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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors. Der Erfindung betrifft ferner einen mikromechanischen Inertialsensor.
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Stand der Technik
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Um Beschleunigungssensoren herzustellen, werden oftmals MEMS-Strukturen verwendet, die aus dicken Polysilizium-Funktionsschichten herausgeätzt werden. Diese werden über dünnen vergrabenen Polysiliziumschichten angeordnet, die mit einer Oxidschicht auf einem Substrat verankert sind. Die vergrabenen Polysiliziumschichten dienen als Leiterbahnen oder als Elektroden. Die Funktionsschicht wird über einen Trenchprozess und ein Oxid-Opferschichtverfahren freigestellt. Die vergrabene Schicht ist über ein Oxid elektrisch vom Substrat getrennt. Die Leiterbahnen und Elektroden werden derart breit ausgelegt, dass sie in einem Opferoxidätzschritt nicht vollständig unterätzt werden und auf diese Weise stabil am Substrat verankert sind.
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Die derart hergestellten mikromechanischen Strukturen werden in weiterer Prozessfolge meist mit einem Kappenwafer versiegelt. Je nach Anwendung wird innerhalb des verschlossenen Volumens des Kappenwafers ein geeigneter Druck eingeschlossen. Der Verschluss erfolgt dabei meist über ein Seal-Glas- oder über ein eutektisches Bondverfahren, beispielsweise mit Al-Ge.
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Diese Bondverfahren benötigen hohe Temperaturen und geeignete Reinigungsverfahren vor der Bondung, wenn der Sensor zuverlässig und hermetisch verschlossen werden soll.
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Die beweglichen mikromechanischen Strukturen der Beschleunigungssensoren werden meist sehr weich ausgelegt, um möglichst sensitive Sensoren zu erhalten. Liegt an diesen Sensoren eine hohe äußere Beschleunigung an, so können diese Sensoren (zum Beispiel bei einer Klopfbelastung) in den Anschlag gehen. Kritisch dabei ist, dass die mikromechanischen Strukturen schon allein durch die Van-der-Waals-Kräfte bei den geringen Rückstellkräften im Anschlag hängen bleiben können, wodurch der Beschleunigungssensor dann nachteilig nicht mehr funktionsfähig ist. Um dies zu verhindern, können geeignete Anschlagsformen und/oder Zusatzbeschichtungen vorgesehen sein, um die Klebeneigung zu verringern.
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Die Zusatzbeschichtungen sind weit verbreitet, meistens werden dafür organische Schichten verwendet, die vor dem Bondprozess auf die MEMS-Strukturen aufgebracht werden. Allerdings sind die meisten Schichten nicht temperaturstabil und können sich beim Bondprozess ganz oder teilweise zersetzen. Daher sollte der Bondprozess bei möglichst geringen Temperaturen durchgeführt werden, wodurch es zu Problemen mit der Zuverlässigkeit der Bondverbindung kommen kann.
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Ferner lagern sich die organischen Schichten auch auf den Bondflächen ab und sind dort nur schwer entfernbar. Dadurch kann entweder die Bondverbindung geschwächt werden oder es kann durch eine Entfernung der organischen Schicht auf der Bondverbindung auch die organische Schicht im Sensorkern geschwächt werden.
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Bekannt sind Ansätze, bei denen nach der Verkappung ein Zugang zum Sensorkern hergestellt wird und entweder eine organische Schicht eingebracht oder ein geeigneter Innendruck eingestellt wird oder beides durchgeführt wird. Danach oder dabei wird der Zugang hermetisch versiegelt.
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Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die Beschleunigungssensoren schon während des Herstellungsprozesses verkleben können. In bekannten Halbleiter- und MEMS-Herstellungsprozessen sind nämlich zahlreiche Arbeitsschritte vorgesehen, die verwendete Wafer bei hohen Drehzahlen verarbeiten. Deshalb wird im normalen MEMS-Herstellungsprozess die organische Antiklebeschicht direkt nach dem Freistellen der beweglichen MEMS-Strukturen aufgebracht und nicht erst nach dem Bondprozess und vielen weiteren Prozessschritten.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obengenannten Nachteile beim Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors zu verringern.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors, aufweisend die Schritte:
- – Ausbilden eines Sensorwafers mit einer beweglichen MEMS-Struktur in einer Funktionsschicht;
- – Bereitstellen eines Sperrelements für wenigstens einen Teil der beweglichen MEMS-Struktur;
- – Bereitstellen eines Kappenwafers;
- – Verbinden des Sensorwafers mit dem Kappenwafer mittels eines Bondprozesses;
- – Durchführen von wenigstens einem definierten Bearbeitungsschritt, bei dem die MEMS-Struktur hohen Kräften, insbesondere Fliehkräften ausgesetzt ist; und
- – Lösen des Sperrelements.
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Auf diese Weise wird ein temporäres Blockieren der beweglichen MEMS-Strukturen bewirkt, wobei die Blockierung erst nach dem Bearbeiten unter Einwirkung hoher Kräfte gelöst wird. Dadurch sind die empfindlichen, beweglichen MEMS-Strukturen während der kraftintensiven Prozessschritte wirkungsvoll geschützt, sodass sie nicht verkleben können.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem mikromechanischen Inertialsensor, aufweisend:
- – einen Sensorwafer mit einer beweglichen MEMS-Struktur; und
- – einen mit dem Sensorwafer verbundenen Kappenwafer;
- – wobei der Kappenwafer einen Zugang aufweist, der in seiner vertikalen Verlängerung ein Sperrelement für die bewegliche MEMS-Struktur aufweist.
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Bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Lösen des Sperrelements mittels eines Ausbildens eines Zugangs im Kappenwafer oder mittels eines Ausbildens eines Zugangs im Sensorwafer zum Einfüllen einer Antihaftschicht in eine Kaverne des Kappenwafers durchgeführt wird. Durch diese Zusammenfassung von Bearbeitungsschritten ist ein effizientes Verfahren zum Herstellen des mikromechanischen Sensors unterstützt. Vorteilhaft werden dadurch auch unterschiedliche Möglichkeiten zum Lösen des Sperrelements bereitgestellt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass mittels eines in der Kaverne ausgebildeten Trennelements ein Ausbreiten von Ätzgas zur beweglichen MEMS-Struktur minimiert wird. Auf diese Weise ist vorteilhaft unterstützt, dass die empfindlichen MEMS-Strukturen vor dem Ätzgas geschützt sein können.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sehen vor, dass das Sperrelement als eine auf der beweglichen MEMS-Struktur angeordnete Schicht oder als ein Teil der beweglichen MEMS-Struktur ausgebildet wird. Auf diese Weise können vorteilhaft unterschiedliche Elemente des mikromechanischen Sensors als Sperrelement ausgebildet sein.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens zeichnen sich dadurch aus, dass das Einfüllen der Antihaftschicht in die Kaverne vor oder nach dem Lösen des Sperrelements durchgeführt wird. Dadurch werden vorteilhaft verschiedene Möglichkeiten zum Einfüllen der Antihaftschicht bereitgestellt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass mittels des Sperrelements mehrere Sensorkerne des Beschleunigungssensors verbunden werden, wobei das Sperrelement mittels eines Ätzschritts gelöst wird. Auf diese Weise können mittels eines einzelnen Sperrelements mehrere Sensorkerne immobilisiert und in einem einzelnen Prozessschritt wieder freigestellt bzw. gelöst werden. Dadurch ist ein effizientes Herstellen von mehrkernigen Inertialsensoren vorteilhaft unterstützt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass nach dem Einfüllen der Antihaftschicht in der Kaverne ein definierter Innendruck eingestellt wird und der Zugang im Kappenwafer mittels eines Laseraufschmelzens von Kappenwafermaterial verschlossen wird. Auf diese Weise wird ein effizientes Verschließen des Zugangs im Kappenwafer bereitgestellt. Alternativ sind aber auch andere Verschlussverfahren möglich.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Beschleunigungssensors zeichnet sich dadurch aus, dass das Sperrelement als eine auf der beweglichen MEMS-Struktur angeordnete Schicht ausgebildet wird, wobei ein Aspektverhältnis zwischen dem Sperrelement und der beweglichen MEMS-Struktur mindestens zwei ist. Dadurch sind eine stabile Sperrwirkung und ein einfaches Lösen des Sperrelements unterstützt.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
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Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend den mikromechanischen Inertialsensor ergeben und umgekehrt.
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In den Figuren zeigt:
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1 eine Querschnittsansicht eines konventionellen mikromechanischen Inertialsensors;
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2–6 einen Prozessfluss zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors;
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7 eine Variante zum Herstellen mehrerer mikromechanischer Sensorkerne für einen mikromechanischen Inertialsensor; und
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8 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist ein Bereitstellen einer temporären Blockierung von beweglichen mikromechanischen Strukturen während wenigstens eines kraftwirkungs-intensiven Prozessschritts bei der Herstellung eines mikromechanischen Inertialsensors. Auf diese Weise können die empfindlichen mikromechanischen Strukturen wirksam geschützt werden, wodurch eine hohe Herstellungsqualität des mikromechanischen Inertialsensors unterstützt ist.
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Vorgeschlagen wird zu diesem Zweck, eine finale Freistellung von beweglichen MEMS-Strukturen erst nach dem Verkappungsprozess und nach dem kraftwirkungs-intensiven Bearbeitungsschritt vorzunehmen. Es wird zu diesem Zweck ein Zugang in die Kappe gebohrt und über diesen Zugang werden die MEMS-Strukturen freigestellt. Vorzugsweise daran anschließend kann eine organische Antihaftschicht eingebracht werden. Danach wird der Zugang unter Einbringung eines geeigneten Innendrucks wieder verschlossen.
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Es werden dabei verschiedene Varianten möglich. In einer besonders günstigen Variante wird eine Teilfreistellung der MEMS-Struktur schon vor dem Bondprozesses vorgenommen. Die MEMS-Strukturen werden dabei nur durch eine dünne Polysiliziumschicht fixiert. Im Zuge der Herstellung des Zugangslochs in der Kappe können diese Strukturen entfernt werden und die volle Beweglichkeit der MEMS-Strukturen ohne Zusatzschritte hergestellt werden. Direkt im Anschluss daran kann ohne weitere Zwischenschritte eine organische Antiklebeschicht in eine Kaverne eingebracht werden.
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Die Vorteile die sich dadurch ergeben, sind beispielsweise folgende:
Der Verkappungsprozess und die Abscheidung der organischen Antiklebeschicht können vollständig voneinander entkoppelt werden, wodurch Inertialsensoren mit besserer Qualität hergestellt werden können. Das Bondverfahren kann bezüglich Temperatur und Reinigung unabhängig von der Antiklebeschicht optimiert werden. Ferner können Antiklebeschichten mit besseren Antihafteigenschaften verwendet werden, auch wenn diese weniger temperaturresistent sind als bisher verwendete Schichten. Das vorgeschlagene Herstellungsverfahren erzeugt zudem vorteilhaft nur geringe Mehrkosten.
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Das vorgeschlagene Verfahren erlaubt hohe Ausbeuten, ohne ein Risiko von klebenden MEMS-Strukturen während des Herstellungsverfahrens einzugehen.
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1 zeigt eine stark vereinfachte Querschnittsansicht eines mikromechanischen Inertialsensors in Form eines Beschleunigungssensors gemäß Stand der Technik. Erkennbar sind ein Sensorwafer 10 mit einem Substrat 11, auf dem eine Oxidschicht 20 angeordnet ist. In der Oxidschicht 20 ist eine dünne, vergrabene Polysiliziumschicht 30 angeordnet. Auf der Oxidschicht 20 ist eine Polysilizium-Funktionsschicht 40 mit einer beweglichen MEMS-Struktur 41 zur Erfassung von Beschleunigung in der Ebene ausgebildet. Eine Bondverbindung 50 wird vorzugsweise mit einem eutektischen Bondverfahren bereitgestellt und verbindet einen Kappenwafer 60 mit dem darunter angeordneten Sensorwafer 10.
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Erkennbar ist in einem Kappenwafer 60 eine Zugangsöffnung 62 zum Zuführen einer Antiklebeschicht in eine Kaverne 63 des Kappenwafers 60. Mittels eines hermetischen Verschlusses 64, der beispielsweise mittels eines Laser-Reseal-Verfahrens erzeugt wurde, ist der Kappenwafer 60 bei einem definierten Innendruck hermetisch verschlossen.
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Im Folgenden wird anhand mehrerer Figuren ein Prozessfluss zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors erläutert.
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Man erkennt in der Querschnittsansicht des Sensorwafers 10 von 2, dass die beweglichen MEMS-Struktur 41 in der Funktionsschicht 40 aus Polysiliziumschicht mittels eines Sperrelements 31 der vergrabenen Polysiliziumschicht 30 wenigstens teilweise blockiert bzw. immobilisiert ist. Mittels des Sperrelements 31 ist die bewegliche MEMS-Struktur 41 weitgehend unbeweglich. Das Sperrelement 31 kann dabei, wie in 2 dargestellt, als ein Abschnitt der vergrabenen dünnen Polysiliziumschicht 30 oder alternativ (nicht dargestellt) als ein Teilbereich der Funktionsschicht 40 ausgebildet sein. Im ersten Fall ist es günstig, die Polysiliziumschicht 30 um wenigstens einen Faktor zwei dünner auszubilden als die Funktionsschicht 40.
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In einem darauffolgenden in 3 dargestellten Bearbeitungsschritt ist ein auf dem Sensorwafer 10 mittels eines Bondprozesse angeordneter Kappenwafer 60 dargestellt. Beim Bondprozess handelt es sich vorzugsweise um ein metallisches Bondverfahren, da über ein derartiges Bondverfahren nicht nur eine Dichtheit der Sensorkaverne um den MEMS-Strukturbereich herum sichergestellt werden soll, sondern auch die elektrischen Chip-to-Chip-Kontakte zwischen dem Sensorwafer 10 und dem Kappenwafer 60. Beispiele für geeignete metallische Bondverfahren sind Al-Ge, Au-Si, Cu-Sn, Al-Al, Cu-Cu, Au-Au.
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Nach erfolgtem Bonden werden Bearbeitungsschritte durchgeführt, die hohe Beschleunigungs- bzw. rotatorische Fliehkräfte auf den mikromechanischen Inertialsensor 10 ausüben, z.B. in Form von Rotationsbeschichtung (engl. spin coating). Bei diesem Prozess wird die gesamte Anordnung auf einem Drehteller angeordnet, der auf hohe Drehzahlen beschleunigt wird. Ein Lack wird aufgebracht und die Lackflüssigkeit wird teilweise abgeschleudert, wodurch eine gleichmäßige Lackdichte auf dem gesamten Wafer erzeugt werden kann. Auf der Lackschicht können über einen Belichtungs- und Entwicklungsprozess kleine, sehr gut definierte Löcher erzeugt werden, die für gerichtete Ätzprozesse des darunter angeordneten Substrats verwendet werden. Weiterhin können durch den Transport und insbesondere durch das manuelle Absetzen der Charge starke Vibrationen und damit kurzzeitige hohe Beschleunigungen erzeugt werden. Durch die blockierende Wirkung des Sperrelements 31 ist dabei unterstützt, dass die empfindlichen MEMS-Strukturen 41 nicht anschlagen bzw. miteinander verkleben bzw. geschädigt werden.
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In der Querschnittsansicht des mikromechanischen Beschleunigungssensors 100 von 4 ist erkennbar, dass der Zugang 62 im Kappenwafer 60 mittels eines Trench-Ätzschritts ausgebildet wird, wobei vorzugsweise zugleich mit der Ausbildung des Zugangs 62 im Kappenwafer 60 auch ein Kontaktbereich 70 zur elektrischen Kontaktierung des mikromechanischen Beschleunigungssensors 100 freigestellt wird. Der Zugang 62 wird derart ausgebildet, dass im Zuge seiner Ausbildung auch das Sperrelement 31 gelöst wird. Alternativ kann ein derartiger Zugang auch mittels eines Ausbildens eines Zugangs im Sensorwafer geschaffen werden (nicht dargestellt).
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In der 4 ist erkennbar, dass das Sperrelement 31, das in 3 noch vorhanden war, nunmehr entfernt bzw. gelöst ist und dadurch die mikromechanischen MEMS-Strukturen 41 freigestellt bzw. frei beweglich sind. Ein im Bereich der Kaverne 63 ausgebildetes optionales Trennelement 61 ist vorgesehen, dass beim Ausbilden des Zugangs 62 möglichst wenig Ätzgas seitlich in die Kaverne 63 zur beweglichen MEMS-Struktur 41 gelangt, wodurch empfindliche Federelemente der MEMS-Struktur 41 vor einer Einwirkung des Ätzgases geschützt sind. Durch das Trennelement 61 ist ferner in Bereichen, in denen eine Freistellung erfolgen soll, eine höhere Ätzrate ermöglicht.
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Danach erfolgt, wie in 5 angedeutet ist, ein Evakuieren bzw. Einstellen eines gewünschten Innendrucks für den Inertialsensor 100 mit einem Einlassen eines Antihaftmaterial (ASC-Material). Das Antihaftmaterial legt sich dabei unter anderem an die bewegliche MEMS-Struktur 41 an und verhindert ein Verkleben von Elementen der MEMS-Struktur 41 im Normalbetrieb des mikromechanischen Inertialsensors 100.
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Danach erfolgt ein Verschließen des Zugangs
62 bei einem definierten Gasdruck, wobei zum Beispiel ein hoher Innendruck für einen Beschleunigungssensor und ein niedriger Innendruck für einen Drehratensensor vorgesehen sind. Das Verschließen erfolgt besonders bevorzugt mithilfe eines Laserreseal-Verfahrens durch lokales Erhitzen mit einem Laser und lokalem Aufschmelzen von Silizium an der Kappenoberseite, wie es z.B. aus
DE 10 2014 202 801 A1 bekannt ist. Dadurch ist unterstützt, dass die Antihaftschicht im Sensorkern nicht beeinträchtigt wird. Der dabei ausgebildete hermetische Verschluss
64 ist in der Querschnittsansicht von
6 erkennbar.
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In einer nicht in Figuren dargestellten Variante des Inertialsensors 100 ist es auch möglich, die Antihaftschicht bereits vor dem Lösen des Sperrelements 31 in die Kaverne 63 des Kappenwafers 60 einzubringen.
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7 zeigt eine Draufsicht mit ingesamt drei Sensorkernen für den Inertialsensor in Form eines X-Sensors 80, eines Y-Sensors 90 und eines Z-Sensors 95. die einzelnen Sensoren sind in ihrer jeweiligen Detektionsrichtung sehr weich und haben in diesen Richtungen daher eine große Klebeneigung. Erkennbar ist ferner, dass ein einzelnes Sperrelement 31 in der vergrabenen Polysiliziumschicht 30 ausgebildet ist, wodurch durch das Sperrelement 31 eine effiziente mechanische Kopplung für die drei Sensorkerne 80, 90, 95 bereitgestellt wird und eine Klebeneigung der darin angeordneten mikromechanischen Strukturen vermieden werden kann.
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Mittels eines Ausbildens eines einzelnen Zugangs 62 kann das Sperrelement 31 auf einfache Weise gelöst werden. Vorteilhaft kann dadurch eine gleichzeitige Rotationsbeschichtungsbearbeitung der insgesamt drei Sensorkerne 80, 90, 95 durchgeführt werden.
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8 zeigt einen prinzipiellen Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens:
In einem Schritt 200 wird ein Ausbilden eines Sensorwafers 10 mit einer beweglichen MEMS-Struktur 41 in einer Funktionsschicht 40 durchgeführt.
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In einem Schritt 210 wird ein Bereitstellen eines Sperrelements 31 für wenigstens einen Teil der beweglichen MEMS-Struktur 41 durchgeführt.
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In einem Schritt 220 wird ein Kappenwafer 60 bereitgestellt.
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In einem Schritt 230 wird ein Verbinden des Sensorwafers 10 mit dem Kappenwafer 60 mittels eines Bondprozesses durchgeführt.
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In einem Schritt 240 wird wenigstens ein definierter Bearbeitungsschritt, bei dem die MEMS-Struktur 41 hohen Kräften, insbesondere Fliehkräften ausgesetzt ist, durchgeführt.
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Schließlich wird in einem Schritt 250 das Sperrelement 31 gelöst.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014202801 A1 [0043]
