DE102018222715B4

DE102018222715B4 - Sensoreinrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Sensoreinrichtung

Info

Publication number: DE102018222715B4
Application number: DE102018222715.2A
Authority: DE
Inventors: Jochen Reinmuth; Hans Artmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2021-01-21
Anticipated expiration: 2038-12-22
Also published as: TW202031586A; JP7177274B2; DE102018222715A1; JP2022514339A; CN113226979B; US20210403315A1; WO2020127474A1; CN113226979A

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Sensoreinrichtung (1) mit einer Membran (7), die eine Kaverne (K) überspannt, umfassend die Schritte:- Bereitstellen (S1) eines Substrats (2);- Anordnen (S2) mindestens einer ersten Opferschicht (O1) auf dem Substrat;- Anordnen (S3) einer Hilfsschicht (5) auf der mindestens ersten Opferschicht (O1) und Strukturieren der Hilfsschicht (5) derart, dass in der Hilfsschicht (5) zumindest ein Graben (G) bis zur mindestens ersten Opferschicht (O1) eingebracht wird, wobei sich der Graben (G) lateral innerhalb des Randbereichs (RB) befindet, wobei der Randbereich (RB) zumindest teilweise eine laterale Umrandung auf dem Substrat (2) darstellt;- Anordnen (S4) einer dritten Opferschicht (03) zumindest in dem Graben (G), wobei ein Hohlraum (H) in den Gräben (G) verbleibt;- Aufbringen (S5) einer Membran (7) auf der Hilfsschicht (5) und Einbringen von mindestens einem Ätzzugang (A) in der Membran im Randbereich (RB);- zumindest teilweises Entfernen (S6) der mindestens ersten Opferschicht (O1) und der dritten Opferschicht (03) lateral innerhalb des Randbereichs durch einen Ätzvorgang durch den mindestens einen Ätzzugang (A); und- Verschließen (S7) des mindestens einem Ätzzugangs (A) mit einem Verschlussmaterial (V) und Einschließen eines definierten Druckes (p1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Sensoreinrichtung.
Stand der Technik
Bei kapazitiven Sensoren erfolgt eine Herstellung dieser üblicherweise mittels eines Abscheidens von leitfähigen Schichten und Opferschichten sowie einer Membranschicht, welche nachträglich freigestellt wird. Meist definiert hierbei die Dicke der Opferschicht den Abstand der Membran von der Gegenelektrode, welche üblicherweise relativ groß gewählt werden. Zur Steigerung der Empfindlichkeit eines solchen Membransensors sind kleinere Abstände zwischen Membran und Gegenelektrode wünschenswert.
In der DE10 2013 213 065 A1 wird ein kapazitiver Sensor beschrieben, welcher eine Gegenelektrode auf einem Substrat umfassen kann, wobei auf der Gegenelektrode eine Opferschicht mit Hohlräumen abgeschieden werden kann und wobei auf der Opferschicht eine Membran angeordnet werden kann. Ätzzugänge in der Membran können seitlich der Gegenelektrode angeordnet sein, wobei auch die Hohlräume als Ätzkanäle nutzbar sein können. Auf diese Weise sind dünne Membranen realisierbar.
Aus den Schriften DE 10 2013 213 065 A1 , DE 2014 214 525 A1 und DE 2013 213 071 B3 sind Herstellungsverfahren für mikromechanische Bauelemente bekannt. Hierbei werden jeweils durch Gräben in einem Substrat Hohlräume unter einer Membran gebildet.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen einer Sensoreinrichtung nach Anspruch 1.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoreinrichtung anzugeben, wobei sich das Verfahren zum Herstellen der Sensoreinrichtung dadurch auszeichnet, dass eine dünne Membran mit vorzugsweise kleinem Abstand zur Gegenelektrode ausformbar ist und somit eine gesteigerte Empfindlichkeit aufweisen kann. Die Membran kann vorteilhaft aus einem einzigen Material hergestellt werden, wobei im beweglichen Messbereich auf Ätzzugangslöcher zur Freistellung der Membran verzichtet werden kann, da eine Ätzung lateral von der Seite erfolgen kann.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Sensoreinrichtung umfasst zumindest ein Substrat; einen Randbereich, welcher auf dem Substrat angeordnet ist und einen Innenbereich über dem Substrat lateral eingrenzt; eine Membran, welche an der Randstruktur verankert ist und den Innenbereich zumindest teilweise überspannt, wobei die Membran im Innenbereich zumindest einen durch einen Druck beweglichen Bereich umfasst, welcher eine Kaverne zwischen der Membran und dem Substrat einschließt; einen ersten Zwischenträger, welcher sich im beweglichen Bereich unterhalb der Membran erstreckt und mit der Membran verbunden ist und insbesondere zumindest einen Graben aufweist.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Sensoreinrichtung umfasst einen Medienzugang mit einem Verschluss, der mit der Kaverne verbunden ist und außerhalb des beweglichen Bereiches der Membran angeordnet ist und einen definierten Druck in der Kaverne und im Medienzugang einschließt.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Sensoreinrichtung weist eine Randstruktur auf, die zumindest einen Ätzzugangskanal umfasst, welcher mit der Kaverne verbunden.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung ist auf dem Substrat und zwischen dem Substrat und dem Zwischenträger mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht als erste Elektrode angeordnet und vom Substrat elektrisch isoliert.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung ist der Zwischenträger mit Kontaktstellen an der Membran im beweglichen Bereich befestigt.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung weist der erste Zwischenträger eine vollständige mechanische Verbindung mit der Membran in einem Teilbereich und in einer ersten Richtung und über eine gesamte Breite in dieser Richtung auf.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung ist der erste Zwischenträger in einer zweiten Richtung in einzelne Zwischenträgerelemente segmentiert und die einzelnen Elemente sind in einer ersten Richtung, welche von der zweiten Richtung abweicht, durchgängig ausgeführt.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung überdeckt die Membran einen gesamten Bereich, der durch den Randbereich umgeben wird.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung weist die Membran und/oder der Zwischenträger mindestens eine Polysiliziumschicht auf.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung weist die Membran und/oder der Zwischenträger mindestens ein durchgängiges Material gleicher Schichtdicke auf.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung umfasst die Membran zumindest einen Referenzbereich als einen Teilbereich, in welchem der erste Zwischenträger zumindest eine Stützstelle umfasst, welche den ersten Zwischenträger mit dem Substrat mechanisch verbindet.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung umfasst die Membran eine gleiche Zahl von Referenzbereichen und beweglichen Bereichen, welche miteinander als eine halbe oder vollständige Wheatstone-Brücke verschaltet sind.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung ist die Membran über die Randstruktur elektrisch kontaktiert.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung weist mindestens einer der Gräben eine geringere Breite in der ersten oder zweiten Richtung auf als eine Höhe des Zwischenträgers.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung weist der Abstand von dem Randbereich zur nächstgelegenen Kontaktstelle mindestens 10% eines planaren Erstreckungsbereichs der Membran auf, wobei der Erstreckungsbereich bei einer kreisrunden Membran einem Durchmesser entspricht oder bei einer rechteckigen Membran einer Länge einer kürzeren Seitenkante entspricht.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Herstellen einer Sensoreinrichtung ein Bereitstellen eines Substrats; ein Anordnen mindestens einer ersten Opferschicht auf dem Substrat; ein Anordnen einer Hilfsschicht auf der mindestens ersten Opferschicht und Strukturieren der Hilfsschicht derart, dass in der Hilfsschicht zumindest ein Graben bis zur mindestens ersten Opferschicht eingebracht wird, wobei sich der Graben lateral innerhalb eines Randbereichs befindet, wobei der Randbereich zumindest teilweise eine laterale Umrandung auf dem Substrat darstellt; ein Anordnen einer dritten Opferschicht zumindest in dem Graben; ein Aufbringen einer Membran auf der Hilfsschicht und Einbringen von mindestens einem Ätzzugang in der Membran in dem Randbereich; zumindest teilweises Entfernen der mindestens ersten Opferschicht und der dritten Opferschicht lateral innerhalb des Randbereichs durch einen Ätzvorgang durch den mindestens einen Ätzzugang; und Verschließen des mindestens einem Ätzzugangs mit einem Verschlussmaterial und Einschließen eines definierten Druckes.
Der Graben oder mehrere Gräben können sich lateral innerhalb des Randbereichs, in diesem selbst und etwa in dem Zwischenträger, also im Innenbereich (lateral innerhalb des Randbereichs) befinden.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens wird die dritte Opferschicht auch auf der Hilfsschicht angeordnet und das Strukturieren der dritten Opferschicht erfolgt derart, dass lateral innerhalb des Randbereichs Ausnehmungen bis zur Hilfsschicht eingebracht werden, und wobei die Ausnehmungen mit einem Material der Membran aufgefüllt werden.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens wird vor dem Anordnen der ersten Opferschicht eine elektrisch leitfähige Schicht auf dem Substrat aufgebracht und lateral innerhalb des Randbereichs strukturiert.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens ist der Ätzzugang lateral und unterhalb der Membran zumindest mit der ersten und/oder dritten Opferschicht verbunden.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens erfolgt in weiteren Schritten ein Strukturieren der ersten leitfähigen Schicht derart, dass in einem ersten Bereich die erste leitfähige Schicht entfernt wird und der erste Bereich einen ersten Teilbereich der ersten leitfähigen Schicht eingrenzt, wobei im ersten Teilbereich die erste leitfähige Schicht eine erste Elektrode bildet; ein Anordnen der ersten Opferschicht auf der ersten leitfähigen Schicht und im ersten Bereich und Strukturieren der mindestens ersten Opferschicht derart, dass in einem zweiten Bereich die erste leitfähige Schicht freigelegt wird und sich der zweite Bereich lateral außerhalb des ersten Teilbereichs befindet, wobei der zweite Bereich einen Innenbereich eingrenzt; ein Anordnen der Hilfsschicht auf der mindestens ersten Opferschicht und im zweiten Bereich und Strukturieren der Hilfsschicht derart, dass in der Hilfsschicht Ausnehmungen bis zur mindestens ersten Opferschicht eingebracht werden, welche sich über dem ersten Bereich und in einem dritten Bereich befinden, wobei der dritte Bereich lateral außerhalb des ersten Teilbereichs und der zweiten Bereichs liegt, wobei die Hilfsschicht im ersten Teilbereich einen ersten Zwischenträger bildet; ein Anordnen der dritten Opferschicht auf der Hilfsschicht im ersten und dritten Bereich und Strukturieren der dritten Opferschicht derart, dass die Ausnehmungen über dem zweiten Bereich und über dem ersten Teilbereich durch die dritte Opferschicht und bis zur Hilfsschicht ausgeformt werden; ein Anordnen einer Membran auf der dritten Opferschicht und in den Ausnehmungen im ersten Teilbereich und im zweiten Bereich und Einbringen des Ätzzugangs in der Membran im dritten Bereich, wobei im zweiten Bereich die Hilfsschicht den Randbereich bildet, in welchem die Membran verankert ist, und die Membran in den Ausnehmungen im ersten Teilbereich der dritten Opferschicht Kontaktstellen zwischen der Membran und dem ersten Zwischenträger bildet; und zumindest teilweises Entfernen der mindestens ersten Opferschicht und der dritten Opferschicht durch einen Ätzvorgang durch den Ätzzugang, wobei die Membran im Innenbereich mit einem durch einen Druck beweglichen Bereich ausgeformt wird und die erste Elektrode um einen ersten Abstand vom ersten Zwischenträger beabstandet ist.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens wird eine zweite Opferschicht und/oder vierte Opferschicht auf der ersten Opferschicht und/oder auf der dritten Opferschicht angeordnet, welche mit der ersten Opferschicht und/oder mit der dritten Opferschicht in gleichen Bereichen strukturiert und entfernt wird.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens wird die Hilfsschicht im dritten Bereich und/oder im ersten Bereich (B1) vollständig entfernt.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens wird die dritte Opferschicht auf der Hilfsschicht und in deren Ausnehmungen aufgebracht. Die dritte Opferschicht wird derart strukturiert, dass Ausnehmungen in den Bereichen ausgeformt werden, in denen die Hilfsschicht im nächsten Verfahrensschritt entfernt werden soll, bevorzugt im ersten und/oder dritten Bereich. Anschließend werden Teile der Hilfsschicht durch die Ausnehmungen in der dritten Opferschicht bevorzugt durch ein isotropes Ätzverfahren entfernt. Anschließend wird eine vierte Opferschicht auf der dritten Opferschicht und in deren Ausnehmungen derart abgeschieden, dass die Ausnehmungen verschlossen werden. Weiter erfolgt eine Strukturierung der dritten und vierten Opferschicht derart, dass Ausnehmungen mindestens bis zur Hilfsschicht ausgeformt werden.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens wird die Membran mit einem Referenzbereich ausgeformt, welcher einen Teilbereich der Membran darstellt und in welchem die Hilfsschicht mit zumindest einer Stützstelle ausgeformt wird, welche die Hilfsschicht mit einem von der leitfähigen Schicht elektrisch getrennten Bereich verbindet und die Hilfsschicht auf diesem abstützt.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels erfolgt bei dem Verfahren zum Herstellen einer Sensoreinrichtung ein Bereitstellen eines Substrats und ein Ausbilden einer ersten Isolatorschicht auf dem Substrat; ein Anordnen einer ersten leitfähigen Schicht auf der ersten Isolatorschicht und ein Strukturieren der ersten leitfähigen Schicht derart, dass in einem ersten Bereich die erste leitfähige Schicht entfernt wird und der erste Bereich einen ersten Teilbereich der ersten leitfähigen Schicht eingrenzt, wobei im ersten Teilbereich die erste leitfähige Schicht eine erste Elektrode bildet; ein Anordnen mindestens einer ersten Opferschicht auf der ersten leitfähigen Schicht und im ersten Bereich und ein Strukturieren der mindestens ersten Opferschicht derart, dass in einem zweiten Bereich die erste leitfähige Schicht freigelegt wird und sich der zweite Bereich lateral außerhalb des ersten Teilbereichs befindet, wobei der zweite Bereich einen Innenbereich eingrenzt. Des Weiteren erfolgt ein Anordnen einer Hilfsschicht auf der mindestens ersten Opferschicht und im zweiten Bereich und ein Strukturieren der Hilfsschicht derart, dass in der Hilfsschicht Ausnehmungen bis zur mindestens ersten Opferschicht eingebracht werden, welche sich über dem ersten Bereich und in einem dritten Bereich befinden, wobei der dritte Bereich lateral außerhalb des ersten Teilbereichs und der zweiten Bereichs liegt, wobei die Hilfsschicht im ersten Teilbereich einen ersten Zwischenträger bildet; ein Anordnen einer dritten Opferschicht auf der Hilfsschicht im ersten und dritten Bereich und ein Strukturieren der dritten Opferschicht derart, dass Ausnehmungen über dem zweiten Bereich und über dem ersten Teilbereich durch die dritte Opferschicht und bis zur Hilfsschicht ausgeformt werden, und Einschließen eines definierten Druckes.
Bei der Membran kann es sich vorteilhaft um eine Membranschicht oder eine Schichtenfolge handeln.
Die mit dem erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Sensoreinrichtung kann vorteilhaft als ein mikromechanisches Bauelement (MEMS) ausgeführt sein, vorteilhaft als ein Sensor.
Des Weiteren erfolgt ein Anordnen einer Membran auf der dritten Opferschicht und in den Ausnehmungen im ersten Teilbereich und im zweiten Bereich und ein Einbringen von Ätzzugängen in der Membran im dritten Bereich, wobei im zweiten Bereich die Hilfsschicht eine Randstruktur bildet, in welcher die Membran verankert ist, und die Membran in den Ausnehmungen im ersten Teilbereich der dritten Opferschicht Kontaktstellen zwischen der Membran und dem ersten Zwischenträger bildet. Des Weiteren erfolgt ein zumindest teilweises Entfernen der mindestens ersten Operschicht und der dritten Opferschicht durch einen Ätzvorgang durch die Ätzzugänge, wobei die Membran im Innenbereich mit einem durch einen Druck beweglichen Bereich ausgeformt wird und die erste Elektrode um einen ersten Abstand vom ersten Zwischenträger beabstandet ist; und ein Verschließen der Ätzzugänge mit einem Verschlussmaterial.
Die Membran kann vorteilhaft auch als zumindest eine Membranschicht ausgeformt sein.
Der dritte Bereich kann eine begrenzende Si-Umrahmung als Ätzstopp bilden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine zweite Opferschicht auf der ersten Opferschicht und/oder auf der dritten Opferschicht angeordnet, welche mit der ersten Opferschicht und/oder mit der dritten Opferschicht in gleichen Bereichen strukturiert und entfernt wird.
In einem solchen Fall kann auf der (mindestens) ersten Opferschicht die zweite Opferschicht aufgebracht werden und beim nachträglichen Strukturieren, etwa der Hilfsschicht, diese bereichsweise bis zur zweiten Opferschicht entfernt werden. Beide Opferschichten können das gleiche Material umfassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weist die Hilfsschicht beim Anordnen eine größere Dicke auf als 50 % der Dicke der Membran.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden bei dem Strukturieren der Hilfsschicht im ersten Bereich und/oder im dritten Bereich mehrere vertikale Gräben in die Hilfsschicht eingebracht, welche schmäler sind als die Dicke der Hilfsschicht, sodass beim Anordnen der zweiten Isolatorschicht in den Gräben zumindest ein Hohlraum in der dritten Opferschicht erzeugt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden bei dem Strukturieren der Hilfsschicht im ersten Bereich; und/oder im zweiten Bereich und/oder im dritten Bereich und oder im ersten Teilbereich mehrere vertikale Gräben in die Hilfsschicht eingebracht, welche schmäler sind als die Dicke der Hilfsschicht, sodass beim Anordnen der zweiten Isolatorschicht in den Gräben zumindest ein Hohlraum in der dritten Opferschicht erzeugt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Hilfsschicht im ersten Bereich vollständig entfernt.
Optional kann die Hilfsschicht auch im Bereich außerhalb des dritten Bereichs teilweise oder vollständig entfernt werden.
Das Entfernen der Hilfsschicht geschieht vorteilhaft über schmale Öffnungen in der dritten Opferschicht, vorzugsweise durch ein Gasphasenätzverfahren. Nach dem Herauslösen der Hilfsschicht über diese Öffnungen, können die schmalen Öffnungen in der dritten Opferschicht durch die anschließende aufgebrachte vierte Opferschicht verschlossen werden. Die Schlitze in der dritten Opferschicht können schmäler als die Hälfte der Dicke der vierten Opferschicht (Verschlussschicht) ausgeformt sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Ätzvorgang beim anschließenden Verschließen ein bestimmter Innendruck zwischen der Membran und der ersten leitfähigen Schicht erzeugt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Membran mit einem Referenzbereich ausgeformt, welcher einen Teilbereich der Membran darstellt und in welchem die Hilfsschicht mit zumindest einer Stützstelle ausgeformt wird, welche die Hilfsschicht mit einem von der leitfähigen Schicht elektrisch getrennten Bereich verbindet und die Hilfsschicht auf diesem abstützt. Der Referenzbereich kann vorteilhaft auch in einem getrennten (separaten) Membranbereich ausgeformt werden. Unter dem Referenzbereich kann eine vorteilhaft separate Referenzelektrode angeordnet sein.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels umfasst die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Sensoreinrichtung ein Substrat; eine Randstruktur, welche auf dem Substrat angeordnet ist und einen Innenbereich über dem Substrat eingrenzt; eine Membran, welche an der Randstruktur verankert ist und den Innenbereich zumindest teilweise überspannt, wobei die Membran im Innenbereich einen durch einen Druck beweglichen Bereich umfasst; einen ersten Zwischenträger, welcher sich im beweglichen Bereich unterhalb der Membran erstreckt und mit der Membran durch Kontaktstellen verbunden ist; und eine erste Elektrode auf dem Substrat, welche sich unter dem ersten Zwischenträger erstreckt, wobei ein erster Abstand zwischen dem ersten Zwischenträger und der ersten Elektrode durch den Druck auf den beweglichen Bereich veränderbar ist, wobei ein definierter Druck zwischen dem ersten Zwischenträger und dem Substrat eingeschlossen ist.
Zumindest eine Öffnung als Ätzzugang kann auch (lateral) außerhalb des Randbereiches angeordnet sein.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Sensoreinrichtung kann sich vorteilhaft auch durch die bereits in Verbindung mit dem Verfahren genannten Merkmale und deren Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung kann es sich vorteilhaft um eine kapazitive Sensoreinrichtung handeln, da die Membran mit dem Zwischenträger und der ersten Elektrode einem Kondensator entsprechen kann.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung umfasst die Membran zumindest einen Referenzbereich als einen Teilbereich der Membran, in welchem der erste Zwischenträger zumindest eine Stützstelle umfasst, welche den ersten Zwischenträger mit einem von der ersten Elektrode elektrisch getrennten Bereich verbindet und den ersten Zwischenträger auf dem getrennten Bereich abstützt.
Der Referenzbereich kann auch von einer weiteren, zusätzlichen Membran gebildet werden. Es ist möglich, dass die Membran oder mehrere Membranen vier Membranbereiche bilden, mit je zwei beweglichen Membranen und zwei nicht beweglichen, fixierten Membranen(bereichen).
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung umfasst die Membran eine gleiche Zahl von Referenzbereichen und beweglichen Bereichen, welche miteinander als eine Wheatstone-Brücke verschaltet sind.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung ist die Membran über die Randstruktur elektrisch kontaktiert.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten r Sensoreinrichtung ist der erste Zwischenträger in einer ersten Richtung in einzelne Zwischenträgerelemente segmentiert und die einzelnen Elemente sind in einer zweiten Richtung, welche von der ersten Richtung abweicht, durchgängig ausgeführt.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung ist ein mittlerer Abstand zwischen zwei benachbarten Zwischenträgerelementen geringer als eine Dicke des ersten Zwischenträgers.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung sind die Zwischenträgerelemente vollständig voneinander getrennt.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung überdeckt die Membran den gesamten Bereich der durch die Randstruktur umfasst wird.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung besteht die Membran aus mindestens einer Polysilizumschicht.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung besteht die Membran aus mindestens einem durchgängigen Material gleicher Schichtdicke.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung sind die Zwischenträgerelemente auf mehr als 70% Länge der Zwischenträgerelemente voneinander getrennt.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung ist jedes Zwischenträgerelement in einer zweiten Richtung vollständig oder zu mindestens 70 % mit der Membran verbunden.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung besteht die Membran aus mindestens einem durchgängigen Material ohne Ausnehmung.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung ist in der Randstruktur mindestens in einem Bereich ein Hohlraum vorgesehen.
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sensoreinrichtung ist der Hohlraum auf Höhe der Hilfsschicht ausgebildet.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Sensoreinrichtung kann derart ausgeformt sein, dass sich im Bereich zwischen der Randstruktur und dem ersten Zwischenträger mindestens ein Hohlraum von der Randstruktur bis zur Zwischenträger erstreckt. Des Weiteren kann der Hohlraum auf Höhe der Hilfsschicht ausgebildet sein, etwa als Medienzugang.
Der von der Randstruktur umfassende Hohlraum kann sich über einen Kanal in einen Bereich außerhalb der Randstruktur erstreckt und hermetisch von der Umgebung abgeschlossen sein. Die Membranschicht kann sich über die Randstruktur hinaus erstrecken und dort eine Ausnehmung aufweist.
Nach dem Ätzen der Opferschichten kann eine Kaverne unter dem Zwischenträger und seitlich davon ausgeformt sein, was einem eingeschlossenen Referenzdruck gleichkommen kann.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Sensoreinrichtung kann vorteilhafterweise ein Drucksensor realisiert werden. Alternativ kann jedoch mit der beschriebenen Sensoranordnung und insbesondere des hergestellten Membransensors jede andere Art von Sensor realisiert werden, bei dem eine bewegliche Membran über einer Kaverne angeordnet ist. So ist denkbar, die Sensoreinrichtung im Rahmen eines Drehraten- oder Beschleunigungssensors zu verwenden. Hierbei kann die Bewegung der Membran bzw. der damit verbundenen Elektroden als Maß für eine Drehrate oder eine Beschleunigung verwendet werden. Auch die Kombination des Aufbaus mit der Erfassung anderen physikalischer und/oder chemischer Sensorgrößen ist möglich. So ist denkbar, in die Membran weitere Sensorelemente einzubringen, wie Piezoelemente, Temperaturelemente oder Schichten, die aufgrund der Aufnahme oder Anwesenheit von vorgegebenen chemischen Verbindungen ihre elektrische Leitfähigkeit ändern. Denkbar sind hier beispielsweise Luftmassensensoren, Gassensoren oder Feuchtesensoren.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand des in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht einer Sensoreinrichtung nach einem Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der Sensoreinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Seitenansicht einer Sensoreinrichtung nach einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der Sensoreinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Seitenansicht einer Sensoreinrichtung nach einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der Sensoreinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Seitenansicht einer Sensoreinrichtung nach einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der Sensoreinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Seitenansicht einer Sensoreinrichtung nach einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der Sensoreinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
5a eine schematische Draufsicht auf eine Sensoreinrichtung nach einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der Sensoreinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Seitenansicht einer Sensoreinrichtung;
7 eine weitere schematische Seitenansicht einer Sensoreinrichtung;
8 eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Sensoreinrichtung;
9 eine schematische Seitenansicht einer Sensoreinrichtung; und
10 eine schematische Draufsicht auf eine Sensoreinrichtung

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Sensoreinrichtung nach einem Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der Sensoreinrichtung.
Die 1 zeigt ein Substrat 2, auf welchem eine erste Isolatorschicht 3 ausgebildet ist. In weiterer Folge wird eine erste leitfähige Schicht 4 auf der ersten Isolatorschicht 3 angeordnet und es erfolgt ein Strukturieren der ersten leitfähigen Schicht 4 derart, dass in einem ersten Bereich B1 die erste Isolatorschicht 3 freigelegt wird, wobei der erste Bereich B1 einen ersten Teilbereich T1 der ersten leitfähigen Schicht 4 eingrenzt, wobei im ersten Teilbereich T1 die erste leitfähige Schicht 4 eine erste Elektrode E1 bildet und vorteilhaft auch eine Leiterbahn bilden kann. Die erste leitfähige Schicht 4 kann eine dotierte Polysiliziumschicht umfassen. Weiterhin erfolgte ein Anordnen einer ersten Opferschicht O1 auf der ersten leitfähigen Schicht 4 und im ersten Bereich B1 und ein Strukturieren der ersten Opferschicht O1 derart, dass in einem zweiten Bereich B2 die erste Opferschicht O1 entfernt wird und sich der zweite Bereich B2 lateral außerhalb des ersten Teilbereichs T1 befindet, wobei der zweite Bereich B2 einen Innenbereich IB eingrenzt. An einem lateralen Außenbereich B22, welcher lateral außerhalb des zweiten Bereichs B2 liegen kann, kann die erste Opferschicht O1, oder falls vorhanden auch eine zweite Opferschicht 02 auf dieser, entfernt werden. In der 1 wird hierbei weiterhin noch gezeigt, dass eine zusätzliche Isolatorschicht, vorteilhaft eine nicht leitfähige Schicht 3b, welche auch mehrere Einzelschichten umfassen kann, zwischen der ersten Isolatorschicht 3 und der ersten leitfähigen Schicht 4 befinden kann. Die zusätzliche Isolatorschicht 3b kann im weiteren Verfahren als Ätzstopp dienen, welche eine siliziumreiche Nitridschicht umfassen kann. Die zusätzliche Isolatorschicht 3b kann vor oder nach dem Abscheiden der ersten leitfähigen Schicht strukturiert werden. Die erste Isolatorschicht 3, und bei Vorhandensein auch die zusätzliche Isolatorschicht 3b, können auch strukturiert werden, und mit Ausnehmungen versehen werden, um einen Substratkontakt herstellen zu können. Des Weiteren kann eine zweite Opferschicht 02 auf der ersten Opferschicht O1 -angeordnet werden, welche mit der ersten Opferschicht O1 in gleichen Bereichen strukturiert und entfernt werden kann. Die erste und/oder zweite Opferschicht O1, 02 kann beispielsweise eine Oxidschicht (Siliziumoxid) umfassen. Durch zwei Opferschichten kann der Abstand zwischen der ersten Elektrode E1 und den nachfolgenden Elementen, wie etwa der Hilfsschicht 5 aus der 3 in zwei Stufen eingestellt werden, also in unterschiedlichen Bereichen können etwa unterschiedliche Abstände erzeugt werden. Die Hilfsschicht 5 kann als eine Halbleitermaterialschicht ausgebildet sein.
Unterhalb der ersten leitfähigen Schicht 4 kann auf dem Substrat 2 eine Isolatorschicht 3b vorteilhaft als eine Stoppschicht für einen Ätzprozess ausgeformt sein, um die erste Isolator-Schicht 3 beim Opferschichtätzen nicht anzugreifen und damit eine Unterätzung der ersten leitenden Schicht 4 zu verhindern. Die angewandten Materialien können SiRiN, SiC, oder weitere sein, da diese langsamer geätzt werden als SiO2.
Die Sensoreinrichtung kann als eine Drucksensoreinrichtung ausgeformt werden.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Sensoreinrichtung nach einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensschritt des Verfahrens zum Herstellen der Sensoreinrichtung.
Nachdem die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte beispielsweise wie in der 1 gezeigt abgeschlossen wurden kann in weiterer Folge gemäß der 2 ein Anordnen einer Hilfsschicht 5 auf der ersten Opferschicht O1 und im zweiten Bereich B2 und ein Strukturieren der Hilfsschicht 5 derart erfolgen, dass in der Hilfsschicht 5 Ausnehmungen, vorteilhaft bis zur ersten Opferschicht O1, oder bis zur zweiten Opferschicht 02, falls diese auf der ersten Opferschicht O1 aufgebracht ist, eingebracht werden, welche sich über dem ersten Bereich B1 und in einem dritten Bereich B3 befinden, wobei der dritte Bereich B3 lateral außerhalb des ersten Teilbereichs T1 und des zweiten Bereichs B2 liegt, wobei die Hilfsschicht 5 im ersten Teilbereich T1 einen ersten Zwischenträger ZT1 bildet. Bei dem Strukturieren der Hilfsschicht 5 im ersten Bereich B1 und/oder im dritten Bereich B3 können mehrere vertikale Gräben G in die Hilfsschicht 5 eingebracht werden, welche schmäler sind als die Dicke der Hilfsschicht 5.
Als Hilfsschicht 5 kann eine Polysiliziumschicht abgeschieden werden. Bevorzugt kann eine Schichtdicke gewählt werden, welche größer ist als 50% der Membranschichtdicke, welche gemäß der 5 gebildet wird, um eine gute Versteifung in einzelnen Bereichen zu ermöglichen. Bevorzugt wird mindestens eine 500nm dicke Schicht abgeschieden, um eine hohe Stabilität erreichen zu können in lateralen Randbereichen der Hilfsschicht. Bevorzugt kann ein Ätzverfahren verwendet werden, durch welches senkrechte Gräben oder Ausnehmungen in der Hilfsschicht erzeugt werden können, um die Hilfsschicht zu strukturieren. Bevorzugt kann dabei ein Trenchverfahren verwendet werden.
Durch die Gräben G und den dadurch entstandenen Ätzzugang können die Opferschichten O1 und O2 zwischen der Hilfsschicht und der ersten leitfähigen Schicht beliebig dünn ausgeführt werden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass sich nach einer Abscheidung einer dritten Opferschicht 6 bzw. 03 in den Gräben G laterale Hohlräume H bilden, durch die sich ein Ätzmedium sehr schnell ausbreiten kann und somit einen Ätzzugang seitlich neben der noch zu bildenden Membran, insbesondere mittels der Hilfsschicht 5, im dritten Bereich B3 ermöglicht (siehe hierzu die 3).
3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Sensoreinrichtung nach einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensschritt des Verfahrens zum Herstellen der Sensoreinrichtung.
Nachdem die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte beispielsweise wie in der 2 gezeigt abgeschlossen wurden kann in weiterer Folge gemäß der 3 ein Anordnen einer dritten Opferschicht 6, 03 auf der Hilfsschicht 5 im ersten B1 und dritten Bereich B3 erfolgen. In den Gräben G können bei ausreichend schmaler Dimensionierung der seitlichen Ausdehnung bei Einbringen der dritten Opferschicht 6, 03 Hohlräume H ausgeformt werden.
Des Weiteren können in der dritten Opferschicht 6, 03, welche selbst auch als eine Opferschicht, etwa als Oxidschicht (Siliziumoxid), ausgeformt werden kann, schmale Ausnehmungen A1 erzeugt werden.
4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Sensoreinrichtung nach einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der Sensoreinrichtung.
Die in der 3 ausgeformten Ausnehmungen A1 in der dritten Opferschicht 6, 03 können dazu dienen, mit einer beispielsweise isotropen Ätzung Teile der Hilfsschicht 5 unter der dritten Opferschicht 6, 03 zu entfernen, was nachfolgend in Hohlräumen H1 gemäß der 4 resultieren kann.
Die Hilfsschicht 5 kann so im dritten Bereich B3 und/oder im ersten Bereich B1 vollständig entfernt werden. Die als Schlitze ausgeformten Ausnehmungen A1 können anschließend mit einer weiteren Oxidabscheidung (Siliziumoxid), etwa einem Material einer Opferschicht, etwa einer zweiten Opferschicht 02 bzw. vierten Opferschicht 04, verschlossen werden und einen großen Hohlraum H1 bilden, gegebenenfalls zusammen mit den zuvor erzeugten Hohlräumen H. Damit kann beim späteren Anordnen der Membran (5) in einzelnen Bereichen ein sehr großer Abstand zwischen Membran und erster Elektrode E1 mit sehr geringer Kapazität erzeugbar sein. Die Hohlräume H, H1 können bei einem späteren Entfernen der dritten Opferschicht 6, 03 und der Opferschichten O1, 02 und 04 als beschleunigendes Element zur besseren Ausbreitung des Ätzmediums dienen. Die Wahl, an welchen Bereichen diese Hohlräume ausgeformt werden kann zur Beeinflussung der Ätzwirkung (räumliche Ausdehnung) genutzt werden und lokal unterschiedlich gewählt werden.
Es erfolgt weiterhin ein Strukturieren der dritten Opferschicht 6, 03 derart, dass Ausnehmungen über dem zweiten Bereich B2 (und optional auch B22, wie in 1 und 5 gezeigt) und über dem ersten Teilbereich T1 durch die dritte Opferschicht 6 und bis zur Hilfsschicht 5 ausgeformt werden. Hierbei kann auch eine zweite Opferschicht 02 bzw. vierte Opferschicht 04 auf der dritten Opferschicht 6, 03 ausgebildet werden, welche in gleichen Bereichen strukturiert werden kann, wie die dritte Opferschicht 6, 03.
5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Sensoreinrichtung nach einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der Sensoreinrichtung.
Nachdem die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte, beispielsweise wie in der 4 gezeigt, abgeschlossen wurden, kann in weiterer Folge gemäß der 5 ein Anordnen einer Membran(schicht) 7 auf der dritten Opferschicht 03 und/oder vierten Opferschicht 04 und in den Ausnehmungen im ersten Teilbereich T1 und im zweiten Bereich B2 (und optional auch B22) und ein Einbringen von Ätzzugängen A bzw. A' in der Membran(schicht) 7 im dritten Bereich B3 erfolgen, wobei im zweiten Bereich B2, und vorteilhaft vom ersten Bereich B1 aus gesehen lateral außerhalb, die Hilfsschicht 5 eine Randstruktur RS bilden kann, in welcher die Membran 7 verankert sein kann, und die Membran 7 in den Ausnehmungen im ersten Teilbereich T1 der dritten Opferschicht 6, 03 und/oder vierten Opferschicht 04 vorteilhaft mehrere Kontaktstellen KS zwischen der Membran(schicht) 7 und dem ersten Zwischenträger ZT1 bildet kann, vorteilhaft das Material der Membran 7 umfassend. Die Membran 7 kann beispielsweise eine Polysiliziumschicht umfassen. Die Randstruktur RS kann sich somit vorteilhaft lateral außerhalb jener Bereiche der Membran 7 befinden, welche durch den äußeren Druck beweglich sein können. Die Randstruktur RS kann die Membran 7 vorteilhaft an mehreren Bereichen lateral umgeben. In der Randstruktur kann die Hilfsschicht 5 als zweiter Zwischenträger ZT2 verbleiben, welcher bereichsweise mit der elektrisch leitfähigen Schicht 4 und der Membranschicht 7 verbunden sein kann und diese elektrisch kontaktieren kann. Ein derart entstehender umlaufender Rahmen, vorteilhaft im lateralen Außenbereich B22, kann als Ätzstopp außerhalb der Membranaufhängung des Bereich B2 dienen.
Die 5 zeigt eine Schnittebene, wobei sich lateral dahinter in einer anderen Schnittebene (nicht gezeigt), etwa wie in der 5a gezeigt, Gräben G' im Zwischenträger, zwischen dessen Segmenten, von links nach rechts erstrecken können und auch bis in die Randstruktur RS hineinreichen und/oder auch durch die Randstruktur RS hindurch erstrecken können. Die Gräben G' befinden sich dabei in einem Ausführungsbeispiel zwischen den einzelnen Zwischenträgern ZT1, quasi um sie voneinander zu separieren. In der Schnittzeichnung der 5 sind sie nicht sichtbar, da sie parallel zum dargestellten Schnitt angeordnet sind (siehe hierzu die 5a). Somit stellt jede einzelner Zwischenträger ZT1 zusammen mit dem Membranbereich, an dem der Zwischenträger ZT1 verbunden ist, eine Boss-Membran dar. Durch die Gräben G', die die Zwischenträger mechanisch voneinander trennt, lässt sich eine flexiblere Bewegung der Membran erreichen, indem kleinteiligere Bewegungen der Membran beim Anlegen eines äußeren Drucks möglich sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Zwischenträger ZT1 nebeneinander angeordnet sind und dazwischen ein Graben G' vorgesehen ist, der die beiden Zwischenträger räumlich trennt (siehe 5a). Indem der Graben G' einen ausreichend großen Abstand zwischen den Zwischenträgern ZT1 erzeugt, kann es bei einer Durchbiegung der Membran nicht dazu kommen, dass die nebeneinander liegenden Zwischenträger ZT1 sich berühren. Optional kann auch vorgesehen sein, die Gräben G' direkt in die Hilfsschicht 5 einzubringen, , um den durch diese Hilfsschicht 5 erzeugten ersten Zwischenträger ZT1 in mehrere voneinander beabstandete Segmente zu unterteilen.
In einer alternativen Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass die Gräben innerhalb des Zwischenträgers ZT1 entlang der strichpunktierten Linie gemäß der 5 verlaufen. Hierbei kann erreicht werden, dass ein Ätzkanal erzeugt wird, durch die eine gleichmäßige und vollständige Ätzung der Opferschichten zur Freistellung des Zwischenträgers ermöglicht wird.
5a zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Sensoreinrichtung nach einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der Sensoreinrichtung.
Durch die Ätzzugänge A bzw. A' (siehe 5 als seitliche Variante des Ätzzugangs A) lateral außerhalb des/der beweglichen Bereichs/Bereiche kann ein von der Membran separierter seitlicher Ätzzugang A geschaffen werden und unterstützend durch längliche Gräben G' zwischen Segmenten des Zwischenträgers (ZT1) und innerhalb der Randstruktur RS kann ein Ätzen der Opferschichten vorteilhaft von der Seite und beschleunigt erfolgen. Der Zwischenträger ZT1 kann mehrere bewegliche Bereiche BB als Segmente umfassen, die sich in einer Richtung vollständig verbunden mit der Membran MS (MS entspricht der Membran 7 aus der 6) erstrecken können und in einer anderen Richtung durch die Gräben G separiert sein können.
6 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Sensoreinrichtung.
Nachdem die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte, beispielsweise wie in der 5 gezeigt, abgeschlossen wurden kann in weiterer Folge gemäß der 6 ein zumindest teilweises Entfernen der ersten Opferschicht O1 und der dritten Opferschicht 6, 03 und vorteilhaft der zweiten Opferschicht 02 und/oder vierten Opferschicht 04 durch einen Ätzvorgang durch die Ätzzugänge A erfolgen, wobei die Membranschicht 7 im Innenbereich IB mit einem durch einen Druck p beweglichen Bereich BB ausgeformt wird und die erste Elektrode E1 um einen ersten Abstand d12 vom ersten Zwischenträger ZT1 beabstandet ist. Der Ätzvorgang kann sich von der Randstruktur RS lateral in den Innenbereich IB hinein ausbreiten über die zuvor angelegten Ätzkanäle bzw. Hohlräume H und H1, wobei je nach Ätzdauer auch Teilbereiche der ersten und/oder zweiten Opferschicht und/oder dritten Opferschicht 6, 03 und/oder der vierten Opferschicht 04 vorhanden bleiben können, beispielsweise außerhalb des Innenbereichs IB in der Randstruktur RS. Des Weiteren kann ein Verschließen der Ätzzugänge A mit einem Verschlussmaterial V erfolgen, beispielsweise um einen vorteilhaft definierten Gasinnendruck oder Vakuum im Inneren der Sensoreinrichtung unterhalb der Membran(schicht) 7 einzuschließen. Das Verschlussmaterial V kann vorteilhaft Verschlussstopfen V ausformen, welche mit einem Schutzmaterial V1 überzogen sein können. Die Verschlussstopfen V können einen Verschluss seitlich außerhalb der beweglichen Membran bilden und eine Randstruktur RS durchsetzt mit Ätzkanälen (verschlossenen nach dem Ätzen) bilden.
Das Verschlussmaterial V kann mittels LPCVD oder PECVD-Abscheideverfahren aufgebracht oder ausgebildet werden. Hierbei kann eine siliziumreiche Nitridschicht abgeschieden werden. Des Weiteren ist es möglich, dass weitere Funktionsschichten oder Schutzschichten auf der Membran(schicht) und/oder dem Verschlussmaterial V abgeschieden werden können, etwa als Kontaktbereiche, Leiterbahnen oder als Diffusionsschutz oder als Korrosionsschutz. Das Schutzmaterial V1 kann auch eine Verbindungsschicht zwischen zwei Verschlussstopfen V bilden. Als Ätzverfahren kann ein HF-Gasphasen-Ätzverfahren (Fluorwasserstoff) verwendet werden. Im Innenbereich können die Opferschichten unter der Hilfsschicht bevorzugt vollständig entfernt werden, ebenso können in diesen Bereichen die Opferschicht(en) O1, 02 und die dritte Opferschicht 03 und/oder die vierte Opferschicht 04 vollständig entfernt werden.
Da zur Randstruktur RS hin der erste Zwischenträger ZT1 entfernt sein kann, kann vorteilhaft ein kapazitives Grundsignal zum Rand hin, in diesen Bereich die nur wenig zum Signaländerung beitragen können sehr stark reduziert werden. Die Kontaktstellen KS könnten sich beispielsweise jeweils auch über einen größeren flächigen Bereich erstrecken, etwa mehrere Kontaktstellen zusammenhängen. Durch die Verbindung der Membran(schicht) 7 und des ersten Zwischenträgers ZT1 kann eine Versteifung der Membran erzielt werden, wobei durch die Versteifung der Membran in diesem Bereich das kapazitive Signal erhöht werden kann, da der gesamte Bereich ungefähr die gleiche Auslenkung erfährt und nicht wie bei einer normalen Membran nur in der Mitte die maximale Auslenkung erreicht werden kann. Weiterhin kann der Zwischenträger ZT1 im beweglichen Bereich auch an dessen Ränder hinreichen, so dass auch dieser Bereich, in dem die Membran sich nur wenig verbiegen kann, zur Signalerzeugung genutzt werden kann und ein in Summe sehr kleiner Chip bei großem Signal gebaut werden kann.
7 zeigt eine weitere schematische Seitenansicht einer Sensoreinrichtung.
Die Sensoreinrichtung 1 kann auch zumindest einen Referenzbereich RfB als einen Teilbereich der Membran 7 umfassen, in welchem der erste Zwischenträger ZT1 zumindest eine Stützstelle 8 umfasst, welche den ersten Zwischenträger ZT1 mit einem von der ersten Elektrode E1 elektrisch getrennten Bereich EB verbindet und den ersten Zwischenträger ZT1 auf dem getrennten Bereich EB abstützen kann. Die Geometrie des Referenzbereichs RfB kann sich vorteilhaft von jener des beweglichen Bereichs, etwa aus der 6, nur gering unterscheiden, so dass der Referenzbereich RfB und der bewegliche Bereich vorteilhaft die gleiche oder sehr ähnliche Kapazitäten umfassen können, vorteilhaft betreffend die jeweiligen Abstände zwischen erstem Zwischenträger ZT1 und der ersten Elektrode E1. Der Referenzbereich RfB kann ebenfalls im Innenbereich IB ausgeformt werden.
Des Weiteren kann der Referenzbereich RfB auf alle Umwelt und Systemeiflüsse sensibel sein, ähnlich dem beweglichen Bereich, außer auf den zur Bewegung der Membran vorherrschenden Druck. Dadurch können die anderen Einflüsse sehr gut kompensiert werden. Es ist ebenso möglich, dass der erste Abstand d12 zwischen ersten Zwischenträger ZT1 und erster Elektrode E1 im Referenzbereich RfB geringer gewählt werden kann als im beweglichen Bereich, insbesondere derart, dass dieser in etwa dem ersten Abstand im beweglichen Bereich bei einem von außen anliegenden Mittleren- oder Ziel oder Arbeitsdruck entsprechen kann. Dadurch ist es möglich, dass über eine vorteilhaft symmetrische und einfache Auswerteschaltung der auf die Membran wirkende Druck gut und genau bestimmt werden kann. Die Einstellung und Ausformung des ersten Abstands im Referenzbereich kann durch die Dicke der Opferschicht(en) - oder eine geeignete Strukturierung und Kombination der ersten und zweiten Opferschicht - zwischen der ersten Elektrode und der Hilfsschicht gesteuert werden. Beim Herstellen kann in der ersten Elektrode E1 ein Strukturieren im Referenzbereich erfolgen, um eine Ausnehmung in der ersten leitfähigen Schicht 4 innerhalb des Referenzbereichs zu erzeugen, vorteilhaft bis zu einer Isolatorschicht 3 oder 3b darunter, um den elektrisch getrennten Bereich EP herzustellen, wobei die Stützstelle 8 dann (nach dem Strukturieren der ersten Elektrode) auf dem Isolatormaterial ausgebildet werden kann (nicht gezeigt). Alternativ dazu kann der getrennte Bereich EP selbst auch noch das Material der ersten Elektrode E1 umfassen, jedoch lateral von dem Rest der ersten Elektrode E1 isoliert sein, vorteilhaft durch Gräben, welche in der ersten Elektrode E1 eingebracht sein können, und zumindest am gleichen Potential anliegen wie der erste Zwischenträger ZT1 im Referenzbereich RfB (gemäß der 7).
Der Referenzbereich RfB kann beispielsweise analog zum beweglichen Bereich und gleichzeitig mit diesem hergestellt werden. So kann ein erster Bereich B1 einen ersten Teilbereich T1 umgeben. Nach dem Aufbringen einer ersten Opferschicht O1 kann diese beim Strukturieren jedoch auch über dem ganzen Referenzbereich entfernt werden. Wenn danach eine zweite Opferschicht 02 aufgebracht wird, kann diese somit direkt auf die erste leitfähige Schicht im Referenzbereich RfB aufgebracht werden und somit die Dicke des ersten Abstands im Referenzbereich RfB eingestellt werden. Nachfolgend kann die zweite Opferschicht 02 auch über dem getrennten Bereich EP strukturiert werden und die Hilfsschicht mit dem getrennten Bereich EP verbunden werden und in einer Ausnehmung in diesem Bereich angeordnet werden. Der Referenzbereich RfB kann sich lateral neben dem beweglichen Bereich befinden, wobei der erste Zwischenträger ZT1 dann zwischen beweglichen Bereich und Referenzbereich unterbrochen sein kann. In der 7 kann der bewegliche Bereich hinter dem Referenzbereich angeordnet sein, beispielsweise getrennt durch die Randstruktur RS.
Durch die Verschlussstopfen V aus dem Verschlussmaterial V, wie auch in der 6 gezeigt, kann ein innerer Gasdruck oder ein Vakuum in der Kavität zwischen der Membran 7 und der ersten Elektrode E1 sowohl im Referenzbereich RfB und im beweglichen Bereich (wie in 6 gezeigt) eingeschlossen werden. Da sich die Verschlussstopfen V vorteilhaft außerhalb des beweglichen Bereichs BB befinden können, kann die Beanspruchung auf diese vorteilhaft reduziert sein, als ob diese im beweglichen Bereich BB angeordnet sein würden, da geringere Biegekräfte der Membran im Referenzbereich RfB wirken können. Somit kann vorteilhaft auf Verstärkungsschichten über der Membran 7 und den Verschlussstopfen V verzichtet werden, welche eine Bi-Metalleffekt an der Membran und eine Vergrößerung deren Trägheit bewirken könnten. Die Verschlussstopfen V können durch eine Abschlusskappe V1 an der Membran(schicht) 7 fixiert sein, wobei diese elektrisch leitfähig sein kann.
Insgesamt ist durch die vorliegende Ausführung ein geringer Abstand zwischen erster Elektrode E1 und Membran, insbesondere erstem Zwischenträger ZT1 realisierbar und durch den Versteifungseffekt des ersten Zwischenträgers ZT1 kann die Membran 7 selbst besonders dünn ausgeführt werden. Zudem können Ätzzugänge (A in der 5) neben der beweglichen Membran(schicht) realisiert werden, die zusätzliches Verschlussmaterial im Membranbereich vermeiden können. Die Membran 7 kann somit aus nur einem Material bestehen und homogen ausgeformt sein (beispielsweise kann diese ohne Ätzzugänge im beweglichen Bereich ausgeformt sein). Daher ist ein vergleichsweise kleiner Sensor erzielbar und kann durch dessen Dimensionen eine hohe kapazitive Signaländerung relativ du einem Grundsignal, etwa aus einer Ansteuerung, aufweisen.
8 zeigt eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Sensoreinrichtung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Sensoreinrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 eines Substrats; ein Anordnen S2 mindestens einer ersten Opferschicht auf dem Substrat; ein Anordnen S3 einer Hilfsschicht auf der mindestens ersten Opferschicht und Strukturieren der Hilfsschicht derart, dass in der Hilfsschicht zumindest ein Graben bis zur mindestens ersten Opferschicht eingebracht wird, wobei sich der Graben lateral innerhalb eines Randbereichs befindet, wobei der Randbereich zumindest teilweise eine laterale Umrandung auf dem Substrat darstellt; ein Anordnen S4 einer dritten Opferschicht zumindest in dem Graben; ein Aufbringen S5 einer Membran auf der Hilfsschicht und Einbringen von mindestens einem Ätzzugang in der Membran in dem Randbereich; zumindest teilweises Entfernen S6 der mindestens ersten Opferschicht und der dritten Opferschicht lateral innerhalb des Randbereichs durch einen Ätzvorgang durch den mindestens einen Ätzzugang und Verschließen S7 des mindestens einem Ätzzugangs mit einem Verschlussmaterial und Einschließen eines definierten Druckes.
Die 9 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Sensoreinrichtung.
In der 9 wird eine einfache Grundversion der Sensoreinrichtung gezeigt, wobei diese zumindest ein Substrat 2; einen Randbereich RB, RS, welcher auf dem Substrat 2 angeordnet ist und einen Innenbereich IB über dem Substrat 2 umfasst und diesen lateral eingrenzt. Eine Membran 7, welche an der Randstruktur RS verankert ist und den Innenbereich IB zumindest teilweise überspannt, wobei die Membran 7 im Innenbereich IB zumindest einen durch einen Druck p beweglichen Bereich BB umfasst, welcher eine Kaverne K zwischen der Membran 7 und dem Substrat 2 einschließt; und einen ersten Zwischenträger ZT1, welcher sich im beweglichen Bereich BB unterhalb der Membran 7 erstreckt und mit der Membran 7 verbunden ist und zumindest einen Graben G aufweist.
Durch die Gräben, welche einen Teil des Materials der dritten Opferschicht O3 aufweisen können, kann das Ätzen durch einen Medienzugang A und nachträglichem Verschluss V über die Kaverne K hinweg beschleunigt werden. Das Ätzen kann nur solange erfolgen, bis im Randbereich RS ein Rest der ersten Opferschicht O1 übrigbleibt und die Randstruktur RS, RB der Kaverne bilden kann. Optional kann die dritte Opferschicht auch auf die Oberseite der Hilfsschicht 5 aufgebracht werden und mit einem Ätzen nachträglich entfernt (wie in der 1 - 7) oder teilweise verbleiben. Im gezeigten Beispiel der 9 kann vor dem Aufbringen der Membran 7 die dritte Opferschicht über den Gräben rückgedünnt (planarisiert) werden.
Die 10 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Sensoreinrichtung. Die 10 zeigt eine Draufsicht auf die Sensoreinrichtung 1 aus der 9. Die Gräben G können quadratische Strukturen lateral innerhalb des Randbereichs RS bilden, also etwa im beweglichen Bereich BB, und der Ätzzugang A kann sich lateral außerhalb dieses befinden. Das Ätzen kann vom Zugang A über den Innenbereich IB mittels der Gräben beschleunigt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Herstellungsverfahrens vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Sensoreinrichtung (1) mit einer Membran (7), die eine Kaverne (K) überspannt, umfassend die Schritte: - Bereitstellen (S1) eines Substrats (2); - Anordnen (S2) mindestens einer ersten Opferschicht (O1) auf dem Substrat; - Anordnen (S3) einer Hilfsschicht (5) auf der mindestens ersten Opferschicht (O1) und Strukturieren der Hilfsschicht (5) derart, dass in der Hilfsschicht (5) zumindest ein Graben (G) bis zur mindestens ersten Opferschicht (O1) eingebracht wird, wobei sich der Graben (G) lateral innerhalb des Randbereichs (RB) befindet, wobei der Randbereich (RB) zumindest teilweise eine laterale Umrandung auf dem Substrat (2) darstellt; - Anordnen (S4) einer dritten Opferschicht (03) zumindest in dem Graben (G), wobei ein Hohlraum (H) in den Gräben (G) verbleibt; - Aufbringen (S5) einer Membran (7) auf der Hilfsschicht (5) und Einbringen von mindestens einem Ätzzugang (A) in der Membran im Randbereich (RB); - zumindest teilweises Entfernen (S6) der mindestens ersten Opferschicht (O1) und der dritten Opferschicht (03) lateral innerhalb des Randbereichs durch einen Ätzvorgang durch den mindestens einen Ätzzugang (A); und - Verschließen (S7) des mindestens einem Ätzzugangs (A) mit einem Verschlussmaterial (V) und Einschließen eines definierten Druckes (p1).
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die dritte Opferschicht (03) auch auf der Hilfsschicht (5) angeordnet wird und Strukturieren der dritten Opferschicht (03) derart, dass lateral innerhalb des Randbereichs (RB) Ausnehmungen (KS) bis zur Hilfsschicht (5) eingebracht werden, und wobei die Ausnehmungen (KS) mit einem Material der Membran (7) aufgefüllt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem vor dem Anordnen der ersten Opferschicht (01) eine elektrisch leitfähige Schicht (4) auf dem Substrat (2) aufgebracht wird und lateral innerhalb des Randbereichs (RB) strukturiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem der Ätzzugang (A) lateral und unterhalb der Membran (7) zumindest mit der ersten und/oder dritten Opferschicht (O1, O3) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem weitere Schritte erfolgen, umfassend - ein Strukturieren der ersten leitfähigen Schicht (4) derart, dass in einem ersten Bereich (B1) die erste leitfähige Schicht (4) entfernt wird und der erste Bereich (B1) einen ersten Teilbereich (T1) der ersten leitfähigen Schicht (4) eingrenzt, wobei im ersten Teilbereich (T1) die erste leitfähige Schicht (4) eine erste Elektrode (E1) bildet; - Anordnen der ersten Opferschicht (O1) auf der ersten leitfähigen Schicht (4) und im ersten Bereich (B1) und Strukturieren der mindestens ersten Opferschicht (O1) derart, dass in einem zweiten Bereich (B2) die erste leitfähige Schicht (4) freigelegt wird und sich der zweite Bereich (B2) lateral außerhalb des ersten Teilbereichs (T1) befindet, wobei der zweite Bereich (B2) einen Innenbereich (IB) eingrenzt; - Anordnen der Hilfsschicht (5) auf der mindestens ersten Opferschicht (O1) und im zweiten Bereich (B2) und Strukturieren der Hilfsschicht (5) derart, dass in der Hilfsschicht (5) Ausnehmungen bis zur mindestens ersten Opferschicht (O1) eingebracht werden, welche sich über dem ersten Bereich (B1) und in einem dritten Bereich (B3) befinden, wobei der dritte Bereich (B3) lateral außerhalb des ersten Teilbereichs (T1) und der zweiten Bereichs (B2) liegt, wobei die Hilfsschicht (5) im ersten Teilbereich (T1) einen ersten Zwischenträger (ZT1) bildet; - Anordnen der dritten Opferschicht (03) auf der Hilfsschicht (5) im ersten (B1) und dritten Bereich (B3) und Strukturieren der dritten Opferschicht (03) derart, dass die Ausnehmungen (KS) über dem zweiten Bereich (B2) und über dem ersten Teilbereich (T1) durch die dritte Opferschicht (03) und bis zur Hilfsschicht (5) ausgeformt werden; - Anordnen einer Membran (7) auf der dritten Opferschicht (03) und in den Ausnehmungen (KS) im ersten Teilbereich (T1) und im zweiten Bereich (B2) und Einbringen des Ätzzugangs (A) in der Membran (7) im dritten Bereich (B3), wobei im zweiten Bereich (B2) die Hilfsschicht (5) den Randbereich (RB) bildet, in welchem die Membran (7) verankert ist, und die Membran (7) in den Ausnehmungen im ersten Teilbereich (T1) der dritten Opferschicht (03) Kontaktstellen (KS) zwischen der Membran (7) und dem ersten Zwischenträger (ZT1) bildet; - zumindest teilweises Entfernen der mindestens ersten Operschicht (01) und der dritten Opferschicht (03) durch einen Ätzvorgang durch den Ätzzugang (A), wobei die Membran (7) im Innenbereich (IB) mit einem durch einen Druck (p) beweglichen Bereich (BB) ausgeformt wird und die erste Elektrode (E1) um einen ersten Abstand (d12) vom ersten Zwischenträger (ZT1) beabstandet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem eine zweite Opferschicht (02, 6a) oder vierte Opferschicht (04) auf der ersten Opferschicht (O1) und/oder auf der dritten Opferschicht (03, 6) angeordnet wird, welche mit der ersten Opferschicht (01) und/oder mit der dritten Opferschicht (6, 03) in gleichen Bereichen strukturiert und entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei welchem die Hilfsschicht (5) im dritten Bereich (B3) und/oder im ersten Bereich (B1) vollständig entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Membran (7) mit einem Referenzbereich (RfB) ausgeformt wird, welcher einen Teilbereich der Membran (7) darstellt und in welchem die Hilfsschicht (5) mit zumindest einer Stützstelle (8) ausgeformt wird, welche die Hilfsschicht (5) mit einem von der leitfähigen Schicht (4) elektrisch getrennten Bereich (EB) verbindet und die Hilfsschicht (5) auf diesem abstützt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die Hilfsschicht (5) oder in die erzeugten Zwischenträger (ZT1) wenigstens im ersten Teilbereich (T1) Gräben (G') erzeugt werden, mittels der eine Trennung in wenigstens zwei mit der Membran verbundene erste Zwischenträger (ZT1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass in die Hilfsschicht (5) oder in die erzeugten Zwischenträger (ZT1) wenigstens im ersten Teilbereich (T1) Gräben (G') erzeugt werden, mittels der eine des ersten Zwischenträgers (ZT1) in mehrere Segmente erfolgt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass diese Segmente keine direkte mechanische Verbindung zueinander aufweisen.