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Die Erfindung betrifft ein Bauelement zum Detektieren von Beschleunigungskräften, aufweisend ein Substrat, eine Massenstruktur und aufweisend eine Federeinrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Federeinrichtung, insbesondere für ein Bauelement.
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Stand der Technik
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Es sind mikromechanische Inertialsensoren zur Messung von Beschleunigung und Drehraten bekannt. Derartige Sensoren werden für verschiedene Anwendungen, beispielsweise im Automobil- und Consumer-Bereich, eingesetzt. Für kapazitive Beschleunigungssensoren mit Detektionsrichtung senkrecht zur flächigen Ausdehnung eines Substrats der Sensoren werden üblicherweise Wippenstrukturen verwendet. Das Sensorprinzip derartiger Wippenstrukturen basiert auf einem Feder-Masse-System, in welchem eine bewegliche Masse mit zwei auf dem Substrat fixierten Gegenelektroden zwei Plattenkondensatoren ausbildet. Die Masse ist über eine Torsionsfeder mit der Unterlage bzw. dem Substrat verbunden. Ist die Massenverteilung der Massestruktur auf beiden Seiten der Torsionsfeder unterschiedlich groß, so wird sich beim Einwirken einer z-Beschleunigung die Massestruktur relativ zur Torsionsfeder als Drehachse drehen. Hierdurch wird der Abstand der Elektroden einseitig kleiner und auf einer gegenüberliegenden Seite größer. Die resultierende Kapazitätsänderung ist ein Maß für die einwirkende Beschleunigung. Derartige Beschleunigungssensoren sind beispielsweise aus der
EP 0 244 581 B1 und der
EP 0 773 443 B1 bekannt.
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Beschleunigungssensoren sollten vorzugsweise eine möglichst geringe Querempfindlichkeit auf Beschleunigungen in die nicht-sensitiven Richtungen aufweisen. Des Weiteren sollten die Sensoren eine möglichst gute Unterdrückung von Störanregungen durch hochfrequente Vibrationen außerhalb eines Nutzbands aufweisen.
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Die durch Vibrationen induzierten Signalfehler werden oftmals als VRE (vibration rectification)-Fehler bezeichnet. Eine mögliche Ursache für die VRE-Fehler ist das mechanische Anschlagen der Massenstruktur an die die Massenstruktur umgebenden Festanschlägen. Gerade für Anregungen parallel zur Chipoberfläche, sogenannte In-plane-Anregungen, können je nach Ausführung des Sensors bei relativ kleinen Störbeschleunigungen auftreten. Dies kann neben einer unterschiedlich starken und richtungsabhängigen Dämpfung der schwingbaren Massenstruktur durch das im Sensor eingeschlossene Gas auf eine Form der Torsionsfeder zurückgeführt werden. Es werden oft Torsionsfedern mit einem i-förmigen Profil eingesetzt, welche nicht nur nachgiebig in Richtung der gewünschten Torsionsbewegung, sondern auch relativ leicht verformbar in Richtung einer Anregung parallel zur Substratoberfläche sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Verfahren zum Herstellen einer Torsionsfeder sowie ein Bauelement vorzuschlagen, welcher eine verbesserte Federeinrichtung aufweist, die nachgiebig bezüglich Torsion sowie steif bezüglich Biegebelastungen ist und einen technisch einfach einstellbaren Federdrehpunkt entlang einer z-Koordinate aufweist.
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Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Bauelement, insbesondere ein Inertialsensor zum Detektieren von Beschleunigungskräften, bereitgestellt. Das Bauelement kann vorzugsweise ein mikromechanisches Bauelement sein. Das Bauelement weist ein Substrat, eine Massenstruktur und eine Federeinrichtung auf, wobei die Massenstruktur mittels der Federeinrichtung entlang einer Achse relativ zum Substrat schwenkbar ist. Die Federeinrichtung weist einen ersten Federsteg und einen zweiten Federsteg auf, welche entlang einer z-Richtung voneinander beabstandet sind.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Federeinrichtung, insbesondere für ein Bauelement, bereitgestellt. In einem Schritt wird ein waferförmiges Substrat bereitgestellt, wobei auf einer Vorderseite des Substrats zumindest eine erste Oxidschicht aufgebracht ist. Optional können auch eine Poly-Silizium-Schicht und/oder eine zweite Oxidschicht auf dem Substrat aufgebracht werden. Es wird ein erster Schichtabschnitt zum Ausbilden eines ersten Federstegs mittelbar oder unmittelbar auf die erste Oxidschicht abgeschieden. Anschließend wird zumindest eine dritte Oxidschicht auf den ersten Schichtabschnitt abgeschieden. Ein dritter Schichtabschnitt wird auf die zweite Oxidschicht abgeschieden. Hierbei kann gemäß einer optionalen Ausführungsform des Verfahrens mindestens ein dritter Federsteg durch Materialabtrag des Schichtabschnitts unter Zuhilfenahme einer Stützstruktur ausgebildet werden. Eine weitere Oxidschicht wird auf die Stützstruktur aufgetragen. Auf die weitere Oxidschicht wird ein zweiter Schichtabschnitt zum Ausbilden eines zweiten Federstegs abgeschieden. Anschließend werden durch Oxidätzen die abgeschiedenen Oxidschichten zumindest bereichsweise derart entfernt, dass die Federeinrichtung ausgebildet wird.
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Durch die Verwendung einer dünnen zusätzlichen Funktionsschicht bzw. einem zweiten Schichtabschnitt, welcher einen zweiten Federsteg ausbildet, kann eine Federeinrichtung bereitgestellt werden, welche eine einstellbare Nachgiebigkeit bezüglich der Torsionsbewegung und eine hohe Steifigkeit gegenüber einer Biegebelastung entlang der Substratoberfläche aufweist. Die Federeinrichtung kann neben den zwei Schichtabschnitten einen optionalen dritten Schichtabschnitt aufweisen.
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Durch Hinzunahme der zusätzlichen Funktionsschicht lassen sich technisch einfache Federn konstruieren, die robust bezüglich der durch Vibrationen induzierten Signalfehler sind. Insbesondere kann eine Federeinrichtung mit einem Querschnittsprofil realisiert werden, welches übliche T-förmige oder i-förmige Profile ersetzen kann. Insbesondere können durch das Verfahren Federeinrichtungen mit einem H-förmigen oder einem O-förmigen Querschnittsprofil hergestellt werden.
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Darüber hinaus können die Federeinrichtungen in verschiedenen Ausführungsformen gestaltet und gezielt auf die Designanforderungen des Sensors angepasst werden, die beispielsweise aus komplexen Massenverteilungen der beweglichen Sensorstrukturen bzw. der Massenstruktur resultieren.
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Des Weiteren kann die Federeinrichtung derart ausgestaltet sein, dass deren z-Koordinate der Torsionsachse des Federdrehpunkts sich flexibel einstellen lässt. Eine derartige Einstellung ist vorteilhaft, um bei einem z-Beschleunigungssensor mit komplexer Massenverteilung eine Querempfindlichkeit gegenüber x-Beschleunigung zu senken.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Bauelement eine Massenstruktur mit zumindest zwei über Verbindungswände miteinander verbundenen Massen und eine auf dem Substrat angeordnete Verankerung auf. Mindestens eine Verbindungswand der Massenstruktur ist über die Federeinrichtung mit der Verankerung verbunden und entlang der Achse schwenkbar ausgestaltet. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Massenstruktur eine asymmetrische Massenverteilung relativ zur Achse auf.
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Nach einer Ausführungsform weist die Federeinrichtung zwei Abschnitte auf, welche jeweils eine Verbindungswand der Massenstruktur beidseitig mit der Verankerung verbinden. Die Verankerung kann sich bevorzugt in z-Richtung von dem Substrat erstrecken. An zumindest zwei Seiten der Verankerung können die Abschnitte der Federeinrichtung mit der Verankerung verbunden sein und sich beispielsweise in x-Richtung oder y-Richtung erstrecken. An einer der Verankerung gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Abschnitte können die Abschnitte mit jeweils einer Verbindungswand der Massenstruktur gekoppelt sein. Somit können die Massen der Massenstruktur über die Verbindungswände mittels der Abschnitte der Federeinrichtung schwenkbar an der Substratverankerung befestigt werden. Vorzugsweise sind die Federstege in jedem Abschnitt der Federeinrichtung angeordnet. Die Federstege können in den jeweiligen Abschnitten unterschiedlich ausgeprägt sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der erste Federsteg und der zweite Federsteg in einer initialen Position der Federeinrichtung parallel zu der Substratoberfläche ausgerichtet. Der erste und der zweite Federsteg können plattenförmig ausgeführt sein und parallel zu der Substratoberfläche verlaufen. Der erste und der zweite Federsteg können hierbei gleich oder unterschiedlich geformt sein. Eine derartige Anordnung des ersten und des zweiten Federstegs dient zum Versteifen der Federeinrichtung und reduziert somit eine Biegefähigkeit der Federeinrichtung entlang der Substratoberfläche.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Federeinrichtung mindestens einen in z-Richtung ausgerichteten dritten Federsteg auf.
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Die Torsionsfederanordnung für eine mikromechanische Struktur bzw. einen Sensor kann somit aus mindestens drei mikromechanischen Schichten gebildet werden. Aufgrund des mindestens einen dritten Federstegs kann eine Federeinrichtung mit einem H-förmigen oder O-förmigen Querschnittsprofil bereitgestellt werden. Insbesondere können die Eigenschaften der Federeinrichtung durch den mindestens einen dritten Federsteg präziser gesteuert werden. Der dritte Federsteg kann vorzugsweise senkrecht gegenüber dem ersten und dem zweiten Federsteg ausgerichtet sein, wodurch eine zusätzliche mechanische Verstärkung der Federeinrichtung erzeugbar ist.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung sind der erste Federsteg, der zweite Federsteg und/oder der mindestens eine dritte Federsteg schichtförmig als Schichtabschnitte ausgeführt. Hierdurch können die jeweiligen Federstege in zumindest einem Abschnitt der Federeinrichtung präzise durch Halbleiterprozesse hergestellt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der dritte Federsteg mit dem ersten Federsteg und/oder mit dem zweiten Federsteg verbunden oder ist von mindestens einem der Federstege in z-Richtung beabstandet. Hierdurch kann eine mechanische Versteifung der Federeinrichtung realisiert werden, welche abhängig von Anforderungen des Sensors einstellbar ist. Die mechanische Struktur der Federeinrichtung weist beispielsweise eine höhere Verwindungssteifigkeit auf, wenn der mindestens eine dritte Federsteg in z-Richtung endseitig mit dem ersten und dem zweiten Federsteg verbunden ist.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weisen der erste Federsteg und der zweite Federsteg eine Materialstärke auf, welche kleiner ist als eine Materialstärke des mindestens einen dritten Federstegs. Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform weist der erste Federsteg eine größere Materialstärke als der zweite Federsteg auf und/oder weist einer größere Breite auf als der zweite Federsteg. Alternativ können die Dimensionen der Federstege auch umgekehrt hierzu ausgestaltet sein. Insbesondere kann der erste Federsteg eine kleinere Materialstärke aufweisen als der zweite Federsteg und/oder eine kleinere Breite aufweisen als der zweite Federsteg. Als weiteren Vorteil können die Federstrukturen in geringeren Rohoffsets (also parasitären Vorauslenkungen aufgrund intrinsischer inhomogener Materialspannungen) resultieren, da die als Poly-Siliziumschichten ausgestaltete erste und zweite Federstege aufgrund ihrer geringen Schichtdicken sehr feinkristallin aufgewachsen werden. Hierdurch weisen die Federstege geringere intrinsische Materialspannungen auf als Federstege mit größeren Materialstärken, wie beispielsweise der grobkörnig formbare dritte Federsteg. Geringere Rohoffsets können bei z-Beschleunigungssensoren zu verbessertem Temperaturverhalten, dem sogenannten temperature coefficient of offset, führen und können somit die Empfindlichkeit gegenüber einem sogenannten Packagestress reduzieren, welcher aufgrund unterschiedlicher Materialien des Sensors entstehen kann.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen der erste Federsteg und/oder der zweite Federsteg eine bereichsweise perforierte Struktur auf. Durch das gezielte Einbringen von Perforationslöchern kann die Verwindungssteifigkeit und die Elastizität der Federeinrichtung gezielt beeinflusst werden. Zudem können die Perforationslöcher das Herstellverfahren erleichtern, da Opferoxide im Bereich der Federeinrichtung somit leichter entfernt werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Breite des ersten Federstegs und des zweiten Federstegs größer als eine Breite des mindestens einen dritten Federstegs. Insbesondere kann die Breite des ersten und zweiten Federstegs eine Breite des dritten Federstegs deutlich übertreffen, wodurch eine zumindest zweidimensionale mechanische Verstärkung der Struktur der Federeinrichtung erzeugbar ist.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Federeinrichtung derart ausgestaltet, dass eine z-Koordinate der Schwenkachse der Federeinrichtung gleichzeitig eine Schwenkachse der Massenstruktur ausbildet. Hierdurch kann die Querempfindlichkeit des als z-Beschleunigungssensor ausgestalteten Bauelements reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest einer der Federstege aus einem polykristallinen Silizium hergestellt. Hierdurch können geringe Schichtdicken realisiert werden, da polykristallines Silizium feinkristallin aufgewachsen werden kann. Des Weiteren können intrinsische Materialspannungen in der Federeinrichtung verringert werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform wird der erste Schichtabschnitt strukturiert und durch die Struktur des ersten Schichtabschnitts durch das Abscheiden der dritten Oxidschicht verschlossen. Hierdurch kann eine gezielte Maskierung zum Ausbilden von einen oder mehreren dritten Federstegen umgesetzt werden. Die dritten Federstege erstrecken sich in z-Richtung länglich zwischen dem ersten Federsteg und dem zweiten Federsteg, wodurch die Federeinrichtung mit einem H-förmigen oder O-förmigen Querschnittsprofil herstellbar ist.
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Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 eine schematische Draufsicht auf einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Inertialsensors gemäß einer Ausführungsform,
- 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Inertialsensors gemäß einer weiteren Ausführungsform entlang einer Schnittebene A-A aus 1,
- 4 eine schematische Schnittdarstellung des Inertialsensors aus 3 entlang einer Schnittebene B-B aus 1,
- 5-13 schematische Schnittdarstellungen von Federeinrichtungen und
- 14-23 schematische Schnittdarstellungen zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Herstellen einer Federeinrichtung gemäß einer Ausführungsform.
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In der 1 ist eine Draufsicht auf ein Bauelement 1, welches als ein Inertialsensor ausgeführt ist, gezeigt. Insbesondere wird verdeutlicht, dass der Sensor 1 eine Massenstruktur 4 mit zwei Massen 5, 6 aufweist. Die erste Masse 5 ist hohl ausgeführt und damit leichter als die zweite Masse 6. Die Massen 5, 6 sind über seitliche Verbindungswände 7 miteinander verbunden. Zwischen den Verbindungswänden 7 und den beiden Massen 5, 6 ist eine Verankerung 9 angeordnet. Die Verankerung 9 erstreckt sich säulenartig in z-Richtung und ist mit einem Substrat 2 verbunden. Die Verbindungswände 7 sind über Abschnitte 17 einer Federeinrichtung 16 mit der Verankerung 9 schwenkbar verbunden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind die Abschnitte 17 gleich ausgeführt.
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Die 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Inertialsensors 1 gemäß einer Ausführungsform. Insbesondere ist die interne Anordnung des Sensors 1 dargestellt, welche die funktionalen Komponenten aufweist.
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Der Inertialsensor 1 dient zum Detektieren von in z-Richtung wirkenden Beschleunigungskräften. Der Sensor 1 weist ein Substrat 2 auf, eine Massenstruktur 4 mit zwei unterschiedlichen Massen 5, 6 und eine Detektionseinrichtung 8 auf.
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Die Detektionseinrichtung 8 ist mit Elektroden 10, 12 elektrisch leitfähig verbunden und kann die Kapazität zwischen den Elektroden 10, 12 und einer unteren Schicht 14 der Massenstruktur 4 ermitteln. Hierdurch kann die Bewegung der Massenstruktur 4 relativ zum Substrat 2 detektiert werden.
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Des Weiteren weist der Sensor 1 eine Federeinrichtung 16 auf. Die Federeinrichtung 16 ist als eine Torsionsfeder ausgeführt. Die Massenstruktur 4 ist mittels der Federeinrichtung 16 entlang einer parallel zu einer Substratoberfläche 3 angeordneten Achse A schwenkbar mit dem Substrat 2 verbunden.
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Die Massen 5, 6 der Massenstruktur 4 an zwei sich gegenüberliegenden Seiten der Federeinrichtung 16 angeordnet und sind unterschiedlich schwer.
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Die Federeinrichtung 16 weist gemäß dem Ausführungsbeispiel drei Schichtabschnitte 14, 18, 20 auf, welche einen ersten Federsteg 22, einen zweiten Federsteg 24 und einen dritten Federsteg 26 ausbilden.
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Die Federstege 22, 24, 26 bilden eine Federeinrichtung 16 aus, welche ein H-förmiges Querschnittsprofil aufweist. Hierfür sind der erste und der zweite Federsteg 22, 24 parallel zueinander und parallel zu der Substratoberfläche 3 angeordnet. Insbesondere sind die Federstege 22, 24 durch einen senkrecht zur Substratoberfläche 3 ausgerichteten dritten Federsteg 26 in z-Richtung voneinander beabstandet und über den dritten Federsteg 26 miteinander verbunden.
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Durch diese Anordnung wird eine relativ niedrige Torsionssteifigkeit für die Nutzbewegung der Wippe bzw. der Massenstruktur 4 aufrechterhalten, wobei die Federeinrichtung 16 eine gesteigerte Biegesteifigkeit gegenüber einer einfachen „I-Feder“ aufweist. Da zudem ein Federdrehpunkt und Massenschwerpunkt der beweglichen Struktur 4 bzgl. ihrer z-Koordinate zusammen fallen, tritt bei dieser Anordnung auch keine Querempfindlichkeit bezüglich der x-Richtung auf.
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Die Elektroden 10, 12 sind auf einer Oxidschicht 28, welche auf der Substratoberfläche 3 angeordnet ist, positioniert und werden durch eine polykristalline Siliziumschicht 29 ausgebildet.
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Die 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Inertialsensors 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zum in 1 dargestellten Sensor weist der Inertialsensor 1 ein differentielles Elektrodenprinzip mit jeweils einer Topelektrode 11, 13 und einer Bodenelektrode 10, 12 auf. Der Übersicht halber ist die elektrische Anbindung der Elektroden 10, 11, 12, 13 mit der Detektionseinrichtung 8 nicht dargestellt.
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Die Geometrie der Federeinrichtung 16 ist derart ausgestaltet, dass der erste Federsteg 22 eine größere Breite aufweist als der zweite Federsteg 24.
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Hier liegt der Massenschwerpunkt der beweglichen Massenstruktur 4 für diese Sensortopologie tiefer. Somit muss auch der Federdrehpunkt etwas tiefer als in 1 positioniert werden, um die Querempfindlichkeit bezüglich der x-Beschleunigung zu eliminieren. Dies gelingt dadurch, dass die Breite des ersten Federstegs 22 größer als die des zweiten Federstegs 24 ist. Somit kann auch in diesem Fall eine günstige Kombination aus hoher Biegesteifigkeit der Federeinrichtung 16 und verschwindender Querempfindlichkeit des Sensors 1 erzielt werden.
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Die 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Inertialsensors 1 aus der 3 entlang einer Schnittebene B-B aus 1. Insbesondere wird die Form der Verankerung 9 veranschaulicht, welcher sich von dem Substrat 2 säulenförmig in z-Richtung erstreckt und als Aufnahme der Abschnitte 17 der Federeinrichtung 16 dient.
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Die Schichtabschnitte 14, 18, 20 können sich durch die Verankerung 9 hindurch erstrecken oder seitwärts mit der Verankerung 9 stoffschlüssig verbunden sein. Gemäß dem Ausführungsbeispiel verlaufen der erste Schichtabschnitt 14 und der zweite Schichtabschnitt 18 nicht durch die Verankerung 9 hindurch, sondern sind bündig in y-Richtung mit der Verankerung 9 gekoppelt.
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In den 5-13 sind schematische Schnittdarstellungen von Federeinrichtungen 16 gemäß erfindungsgemäßen Ausführungsformen gezeigt. Insbesondere werden mögliche Querschnittsprofile der Federeinrichtung 16 dargestellt. Die mögliche Formgebung der Querschnittsprofile ist nicht auf die gezeigten Beispiele beschränkt, sondern kann vielmehr unterschiedliche Variationen und Kombinationen beinhalten.
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Die 5 zeigt das Querschnittsprofil einer Federanordnung 16 aus der 1. In der 6 ist das Querschnittsprofil der Federanordnung 16 aus der 2 dargestellt.
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In der 7 ist eine H-Feder-Anordnung dargestellt, bei der der erste Federsteg 22 und der zweite Federsteg 24 in z-Richtung voneinander beabstandet sind. Der dritte Federsteg 26 ist nicht direkt mit den Federstegen 22, 24 verbunden, sondern ist bereichsweise von den Federstegen 22, 24 beabstandet.
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Die 8 zeigt eine Federeinrichtung 16, welche als eine sogenannte „O-Feder“ ausgeführt ist. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen weist diese Federeinrichtung zwei dritte Federstege 26 auf, welche in x-Richtung voneinander beabstandet sind. Die beiden dritten Federstege 26 sind in z-Richtung mit dem ersten und dem zweiten Federsteg 22, 24 unmittelbar verbunden. Hierdurch wird die Biegesteifigkeit der Anordnung noch einmal stärker erhöht als die Torsionssteifigkeit.
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In der 9 ist eine O-Feder-Anordnung dargestellt, bei der der erste Federsteg 22 und der zweite Federsteg 24 in z-Richtung von den beiden dritten Federstegen 26 beabstandet sind. Die Federstege 22, 24, 26 können bereichsweise oder vollständig unterbunden sein bzw. voneinander beabstandet sein.
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In der 10 ist eine H-Feder-Anordnung dargestellt, bei der nicht die Breite, sondern die Dicke des ersten Federstegs 22 erhöht wurde. Auch durch Dickenvariationen lassen sich natürlich Torsionssteifigkeit, Biegesteifigkeit und Lage des Federdrehpunkts beeinflussen. Eine derartige Anpassung der Dicke bzw. Materialstärke kann auch an dem zweiten Federsteg 24 und mindestens einem dritten Federsteg 26 umgesetzt werden. Alternativ kann auch der zweite Federsteg 24 mit einer größeren Dicke als der erste Federsteg 22 ausgebildet sein.
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11 und 12 zeigen eine als H-Feder ausgestaltete Federeinrichtung 16 mit einzelnen Perforationslöchern oder -schlitzen in dem ersten und dem zweiten Federsteg 22, 24. Diese Perforationslöcher 30 können erforderlich sein, um das Entfernen von Opferoxiden beim Freistellen der Mikromechanik-Struktur zu erleichtern.
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13 zeigt eine Federeinrichtung 16, bei der die Torsionsfeder nur noch von dem ersten Federsteg 22 und dem zweiten Federsteg 24 gebildet ist. Eine derartige Federeinrichtung 16 ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf einen Rohoffset des Sensors 1, da die dünnen Federstege 22, 24 feinkristallin aufwachsen und daher minimale intrinsische Verspannungen aufweisen. Hierdurch kann die Steifigkeit der Federeinrichtung 16 bezüglich z-Biegung reduzierend eingestellt werden.
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In den 14 bis 23 sind schematische Schnittdarstellungen zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Herstellen einer Federeinrichtung 16 gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Es wird schematisch ein Abschnitt 17 der Federeinrichtung 16 gezeigt.
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Das Verfahren wird anhand eines Oberflächenmikromechanik-Prozesses beispielhaft dargestellt, bei dem vier poly-Silizium-Schichten 29, 14, 20, 18 verwendet werden. Die grundsätzlichen Verfahrensschritte für die Herstellung der Federeinrichtung 16 sind in den 14 bis 23 veranschaulicht.
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In der 14 wird ein waferförmiges Substrat 2 mit einer ersten Oxidschicht 28, einer Poly-Silizium-Schicht 29 zum Ausbilden von Gegenelektroden 10, 12 und einer zweiten Oxidschicht 32 bereitgestellt.
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In 15 wird der erste Schichtabschnitt 14 auf die zweite Oxidschicht 32 abgeschieden und mittels feiner Gräben strukturiert. Die Gräben bilden Perforationslöcher 30. Durch den ersten Schichtabschnitt 14 wird der erste Federsteg 22 der Federeinrichtung 16 geformt.
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16 zeigt, wie eine dritte Oxidschicht 34 abgeschieden wird. Hierdurch werden die Perforationslöcher 30 temporär verschlossen. Es können weitere Prozessschritte durchgeführt werden, welche für die Ausbildung der Massenstruktur 4 relevant sind. Diese Prozessschritte betreffen jedoch nicht die Herstellung der Federeinrichtung 16. Des Weiteren kann die dritte Oxidschicht 34 bereichsweise geöffnet werden, um feine Schlitze in den ersten Schichtabschnitt 14 in einem Ätzverfahren, beispielsweise mit SF6 oder XeF2, einzubringen. Die Oxidschicht 34 dient hierbei als Maske.
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In der 17 wird eine vierte Oxidschicht 36 auf die dritte Oxidschicht 34 abgeschieden. Hierdurch können Unebenheiten ausgeglichen oder als Maske fungierenden Öffnungen erneut verschlossen werden. Hierdurch können weite Bereiche des ersten Schichtabschnitts 14 ausgeräumt werden, ohne nennenswerte Topographie an der Oberfläche der vierten Oxidschicht zu hinterlassen.
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Die 18 zeigt, wie der dritte Schichtabschnitt 20 zum Ausbilden von mindestens einem dritten Federsteg 26 abgeschieden und anschließend durch feine Trenchgräben 38 strukturiert wird.
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In der 19 wird eine weitere Oxidschicht 40 abgeschieden. Hierbei werden die Trenchgräben 38 gefüllt und eine ebene Oberfläche ausgebildet. Anschließend können Öffnungen 42 in die Oxidschicht 40 eingebracht werden, um unnötige Abschnitte 44 des dritten Schichtabschnitts 20 zu entfernen.
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Mit einem weiteren, in 20 dargestellten, Ätzschritt, welcher durch isotropen Materialabtrag erfolgen kann, werden die unnötigen Abschnitte 44 über die Öffnungen 42 in der fünften Oxidschicht 40 entfernt. Die unnötigen Abschnitte 44 des dritten Schichtabschnitts 20 dienen hier als Opfer-Silizium-Bereiche.
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In der 21 wird eine weitere Oxidschicht 46 auf die Struktur aufgetragen, wodurch die Öffnungen 42 der fünften Oxidschicht 40 verschlossen werden.
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Anschließend kann in einem in 22 dargestellten Schritt der zweite Schichtabschnitt 18 abgeschieden werden. In einem Strukturierungsschritt können hier Perforationslöcher 30 in Form von Trenchgräben eingebracht werden.
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Anschließend können durch Oxidätzen die Oxidschichten 28, 32, 34, 36, 40, 46 zumindest abschnittsweise aus der Struktur entfernt werden, wodurch die Federeinrichtung 16 fertig ausgebildet wird. Das Oxidätzen erfolgt vorzugsweise mit gasförmigem HF.
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In den 14-23 wird eine Federeinrichtung 16 ausgeformt, welche auch in der 12 dargestellt ist. Die anderen beispielhaft dargestellten Federeinrichtungen in den 5 bis 13 können analog durch das Verfahren hergestellt werden.
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Auch wenn sich die beschriebenen Ausführungsbeispiele beispielhaft auf einen Inertialsensor zur Messung von Beschleunigung in z-Richtung beziehen, so kann die erfindungsgemäßen Federanordnungen und das Herstellverfahren auch für weitere mikromechanische Bauelemente wie Mikrospiegel, Resonatoren, Drehratensensoren, Lorentz-Magnetometer und dergleichen eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0244581 B1 [0002]
- EP 0773443 B1 [0002]
