DE102017208357A1 - Mikroelektromechanisches Bauelement - Google Patents

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Abstract

Es wird ein mikroelektromechanisches Bauelement beansprucht, wobei das mikroelektromechanische Bauelement vertikal voneinander beabstandet eine Substratvorrichtung, eine erste, eine zweite und eine dritte Funktionsschicht umfasst, wobei zwischen zweiter und dritter Funktionsschicht ein vertikaler Anschlag ausgeformt ist, wobei der vertikale Anschlag auf einer der dritten Funktionsschicht zugewandten Oberfläche der zweiten Funktionsschicht einen Anschlagsbereich aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Funktionsschicht in einem dem Anschlagsbereich zugeordneten Verbindungsbereich mit der ersten Funktionsschicht verbunden ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem mikroelektromechanischen Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Mikroelektromechanische Bauelemente sind allgemein bekannt. Beispielsweise kommen mikroelektromechanische Sensoren (MEMS) zur Messung von Beschleunigungen und Drehraten in vielfältigen Anwendungen zum Einsatz. Solche mikroelektromechanische Sensoren weisen im Allgemeinen mehrere bewegliche Strukturen auf, die über Federn mit dem Substrat des Sensors verbunden sind. Diese beweglichen Strukturen können in einer Funktionsschicht zwischen Substrat- und Kappenvorrichtung angeordnet sein. Beim Einsatz der MEMS-Sensoren treten allerdings neben den zu messenden Beschleunigungen und Drehraten immer auch Überlastbeschleunigungen auf. Um eine Beschädigung des MEMS-Sensors, insbesondere der beweglichen Strukturen des Sensors, durch Überlastbeschleunigungen zu verhindern, sind verschiedene mechanische Konzepte bekannt. Beispielsweise können laterale Bewegungen durch laterale Anschlagsnoppen beschränkt werden. Die lateralen Anschlagsnoppen definieren feste Anschlagspunkte, im Bereich derer eine Bewegung der beweglichen Struktur nicht zu einer Beschädigung des MEMS-Sensors führt und begrenzen die durch Überlastbeschleunigungen auftretenden Spannungen zwischen beweglicher Struktur und ihrer Aufhängung. Zur Einschränkung von vertikalen Bewegungen aus der Funktionsschicht heraus sind obere und untere Anschläge bekannt. Diese sind als Anschlagsnoppen an der Kappe oder an dem unterhalb der Funktionsschicht angeordneten Substrat ausgeführt. Analog zu den lateralen Anschlägen, wird durch die vertikalen Anschläge die Bewegungsfreiheit der beweglichen Struktur in vertikaler Richtung begrenzt und ein definierter Anschlagspunkt festgelegt, um eine Beschädigung des MEMS-Sensors zu vermeiden. Die Verwendung der oberen und unteren vertikalen Anschläge ist nur dann möglich, wenn sich zwischen der abzusichernden beweglichen Struktur und der Kappenvorrichtung bzw. zwischen der abzusichernden beweglichen Struktur und der Substratvorrichtung keine weitere Funktionsschicht befindet.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mikroelektromechanisches Bauelement mit mehreren zwischen Substrat- und Kappenvorrichtung angeordneten Funktionsschichten vorzuschlagen, welches im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten mikroelektromechanischen Bauelementen eine erhöhte Robustheit aufweist.
  • Das erfindungsgemäße mikroelektromechanische Bauelement gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass auch vertikale Bewegungen einer dritten Funktionsschicht nach unten durch einen vertikalen Anschlag begrenzt sind. Hierdurch wird eine Beschädigung des mikroelektromechanischen Bauelements durch vertikale Überlastbeschleunigungen nach oben verhindert. Es wird somit vorteilhaft ein mikroelektromechanisches Bauelement mit mehreren, insbesondere beweglichen, Funktionsschichten zur Verfügung gestellt, das gegenüber entsprechenden aus dem Stand der Technik bekannten Bauelementen robuster ist. Dabei kann das Abstandsmaß des Anschlags durch den Abstand zwischen zweiter und dritter Funktionsschicht eingestellt werden. Das Abstandsmaß des Anschlags ist unabhängig von dem Abstand zwischen erster und zweiter Funktionsschicht. Das Abstandsmaß des Anschlags ist so allein durch die Geometrie und Topologie der dritten Funktionsschicht bestimmt und ist somit optimal an diese angepasst. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist der Begriff „mikroelektromechanisches Bauelement“ so zu verstehen, dass der Begriff sowohl mikromechanische Bauelemente als auch mikroelektromechanische Bauelemente umfasst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Anschlagsbereich und der Verbindungsbereich lediglich vertikal voneinander beabstandet sind. Bevorzugt sind Anschlagsbereich und Verbindungsbereich an gegenüberliegenden Oberflächen der zweiten Funktionsschicht angeordnet. Insbesondere ist der Anschlagsbereich an einer der dritten Funktionsschicht zugewandten Oberfläche der zweiten Funktionsschicht angeordnet und der Verbindungsbereich an einer der ersten Funktionsschicht zugewandten Oberfläche der zweiten Funktionsschicht angeordnet. Bevorzugt weisen Anschlagsbereich und Verbindungsbereich im Wesentlichen identische Abmessungen auf. Hierdurch wird ein Anschlag für die dritte Funktionsschicht auf den im Anschlagsbereich fest verbundenen ersten und zweiten Funktionsschichten definiert. Die unabhängige Funktionalisierung und Bewegungsfähigkeit der ersten und dritten Funktionsschichten wird nur innerhalb des sehr eng begrenzten Verbindungs- bzw. Anschlagsbereichs eingeschränkt. Die unabhängige Funktionalisierbarkeit von erster, zweiter und dritter Funktionsschicht bleibt so trotz Anschlag vorteilhaft weitestgehend erhalten.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die dritte Funktionsschicht in einem dem Anschlagsbereich gegenüberliegenden Bereich eine Noppe aufweist. Bevorzugt ist die Noppe an einer der zweiten Funktionsschicht zugewandten Oberfläche der dritten Funktionsschicht ausgeführt. Die Grundfläche der Noppe weist bevorzugt die Abmessungen des Anschlagsbereichs auf. Die Noppe kann durch Prozessierung einer oder mehrerer Oxidschichten an der der zweiten Funktionsschicht zugewandten Oberfläche der darüber abgeschiedenen dritten Funktionsschicht ausgeführt sein. Dabei bestimmt die Dicke der zwischen zweiter und dritter Funktionsschicht abgeschiedenen Oxidschichten das Abstandsmaß des vertikalen Anschlags. Vorteilhaft kann so das Abstandsmaß des vertikalen Anschlags auf die Geometrie und Topologie der dritten Funktionsschicht abgestimmt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zweite Funktionsschicht im Verbindungsbereich einen Rahmen aufweist. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Funktionsschicht über eine zwischen erster und zweiter Funktionsschicht im Verbindungsbereich angeordnete Oxidschicht miteinander verbunden sind. Insbesondere wird eine Oxidschicht auf der ersten Funktionsschicht abgeschieden. Die Oxidschicht wird bevorzugt in dem Bereich geöffnet, in dem der Verbindungsbereich der zweiten Funktionsschicht entstehen soll. Das so erzeugte Oxid-Via in Form eines Rahmens wird bei der Abscheidung der zweiten Funktionsschicht verfüllt und das Oxid innerhalb des Rahmens eingeschlossen. Der vom Oxid-Via umschlossene Bereich der zweiten Funktionsschicht ist fest mit der ersten Funktionsschicht verbunden. Hierdurch wird vorteilhaft ein fester vertikaler Anschlag nach unten für die dritte Funktionsschicht zur Verfügung gestellt.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zweite Funktionsschicht im Anschlagsbereich eine Noppe aufweist. Insbesondere wird die Topographie der der dritten Funktionsschicht zugewandten Oberfläche der zweiten Funktionsschicht durch die Struktur des Rahmens, insbesondere des Oxid-Vias, bestimmt. Bevorzugt weist die der dritten Funktionsschicht zugewandte Oberfläche der zweiten Funktionsschicht im Bereich des Rahmens eine Senke auf. Der Bereich der dritten Funktionsschicht zugewandten Oberfläche, der über dem Inneren des Rahmens liegt, bildet so eine Noppe. Dabei ist bevorzugt die Dicke der zweiten Funktionsschicht im Bereich der Noppe im Wesentlichen identisch mit der Dicke der zweiten Funktionsschicht außerhalb des Anschlags- und Verbindungsbereichs. Hierdurch wird auf der zweiten Funktionsschicht vorteilhaft ein fester vertikaler Anschlag zur Verfügung gestellt, der mechanisch von der sonstigen zweiten Funktionsschicht vollständig entkoppelt ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zweite und/oder die dritte Funktionsschicht relativ zur Substratvorrichtung beweglich sind. Bevorzugt weisen die zweite und/oder dritte Funktionsschicht bewegliche Strukturen auf. Die beweglichen Strukturen können über Federstrukturen untereinander gekoppelt und/oder über Federstrukturen mit dem Substrat verbunden sein. Bevorzugt sind die zweite und/oder dritte Funktionsschicht in laterale und/oder vertikale Richtung beweglich.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mikroelektromechanische Bauelement einen Beschleunigungssensor oder einen Drehratensensor, aufweist. Insbesondere weist das mikroelektromechanische Bauelement einen mikroelektromechanischen Sensor, bevorzugt einen Inertialsensor, auf.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Figurenliste
  • Es zeigen
    • 1 eine Aufsicht eines vertikalen Anschlags eines mikroelektromechanischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht, und
    • 2 einen Querschnitt eines vertikalen Anschlags eines mikroelektromechanischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
  • In 1 und 2 sind eine Aufsicht und ein Querschnitt eines vertikalen Anschlags 6 eines mikroelektromechanischen Bauelements 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Im Bereich des Anschlags weist das mikroelektromechanische Bauelement 1, beispielsweise ein Inertialsensor, eine erste, zweite und dritte Funktionsschicht 3, 4, 5 auf. Dabei sind die erste, zweite und dritte Funktionsschicht 3, 4, 5 vertikal voneinander beabstandet und im Wesentlichen übereinander auf einer Substratvorrichtung 2, auch Substratwafer genannt, angeordnet. Die erste, zweite und/oder dritte Funktionsschicht können eine Strukturierung aufweisen. Die erste Funktionsschicht 3 ist fest mit der Substratvorrichtung 2 verbunden. Insbesondere ist auf der Substratvorrichtung 2 eine erste Oxidschicht 12 abgeschieden. Auf der ersten Oxidschicht 12 wird die erste Funktionsschicht 3 prozessiert. Dabei ist die erste Funktionsschicht 3 über die erste Oxidschicht 12 fest mit der Substratvorrichtung 2 verbunden. Auf der ersten Funktionsschicht 3 wird ein zweites Oxid 13 abgeschieden. Darüber sind vertikal voneinander beabstandet die zweite und dritte Funktionsschicht 4, 5 prozessiert. Die zweite und dritte Funktionsschicht 4, 5 weisen bewegliche Strukturen auf. Die beweglichen Strukturen sind beispielsweise über Federn miteinander gekoppelt und/oder mit der Substratvorrichtung 2 verbunden. Insbesondere ist die dritte Funktionsschicht 5 in vertikale Richtung beweglich. Um eine Beschädigung des mikroelektromechanischen Bauelements 1 zu verhindern, ist ein vertikaler Anschlag 6 zwischen zweiter und dritter Funktionsschicht 4, 5 ausgeführt. Der vertikale Anschlag 6 begrenzt die Bewegung der dritten Funktionsschicht 5 nach oben und unten und definiert einen Kontaktpunkt unterhalb der dritten Funktionsschicht 5. In dem durch diesen Kontaktpunkt definierten, begrenzten Bewegungsrahmen findet keine Beschädigung des mikroelektromechanischen Bauelements 1 statt. Der vertikale Anschlag weist einerseits einen Anschlagsbereich 7 auf der Oberseite, d.h. an einer der dritten Funktionsschicht 5 zugewandten Oberfläche, der zweiten Funktionsschicht 4 auf. Der Anschlagsbereich 7 weist eine umlaufende Senke 14 auf. Bevorzugt schließt die Senke 14 eine Fläche ein, deren Abmessungen der Grundfläche der Noppe 9 der dritten Funktionsschicht 5 entsprechen. Die von der Senke 14 eingeschlossene Fläche bildet eine Noppe 10 an der Oberseite der zweiten Funktionsschicht 4. Insbesondere wird die Topographie der Oberseite der zweiten Funktionsschicht 4 durch die Struktur der unter der zweiten Funktionsschicht 4 angeordneten Oxidschicht 13 bestimmt. Bevorzugt wird die zweite Oxidschicht 13 im Bereich des vertikalen Anschlags 6 geöffnet, so dass ein Oxid-Via in Form eines Rahmens entsteht. Bei der Abscheidung der zweiten Funktionsschicht 4 wird das Oxid-Via verfüllt und das innerhalb des Rahmens 11 befindliche Oxid 13 eingeschlossen. Hierdurch wird die Topographie der Oberseite der zweiten Funktionsschicht 4 bestimmt. Insbesondere entspricht die Topographie der Oberseite der Rahmenstruktur der Oxidschicht 13. Der von dem Rahmen 11 umschlossene Bereich der zweiten Funktionsschicht 4 ist so fest mit der ersten Funktionsschicht 3 verbunden. Hierdurch entsteht auf der zweiten Funktionsschicht 4 ein fester Anschlagsbereich 7 für die dritte Funktionsschicht 5. Die eigentliche Funktion der zweiten Funktionsschicht 4 wird lediglich durch den Anschlag 6 unterbrochen und die Beweglichkeit der zweiten Funktionsschicht 4 lediglich in dem eng begrenzten Bereich des Anschlags 6 eingeschränkt. Der vertikale Anschlag 6 weist eine an der Unterseite, d.h. an einer der zweiten Funktionsschicht 4 zugewandten Oberfläche, der dritten Funktionsschicht 5 prozessierte Noppe 9 auf. Die Noppe 9 ist bevorzugt mit einer rechteckigen Grundfläche ausgeführt. Dabei bestimmt die Dicke der Noppe 9 das Abstandsmaß des vertikalen Anschlags 6. Die Noppe 9 entsteht bevorzugt durch Prozessierung und Strukturierung einer oder mehrerer Oxidschichten an der Unterseite der darüber abgeschiedenen dritten Funktionsschicht 5. Das Abstandsmaß kann so vorteilhaft gemäß den Anforderungen und Abmessungen der dritten Funktionsschicht 5 eingestellt werden. Insbesondere ist das Abstandsmaß unabhängig von den Geometrien und der relativen Anordnung der ersten und zweiten Funktionsschichten 4, 5. Durch die Ausformung des Anschlags 6 zwischen zweiter und dritter Funktionsschicht 4, 5 lassen sich Abstandsmaße abhängig von den gewählten Dicken der zwischen zweiter und dritter Funktionsschicht 4, 5 angeordneten Oxidschichten realisieren. Hierdurch wird vorteilhaft ein vertikaler Anschlag 6 für ein mikroelektromechanisches Bauelement 1 mit mehreren, beweglichen Funktionsschichten zur Verfügung gestellt. Der vertikale Anschlag 6 schützt insbesondere die dritte Funktionsschicht gegen vertikale Überlastbeschleunigungen nach unten. Hierdurch werden Beschädigungen des mikroelektromechanischen Bauelements 1 durch Überlastbeschleunigungen reduziert. Hiermit wird vorteilhaft ein mikroelektromechanisches Bauelement 1 mit im Vergleich zum Stand der Technik erhöhter Robustheit zur Verfügung gestellt.

Claims (10)

  1. Mikroelektromechanisches Bauelement (1), wobei das mikroelektromechanische Bauelement (1) vertikal voneinander beabstandet eine Substratvorrichtung (2), eine erste, eine zweite und eine dritte Funktionsschicht (3, 4, 5) umfasst, wobei zwischen zweiter und dritter Funktionsschicht (4, 5) ein vertikaler Anschlag (6) ausgeformt ist, wobei der vertikale Anschlag (6) auf einer der dritten Funktionsschicht (5) zugewandten Oberfläche der zweiten Funktionsschicht (4) einen Anschlagsbereich (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Funktionsschicht (4) in einem dem Anschlagsbereich (7) zugeordneten Verbindungsbereich (8) mit der ersten Funktionsschicht (3) verbunden ist.
  2. Mikroelektromechanisches Bauelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlagsbereich (7) und der Verbindungsbereich (8) lediglich vertikal voneinander beabstandet sind.
  3. Mikroelektromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Funktionsschicht (5) in einem dem Anschlagsbereich (7) gegenüberliegenden Bereich eine Noppe (9) aufweist.
  4. Mikroelektromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Funktionsschicht (4) im Verbindungsbereich (8) einen Rahmen (11) aufweist.
  5. Mikroelektromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Funktionsschicht (3, 4) über eine zwischen erster und zweiter Funktionsschicht (3, 4) im Verbindungsbereich (8) angeordnete Oxidschicht (13) miteinander verbunden sind.
  6. Mikroelektromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Funktionsschicht (4) im Anschlagsbereich (7) eine Noppe (10) aufweist.
  7. Mikroelektromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und/oder die dritte Funktionsschicht (3, 4) relativ zur Substratvorrichtung (2) beweglich sind.
  8. Mikroelektromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mikroelektromechanische Bauelement (1) einen Beschleunigungssensor oder einen Drehratensensor, aufweist.
  9. Mikromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der dritten Funktionsschicht (5) eine vierte Funktionssicht oder eine vierte Funktionsschicht und eine fünfte Funktionsschicht angeordnet sind.
  10. Mikromechanisches Bauelement (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dritten und vierten Funktionsschicht und/oder zwischen der vierten und fünften Funktionsschicht eine Opferschicht angeordnet ist.
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