis 1c wiedergegebenen Ausgangsstellung vor. Während eines Abscheidens der mindestens einen piezoelektrischen Schicht 14 und 16 mittels eines Abscheideverfahrens wird jedoch häufig ein intrinsischer Stressgradient in der jeweiligen piezoelektrischen Schicht 14 und 16 gebildet, welcher nach der Freistellung des mindestens einen freitragenden Bereichs 12a der Biegestruktur 12 zu einer Verformung der Biegestruktur 12 aus der Ausgangsstellung führt, wie sie in 1b wiedergegeben ist. (1b gibt eine Form der Biegestruktur 12 wieder, in welcher keine äußere Kraft, kein äußerer Druck und keine Schallwelle auf die Biegestruktur 12 einwirkt.)
Die durch den intrinsischen Stressgradienten in der mindestens einen piezoelektrischen Schicht 14 und 16 ausgelöste Verformung der Biegestruktur 12 führt in dem Beispiel der 1b zu einer Öffnung/einer Vergrößerung eines Spalts/Luftspalts 28 zwischen dem von dem Verankerungsbereich 12b weg gerichteten freitragenden Bereich 12a der Biegestruktur 12 und einer dazu benachbarten Struktur 30. (Die benachbarte Struktur 30 kann beispielsweise aus dem Material der mindestens einen piezoelektrischen Schicht 14 und 16 gebildet sein.) Der Spalt 28 kann insbesondere in einer Größenordnung von mehreren 10 µm (10 Mikrometer) liegen. Eine Spaltgröße des Spalts 28 kann auch aufgrund von Streuungen signifikant variieren. (Die durch den intrinsischen Stressgradienten in der mindestens einen piezoelektrischen Schicht 14 und 16 bewirkbare Verformung der Biegestruktur 12 ist in 1a mittels der Linien 32 wiedergegeben.)
Die durch den intrinsischer Stressgradienten (in der jeweiligen piezoelektrischen Schicht 14 und 16) ausgelöste Verformung der Biegestruktur 12 kann herkömmlicher Weise eine Sensitivität der Biegestruktur 12/des damit ausgebildeten mikromechanischen Bauteils beeinträchtigen. Bei einem als Mikrofon eingesetzten mikromechanischen Bauteil bewirkt der Spalt 28 häufig eine variable „Leak-Resistance“, welche es unmöglich macht, niedrige Schallfrequenzen zu verstärken.
Jedoch ist mindestens ein Graben und/oder mindestens ein vorstehender Balken 34 zusätzlich zu der ersten Außenelektrode 18 (auf der ersten Seite 12-1 der Biegestruktur 12) und/oder zusätzlich zu der zweiten Außenelektrode 20 (auf der zweiten Seite 12-2 der Biegestruktur 12) ausgebildet. Der mindestens eine Graben und/oder der mindestens eine vorstehende Balken 34 können jeweils als Stützgraben oder (vorstehender) Stützbalken umschrieben werden. Der mindestens eine Graben und/oder der mindestens eine vorstehende Balken 34 wirkt dem intrinsischen Stressgradienten in der mindestens einen piezoelektrischen Schicht 14 und 16 entgegen und reduziert/verhindert damit eine unerwünschte Verformung der Biegestruktur 12 aus ihrer Ausgangsstellung. Der mindestens eine Graben und/oder der mindestens eine vorstehende Balken 34 bewirkt somit ein „Zurückbiegen“ der Biegestruktur 12 anpassend an deren Ausgangsstellung (vor dem Freistellen des mindestens einen freitragenden Bereichs 12a).
Der in 1b dargestellte Spalt 28 kann mittels des mindestens einen Grabens und/oder des mindestens einen vorstehenden Balkens 34 verkleinert/geschlossen werden. Herkömmliche Auswirkungen des Spalts 28 auf eine Sensitivität der Biegestruktur 12/des damit ausgestatteten mikromechanischen Bauteils müssen somit (aufgrund der Ausbildung des mindestens einen Grabens und/oder des mindestens einen vorstehenden Balkens 34) nicht in Kauf genommen werden. Die Ausbildung des mindestens einen Grabens und/oder des mindestens einen vorstehenden Balkens 34 trägt damit zur Verbesserung der Sensitivität der Biegestruktur 12/des damit ausgestatteten mikromechanischen Bauteils bei.
Es wird auch darauf hingewiesen, dass zum Herstellen des hier beschriebenen mikromechanischen Bauteils nur vergleichsweise wenige Anforderungen von dem zum Bilden der mindestens einen piezoelektrischen Schicht 14 und 16 ausgeführten Abscheideverfahren einzuhalten sind. Da der bei den jeweils ausgeführten Abscheideverfahren in der mindestens einen piezoelektrischen Schicht 14 und 16 resultierende intrinsische Stressgradient, bzw. seine Auswirkungen auf die Biegestruktur 12, leicht kompensierbar ist, können eine Vielzahl von einfach und schnell ausführbaren Abscheideverfahren zum Herstellen der mindestens einen piezoelektrischen Schicht 14 und 16 verwendet werden. Außerdem ist es nicht notwendig, mindestens eine stabilisierende Zwischenschicht an der Biegestruktur 12 auszubilden, um dem in der mindestens einen piezoelektrischen Schicht 14 und 16 auftretenden intrinsischen Stressgradienten entgegenzuwirken. Dies reduziert die Herstellungskosten der Biegestruktur 12, bzw. des damit ausgestatteten mikromechanischen Bauteils.
Der mindestens eine Graben und/oder der mindestens eine vorstehende Balken 34 können eine Länge aufweisen, welche um zumindest einen Faktor 5 größer als eine Breite des jeweiligen Grabens oder vorstehenden Balkens 34 ist. Insbesondere können der mindestens eine Graben und/oder der mindestens eine vorstehende Balken 34 eine Länge haben, welche um zumindest einen Faktor 7, insbesondere um zumindest einen Faktor 10, speziell um einen Faktor 15, größer als eine Breite des jeweiligen Grabens oder vorstehenden Balkens 34 ist. Die hier genannten Zahlenwerte tragen zur Verbesserung einer Funktion des jeweiligen Grabens oder vorstehenden Balkens 34 als Stützgraben oder (vorstehender) Stützbalken bei, sind jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
Vorzugsweise weisen der mindestens eine Graben und/oder der mindestens eine vorstehende Balken 34 eine Höhe auf, welche deutlich größer als die Breite des jeweiligen Grabens oder vorstehenden Balkens 34 ist. Die Höhe des mindestens einen Grabens und/oder des mindestens einen vorstehenden Balkens 34 kann auch größer als eine Schichtdicke der Biegestruktur 12 sein. In einem Querschnitt senkrecht zu ihrer Längsrichtung können der mindestens eine Graben und/oder der mindestens eine vorstehende Balken 34 „U-förmig“ oder „T-förmig“ geformt sein.
Die Ausbildung der zumindest einen Biegestruktur 12 mit dem mindestens einen Graben und/oder dem mindestens einen vorstehenden Balken 34 steigert eine Steifigkeit der jeweiligen Stützstruktur 12. Wie nachfolgend genauer erläutert wird, kann insbesondere eine lokale Steifigkeit der Stützstruktur 12 mittels der Ausbildung des mindestens einen Grabens und/oder des mindestens einen vorstehenden Balkens 34 an lediglich einem Teilbereich der Stützstruktur 12 gesteigert werden, während in mindestens einem weiteren Teilbereich der gleichen Stützstruktur 12 eine vorteilhaft hohe lokale Flexibilität vorliegt.
1c zeigt eine Auswirkung einer auf die Biegestruktur 12 ausgeübten Kraft F (ungleich Null). Wie erkennbar ist, bewirkt die Kraft F eine signifikante Verformung der Biegestruktur 12, welche beispielhaft zu einer Druckspannung in der ersten piezoelektrischen Schicht 14 und einer Zugspannung in der zweiten piezoelektrischen Schicht 16 führt. Die von der Kraft F bewirkte Verformung der Biegestruktur 12 kann deshalb mittels mindestens einer zwischen zwei der Elektroden 18, 20 und 24 abgegriffenen Spannung ermittelt/nachgewiesen werden.
Wie in 1c erkennbar ist, bewirkt die Kraft F insbesondere nahe an dem mindestens einen Verankerungsbereich 12b der Biegestruktur 12 signifikante Komprimierungen/Dehnungen der mindestens einen piezoelektrischen Schicht 14 und 16. Vorzugsweise liegen deshalb die Elektroden 18, 20 und 24 nahe oder direkt an dem Verankerungsbereich 12b der Biegestruktur 12. Es kann deshalb vorteilhaft sein, wenn nahe oder direkt an dem Verankerungsbereich 12b der Biegestruktur 12 kein Graben und kein vorstehender Balken 34 liegt. Eine lokale Flexibilität der Biegestruktur 12 nahe an dem Verankerungsbereich 12b, welcher zur Sensierung hauptsächlich genutzt wird, bleibt somit hoch, was zur Steigerung der Sensitivität der Biegestruktur 12 beiträgt.
In dem hier beschriebenen Beispiel ist die zumindest eine Biegestruktur 12 jeweils als ein Biegebalken 12 ausgebildet. Der Verankerungsbereich 12b des Biegebalkens 12 ist an dem Substrat 10 verankert, während der freitragende Bereich 12a des Biegebalkens 12 mittels einer darauf ausgeübten Kraft F in Bezug zu dem Verankerungsbereich 12b des gleichen Biegebalkens 12 verstellbar ist. Vorzugsweise liegt der mindestens eine Graben und/oder der mindestens eine vorstehende Balken 34 auf einer von dem Verankerungsbereich 12b weg gerichteten Seite der ersten Außenelektrode 18 (auf der ersten Seite 12-1 der Biegestruktur 12) und/oder auf einer von dem Verankerungsbereich 12b weg gerichteten Seite der zweiten Außenelektrode 20 (auf der zweiten Seite 12-2 der Biegestruktur 12).
Häufig ist es vorteilhaft, wenn der mindestens eine Graben und/oder der mindestens eine vorstehende Balken 34 entlang einer Richtung verläuft, welche von dem Verankerungsbereich 12b des Biegebalkens 12 zu einem von dem Verankerungsbereich 12b weg gerichteten freitragenden Bereich 12a des Biegebalkens 12 gerichtet ist. Der mindestens eine Graben und/oder der mindestens eine vorstehende Balken 34 kann insbesondere parallel zu einer (von dem Verankerungsbereich 12b zu dem davon weg gerichteten freitragenden Bereich 12a ausgerichteten) Mittellängsachse des Biegebalkens 12 verlaufen.
Bezüglich weiterer Eigenschaften des mikromechanischen Bauteils der 1a wird auf die nachfolgenden Erläuterungen verwiesen.
2 bis 9 zeigen schematische Darstellungen von weiteren Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils.
Die Ausführungsformen der 2 bis 7 weisen mehrere zumindest abschnittsweise parallel zueinander ausgerichtete Gräben 36 oder vorstehende Balken 34 als den mindestens einen Graben 36 und/oder den mindestens einen vorstehenden Balken 34 auf der ersten Seite 12-1 und/oder auf der zweiten Seite 12-2 ihrer jeweiligen Biegestruktur 12 auf:
Das mikromechanische Bauteil der 2 hat zwei Gräben 36 auf der zweiten Seite 12-2 seines Biegebalkens 12, wobei beide Gräben 36 sich parallel zu der Mittellängsachse 38 des Biegebalkens 12 erstrecken. Außerdem sind beide Gräben 36 auf der von dem Verankerungsbereich 12b weg gerichteten Seite der zweiten Außenelektrode 20 ausgebildet. Beide Gräben 36 liegen jeweils nahe an einer (senkrecht zu der Mittellängsachse 38 ausgerichteten) Seitenkante 40 des Biegebalkens 12.
In der Ausführungsform der 3 liegen zwei sich parallel zu der Mittellängsachse 38 des Biegebalkens 12 erstreckende vorstehende Balken 34 (als vorstehender Stützbalken) auf der ersten Seite 12-1 des Biegebalkens 12. Auch in diesem Fall sind die vorstehenden Balken 34 auf der von dem Verankerungsbereich 12b weg gerichteten Seite der ersten Außenelektrode 18 ausgebildet. Günstig ist auch, dass die zwei vorstehenden Balken 34 jeweils nahe an der benachbarten (und senkrecht zu der Mittellängsachse 38 ausgerichteten) Seitenkante 40 des Biegebalkens 12 ausgebildet sind.
Bei dem mikromechanischen Bauteil der 4 bilden die Gräben 36 oder vorstehenden Balken 34 ein Muster aus (mehreren) parallelen Gräben 36 oder vorstehenden Balken 34 auf der von dem Verankerungsbereich 12b weg gerichteten Seite der zweiten Außenelektrode 20. (Alternativ oder ergänzend können die Gräben 36 oder vorstehenden Balken 34 auch ein Muster aus (mehreren) parallelen Gräben 36 oder vorstehenden Balken 34 auf der von dem Verankerungsbereich 12b weg gerichteten Seite der ersten Außenelektrode 18 bilden.)
Auch die Ausführungsform der 5 hat mehrere Gräben 36 und/oder vorstehende Balken 34 (als dem mindestens einen Graben 36 und/oder dem mindestens einen vorstehenden Balken 34) an ihrem Biegebalken 12. Im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist jedoch mindestens einer der Gräben 36 und/oder vorstehenden Balken 34 auf der von dem Verankerungsbereich 12b weg gerichteten Seite der ersten Außenelektrode 18 (auf der ersten Seite 12-1 der Biegestruktur 12) und/oder auf der von dem Verankerungsbereich 12b weg gerichteten Seite der zweiten Außenelektrode 20 (auf der zweiten Seite 12-2 der Biegestruktur 12) ausgebildet, während mindestens ein anderer der Gräben 36 und/oder vorstehenden Balken 34 zwischen dem Verankerungsbereich 12b und der ersten Außenelektrode 18 (auf der ersten Seite 12-1 der Biegestruktur 12) und/oder zwischen dem Verankerungsbereich 12b und der zweiten Außenelektrode 20 (auf der zweiten Seite 12-2 der Biegestruktur 12) ausgebildet ist. Insbesondere können ein erstes Muster aus (mehreren) parallelen Gräben 36 oder vorstehenden Balken 34 auf der von dem Verankerungsbereich 12b weg gerichteten Seite der zweiten Außenelektrode 20 und ein zweites Muster aus (mehreren) parallelen Gräben 36 oder vorstehenden Balken 34 zwischen dem Verankerungsbereich 12b und der zweiten Außenelektrode 20 ausgebildet sein. (Ebenso können weitere Muster aus (mehreren) parallelen Gräben 36 oder vorstehenden Balken 34 auf der von dem Verankerungsbereich 12b weg gerichteten Seite der ersten Außenelektrode 18 und ein zweites Muster aus (mehreren) parallelen Gräben 36 oder vorstehenden Balken 34 zwischen dem Verankerungsbereich 12b und der ersten Außenelektrode 18 ausgebildet sein.)
6 zeigt eine Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils mit Gräben 36 oder vorstehenden Balken 34 auf der von dem Verankerungsbereich 12b weg gerichteten Seite der zweiten Außenelektrode 20 und (weiteren) Gräben 36 oder vorstehenden Balken 34 zwischen dem Verankerungsbereich 12b und der zweiten Außenelektrode 20, bei welchem die Gräben 36 oder vorstehendem Balken 34 an ihren zu der zweiten Außenelektrode 20 ausgerichteten Teilabschnitten (strahlenbündelförmig) aufeinander zu laufen. (Entsprechend können Gräben 36 oder vorstehenden Balken 34 auch auf der von dem Verankerungsbereich 12b weg gerichteten Seite der ersten Außenelektrode 18 und (weiteren) Gräben 36 oder vorstehenden Balken 34 zwischen dem Verankerungsbereich 12b und der ersten Außenelektrode 18 vorliegen, deren zu der ersten Außenelektrode 18 ausgerichteten Teilabschnitten (strahlenbündelförmig) aufeinander zu laufen.)
Demgegenüber weisen die mikromechanischen Bauteile der 7 und 8 jeweils ein rechteckiges Muster aus Gräben 36 oder vorstehenden Balken 34 auf der von dem Verankerungsbereich 12b weg gerichteten Seite ihrer zweiten Außenelektrode 20 auf. In der Ausführungsform der 7 sind die Linien des rechteckigen Musters aus Gräben 36 oder vorstehenden Balken 34 parallel oder senkrecht zu der Mittellängsachse 38 ausgerichtet. Bei der Ausführungsform der 8 verlaufen die Linien des rechteckigen Musters aus Gräben 36 oder vorstehenden Balken 34 in einem Winkel von 45° zu der Mittellängsachse 38.
Der Biegebalken 12 der 9 hat ein Wabenmuster aus Gräben 36 oder vorstehenden Balken 34 auf seiner zweiten Seite 12-2. Ein rechteckiges Muster oder Wabenmuster ist selbst zur Stützung vergleichsweise breiter Biegebalken 12 hervorragend geeignet.
Bezüglich weiterer Eigenschaften der mikromechanischen Bauteile der 2 und 9 wird auf die zuvor beschriebene Ausführungsform der 1 verwiesen. In einer weiteren Ausführungsform kann ein mikromechanisches Bauteil auch eine Kombination der Ausführungsformen der 1 bis 9 (bzw. von deren Techniken) sein.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen können als Weiterbildung anstelle der einzigen Biegestruktur 12 zumindest zwei, insbesondere mehrere jeweils die mindestens eine piezoelektrische Schicht 14 und 16 umfassende Biegestrukturen 12 aufweisen. Die oben erläuterten mikromechanischen Bauteile eignen sich gut für ein Mikrofon oder für einen Druck- und/oder Kraftsensor. Ihre Biegestrukturen 12 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 Biegestruktur 12, durch Verformung der piezoelektrischen Schichten 14 und 16 eine zum Nachweisen, Verstärken und/oder Auswerten ausreichend hohe Spannung ausgeben.
10a bis 10d zeigen schematische Querschnitte zum Erläutern einer ersten 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.
Zumindest eine Biegestruktur 12 wird an einem Substrat 10 ausgebildet, wobei die zumindest eine Biegestruktur 12 jeweils mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht 14 und 16, einer ersten Außenelektrode 18 auf einer zu dem Substrat 10 ausgerichteten ersten Seite 12-1 der Biegestruktur 12 und einer zweiten Außenelektrode 20 auf einer von dem Substrat 10 weg gerichteten zweiten Seite 12-2 der Biegestruktur 12 ausgebildet wird. Außerdem werden mindestens ein Graben 36 und/oder mindestens ein vorstehender Balken 34 zusätzlich zu der ersten Außenelektrode 18 (auf der ersten Seite 12-1 der Biegestruktur 12) und/oder zusätzlich zu der zweiten Außenelektrode 20 (auf der zweiten Seite 12-2 der Biegestruktur 12) ausgebildet.
Das mittels der oben beschriebenen Verfahrensschritte hergestellte mikromechanische Bauteil weist die zuvor schon erläuterten Vorteile auf. Seine Herstellung kann z.B. mittels der im Weiteren beschriebenen Verfahrensschritte erfolgen:
In einem mittels der 10a wiedergegebenen Verfahrensschritt wird mindestens ein Graben 42 in eine zu funktionalisierende Oberfläche des Substrats 10, z.B. ein Halbleitersubstrat 10 (insbesondere ein Siliziumsubstrat 10), strukturiert. Mindestens eine Position und Form des mindestens einen Grabens 42 legt eine Lage und Form des mindestens einen vorstehenden Balkens 34 auf der ersten Seite 12-1 der Biegestruktur 12 und/oder des mindestens einen Grabens 36 auf der zweiten Seite 12-2 der Biegestruktur 12 fest.
Zum Strukturieren des mindestens einen Grabens 42 wird z.B. ein anisotroper Ätzprozess, wie beispielsweise ein DRIE-Ätzen (Deep Reactive Ion Etching) oder ein Ätzen mit KOH (Kaliumhydroxid), ausgeführt.
10b zeigt das Substrat 10 nach einem Abscheiden einer Opferschicht 44, wie beispielsweise einer Opferschicht aus Siliziumdioxid. Vorzugsweise wird das Abscheideverfahren konformal ausgeführt. Beispielsweise kann eine Gasphasenabscheidung (Chemical Vipor Deposition) ausgeführt werden, um auch Seitenwände des mindestens einen Grabens 42 mit der Opferschicht 44 abzudecken.
10c zeigt das Substrat 10 nach einem Abscheiden der Materialien der mindestens einen Biegestruktur 12. Bezüglich der dazu verwendbaren Materialien wird auf die oberen Ausführungen verwiesen. Auch für die Abscheideprozesse zum Abscheiden der Materialien der mindestens einen Biegestruktur 12 wird Konformalität bevorzugt, um den mindestens einen Graben 42 vollständig zu füllen und/oder dessen Seitenwände abzudecken.
Anschließend wird der mindestens eine freitragende Bereich 12a der Biegestruktur 12 freigestellt, indem die Aussparung 22 in/durch das Substrat 10 strukturiert wird. Dies kann beispielhaft über einen Rückseiten-Trenchprozess erfolgen. Dabei oder danach wird die Opferschicht 44, vorzugsweise mittels eines isotropen Ätzschritts, entfernt. Das Ergebnis ist in 10d dargestellt.
11a bis 11d zeigen schematische Querschnitte zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Bei dem im Weiteren beschriebenen Herstellungsverfahren erfolgt die Ausbildung der Gräben 36 und vorstehenden Balken 34 durch Abscheiden eines zusätzlichen Opfermaterials 46 auf der zu funktionalisierenden Oberfläche des Substrats 10. Als das zusätzliche Opfermaterial 46 können mindestens ein Oxid, mindestens ein Nitrid und/oder mindestens ein Spin-on-Glass-Material eingesetzt werden. Ebenso können auch mindestens ein polymerisches Material und/oder mindestens ein Fotolack (SU 8) als das zusätzliche Opfermaterial 46 eingesetzt werden.
Zuerst wird eine vergleichsweise dicke Schicht aus dem zusätzlichen Opfermaterial 46 auf dem Substrat 10 abgeschieden und in mindestens einen vorstehenden Bereich strukturiert. Mindestens eine Position und Form des mindestens einen vorstehenden Bereichs aus dem zusätzliche Opfermaterial 46 legt eine Lage und Form des mindestens einen Grabens 36 auf der ersten Seite 12-1 der Biegestruktur 12 und/oder des mindestens einen vorstehenden Balkens 34 auf der zweiten Seite 12-2 der Biegestruktur 12 fest. Das Ergebnis ist in 11a dargestellt.
Anschließend werden unabgedeckte Flächen der zu funktionalisierenden Oberfläche des Substrats 10 und der mindestens eine vorstehende Bereich aus dem zusätzliche Opfermaterial 46 mit der Opferschicht 44, beispielsweise einer Siliziumdioxidschicht, abgedeckt, wie in 11b gezeigt. Ein konformales Abscheideverfahren, wie beispielsweise eine Gasphasenabscheidung (Chemical Vipor Deposition), wird bevorzugt, um Seitenwände des mindestens einen vorstehenden Bereichs aus dem zusätzliche Opfermaterial 46 mit der Opferschicht 44 abzudecken.
Danach werden, wie in 11c schematisch wiedergegeben, die Materialien der mindestens einen Biegestruktur 12 auf der Opferschicht 44 abgeschieden. Auch beim Abscheiden dieser Materialien wird Konformalität bevorzugt. Bezüglich der dazu verwendbaren Materialien wird auf die oberen Ausführungen verwiesen.
11d zeigt die mindestens eine Biegestruktur 12 nach einem Freistellen ihres freitragenden Bereichs 12a durch Ausbilden der Aussparung 22 in/durch das Substrat 10. Die Opferschicht 44 wird vorzugsweise mittels eines isotropen Ätzschritts entfernt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2016/0339657 A1 [0002]

Claims

Mikromechanisches Bauteil mit: einem Substrat (10); und zumindest einer an dem Substrat (10) angeordneten Biegestruktur (12), welche jeweils mindestens eine piezoelektrische Schicht (14, 16), eine auf einer zu dem Substrat (10) ausgerichteten ersten Seite (12-1) der Biegestruktur (12) ausgebildete erste Außenelektrode (18) und eine auf einer von dem Substrat (10) weg gerichteten zweiten Seite (12-2) der Biegestruktur (12) ausgebildete zweite Außenelektrode (20) umfasst, gekennzeichnet durch mindestens einen Graben (36) und/oder mindestens einen vorstehenden Balken (34), welcher zusätzlich zu der ersten Außenelektrode (18) auf der ersten Seite (12-1) der Biegestruktur (12) und/oder zusätzlich zu der zweiten Außenelektrode (20) auf der zweiten Seite (12-2) der Biegestruktur (12) ausgebildet ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Graben (36) und/oder der mindestens eine vorstehende Balken (34) eine Länge aufweist, welche um zumindest einen Faktor 5 größer als eine Breite des jeweiligen Grabens (36) oder vorstehenden Balkens (34) ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei mehrere zumindest abschnittsweise parallel zueinander ausgerichtete Gräben (36) oder vorstehende Balken (34) als der mindestens eine Graben (36) und/oder der mindestens eine vorstehende Balken (34) auf der ersten Seite (12-1) und/oder auf der zweiten Seite (12-2) der Biegestruktur (12) ausgebildet sind.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Graben (36) und/oder der mindestens eine vorstehende Balken (34) als mindestens ein rechteckiges Muster aus Gräben (36) oder vorstehenden Balken (34) und/oder als mindestens ein Wabenmuster aus Gräben (36) oder vorstehenden Balken (34) auf der ersten Seite (12-1) und/oder auf der zweiten Seite (12-2) der Biegestruktur (12) ausgebildet sind.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Biegestruktur (12) als jeweils ein Biegebalken (12) ausgebildet ist, wobei ein Verankerungsbereich (12b) des Biegebalkens (12) an dem Substrat (10) verankert ist, während ein freitragender Bereich (12a) des Biegebalkens (12) mittels einer darauf ausgeübten Kraft (F) in Bezug zu dem Verankerungsbereich (12b) des gleichen Biegebalkens (12) verstellbar ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 5, wobei der mindestens eine Graben (36) und/oder der mindestens eine vorstehende Balken (34) auf einer von dem Verankerungsbereich (12b) weg gerichteten Seite der ersten Außenelektrode (18) auf der ersten Seite (12-1) der Biegestruktur (12) und/oder auf einer von dem Verankerungsbereich (12b) weg gerichteten Seite der zweiten Außenelektrode (20) auf der zweiten Seite (12-2) der Biegestruktur (12) ausgebildet ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 5, wobei der zumindest eine Biegebalken (12) jeweils mehrere Gräben (36) und/oder vorstehende Balken (34) als den mindestens einen Graben (36) und/oder den mindestens einen vorstehenden Balken (34) aufweist, und wobei mindestens einer der Gräben (36) und/oder vorstehenden Balken (34) auf der von dem Verankerungsbereich (12b) weg gerichteten Seite der ersten Außenelektrode (18) auf der ersten Seite (12-1) der Biegestruktur (12) und/oder auf der von dem Verankerungsbereich (12b) weg gerichteten Seite der zweiten Außenelektrode (20) auf der zweiten Seite (12-2) der Biegestruktur (12) ausgebildet ist, und mindestens ein anderer der Gräben (36) und/oder vorstehenden Balken (34) zwischen dem Verankerungsbereich (12b) und der ersten Außenelektrode (18) auf der ersten Seite (12-1) der Biegestruktur (12) und/oder zwischen dem Verankerungsbereich (12b) und der zweiten Außenelektrode (20) auf der zweiten Seite (12-2) der Biegestruktur (12) ausgebildet ist.
Mikrofon umfassend ein mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Druck- und/oder Kraftsensor umfassend ein mikromechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit dem Schritt: Ausbilden zumindest einer Biegestruktur (12) an einem Substrat (10), wobei die zumindest eine Biegestruktur (12) jeweils mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht (14, 16), einer ersten Außenelektrode (18) auf einer zu dem Substrat (10) ausgerichteten ersten Seite (12-1) der Biegestruktur (12) und einer zweiten Außenelektrode (20) auf einer von dem Substrat (10) weg gerichteten zweiten Seite (12-2) der Biegestruktur (12) ausgebildet wird; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Graben (36) und/oder mindestens ein vorstehender Balken (34) zusätzlich zu der ersten Außenelektrode (18) auf der ersten Seite (12-1) der Biegestruktur (12) und/oder zusätzlich zu der zweiten Außenelektrode (20) auf der zweiten Seite (12-2) der Biegestruktur (12) ausgebildet werden.