DE102019205347A1 - Mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensorvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensorvorrichtung mit einem Substrat (10), einer fixierten ersten Elektrode (12), welche aus einer direkt oder indirekt auf dem Substrat (10) angeordneten ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (16) gebildet ist, und einer in Bezug zu der ersten Elektrode (12) verstellbaren zweiten Elektrode (14), welche mittels einer Membran (22) über der ersten Elektrode (12) aufgehängt ist, wobei zumindest die zweite Elektrode (14) aus einer zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (24), welche auf einer von dem Substrat (10) weg gerichteten Seite der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (16) angeordnet ist, gebildet ist, und wobei eine Kappeneinrichtung (26) die Membran (22) überspannt, wobei die Kappeneinrichtung (26) aus einer dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht (28), welche auf einer von dem Substrat (10) weg gerichteten Seite der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (24) angeordnet ist, gebildet ist. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensorvorrichtung und eine kapazitive Sensorvorrichtung. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensorvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer kapazitiven Sensorvorrichtung.
  • Stand der Technik
  • In der DE 10 2009 000 403 A1 sind ein mikromechanischer kapazitiver Drucksensor und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Drucksensors beschrieben. Der Drucksensor weist eine an einem Substrat ausgebildete Messeinrichtung auf, welche eine fixierte erste Messelektrode und eine mittels einer Membran über der ersten Messelektrode verstellbar aufgehängte zweite Messelektrode umfasst. Die erste Messelektrode ist aus einer indirekt auf dem Substrat abgeschiedenen dotierten ersten Polysiliziumschicht herausstrukturiert. Die zweite Messelektrode ist aus einer zweiten Polysiliziumschicht, welche auf einer von dem Substrat weg gerichteten Seite der ersten Polysiliziumschicht angeordnet ist, gebildet. Aus einer dritten Polysiliziumschicht ist die Membran gebildet.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine kapazitive Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10, ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Verfahren zum Herstellen einer kapazitiven Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft mikromechanische Bauteile, bzw. damit ausgestattete kapazitive Sensorvorrichtungen, bei welchen die jeweilige Kappeneinrichtung des mikromechanischen Bauteils als integrierte Schutzkappe die hochsensitive Membran des mikromechanischen Bauteils vor einer Verschmutzung, einer Benetzung mit Flüssigkeit und einem Anstoßen eines Objekts oder einer Person an die Membran schützt. Die mittels der vorliegenden Erfindung realisierten mikromechanischen Bauteile weisen aufgrund ihrer besser geschützten Membranen eine höhere Lebensdauer auf. Die erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile, bzw. die damit ausgestatteten kapazitiven Sensorvorrichtungen, haben aufgrund ihrer besser geschützten Membranen auch eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Funktionsfähigkeit, bzw. ein geringeres Risiko einer Funktionsbeeinträchtigung. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die jeweilige Kappeneinrichtung als in das betreffende mikromechanische Bauteil integrierte Schutzkappe eine Miniaturisierung des mikromechanischen Bauteils erleichtert. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung kein Festbonden oder Festkleben der Kappeneinrichtung an dem jeweiligen mikromechanischen Bauteil erfordert.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist mindestens eine durchgehende Öffnung durch die Kappeneinrichtung strukturiert. Die mindestens eine durchgehende Öffnung durch die Kappeneinrichtung kann z.B. als Druckausgleichsöffnung einen „Druckzugang“ eines auf einer von dem Substrat weg gerichteten Seite der Kappeneinrichtung vorherrschenden physikalischen Drucks an eine von dem Substrat weg gerichtete Außenseite des freitragenden Bereichs der Membran ermöglichen.
  • Insbesondere kann die zweite Elektrode Teil der aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht gebildeten Membran sein. Zum Bilden der Kappeneinrichtung kann somit die dritte Halbleiter- und/oder Metallschicht, welche herkömmlicherweise zum Bilden der Membran genutzt wird, verwendet werden. Die Ausstattung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils mit der Kappeneinrichtung ist in diesem Fall nicht/kaum mit einer Volumenvergrößerung verbunden. Außerdem trägt die Nutzung der jeweiligen dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht zum Bilden der Kappeneinrichtung zur Materialeinsparung, und damit zur Kostenreduktion bei der Herstellung des mikromechanischen Bauteils bei. Dies sind wesentliche Vorteile der hier beschriebenen Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils gegenüber einer zusätzlichen Verkappung gemäß dem Stand der Technik.
  • Alternativ kann die zweite Elektrode auch an der Membran aufgehängt sein, und die Membran kann aus einer zwischen der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht und der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht angeordneten weiteren Halbleiter- und/oder Metallschicht gebildet sein. Somit können der hier beschriebenen Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils auch komplizierte Versteifungsstrukturen problemlos an der Membran ausgebildet sei n/werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist mindestens eine elektrisch-isolierende Pufferstruktur zwischen der Kappeneinrichtung und der Membran ausgebildet. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Kappeneinrichtung elektrisch derart kontaktierbar ist, dass eine Potentialdifferenz zwischen der Kappeneinrichtung und der Membran anlegbar ist. Das an die Kappeneinrichtung angelegte Potential trägt in diesem Fall zur elektrischen Abschirmung der zusammenwirkenden Elektroden gegenüber äußeren Störeinflüssen bei. Dies verbessert eine Messgenauigkeit der mittels der Elektroden des mikromechanischen Bauteils ausgeführten Messungen und reduziert eine Häufigkeit von (auf äußere Störeinflüsse zurückzuführenden) Messfehlern.
  • Außerdem kann eine erste minimale Schichtdicke der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht größer-gleich einer Hälfte einer zweiten minimalen Schichtdicke der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht und/oder größer-gleich einer Hälfte einer dritten minimalen Schichtdicke der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht sein. Zusätzlich können Vertiefungen an einer von dem Substrat weg gerichteten Seite der fixierten ersten Elektrode ausgebildet sein, wobei eine parallel zu der Substratoberfläche des Substrats ausgerichtete Spaltbreite der Vertiefungen kleiner als die erste minimale Schichtdicke der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht ist. Die Vertiefungen können bei der hier beschriebenen Ausführungsform als „laterale Ätzkanäle“ ein Opferschichtätzen beschleunigen, und zur Reduzierung einer Opferschichtätzzeit beitragen.
  • Vorzugsweise sind die erste Elektrode und die Membran von einer Rahmenstruktur umrahmt, an welcher die Kappeneinrichtung angeordnet ist. Dies trägt zum zusätzlichen Schutz der Membran vor einem Verschmutzen, einer Benetzung mit Flüssigkeit und einem unerwünschten Anstoßen eines Objekts oder einer Person an der Membran bei. Die erste Elektrode, die Membran, die Kappeneinrichtung und die Rahmenstruktur können außerdem mittels einfacher Abscheide- und Strukturierverfahren der Halbleitertechnologie gebildet werden.
  • Beispielsweise kann ein von der Rahmenstruktur und der Membran umschlossenes Innenvolumen mit einem darin vorliegenden Referenzdruck derart luftdicht abgedichtet sein, dass zumindest ein freitragender Bereich der Membran mittels eines physikalischen Drucks auf einer von dem Substrat weg gerichteten Außenseite des freitragenden Bereichs ungleich dem Referenzdruck verformbar ist. Wie unten genauer erläutert wird, kann ein derartiges mikromechanisches Bauteil vorteilhaft in einer kapazitiven Drucksensorvorrichtung eingesetzt werden.
  • Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einer kapazitiven Sensorvorrichtung mit einem derartigen mikromechanischen Bauteil und einer Auswerteelektronik, welche dazu ausgelegt ist, zumindest unter Berücksichtigung einer aktuell ermittelten Messgröße bezüglich einer zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode anliegenden Spannung oder Kapazität einen Messwert festzulegen und auszugeben, gewährleistet.
  • Des Weiteren schaffen auch ein korrespondierendes Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen einer kapazitiven Sensorvorrichtung die oben beschriebenen Vorteile. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die in diesem Absatz aufgezählten Verfahren gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils und der kapazitiven Sensorvorrichtung weitergebildet werden können.
  • Figurenliste
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
    • 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
    • 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
    • 4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
    • 5a und 5b schematische Darstellungen einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
    • 6 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
    • 7 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Das in 1 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil umfasst ein Substrat 10, eine fixierte erste Elektrode 12 und eine in Bezug zu der ersten Elektrode 12 verstellbare zweite Elektrode 14. Das Substrat 10 kann beispielsweise ein Siliziumsubstrat sein. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass das Substrat 10 anstelle oder als Ergänzung zu Silizium noch mindestens ein weiteres Material umfassen kann.
  • Unter der fixierten Anordnung der ersten Elektrode 12 ist zu verstehen, dass die erste Elektrode 12 lediglich durch Beschädigung des mikromechanischen Bauteils in Bezug zu dem Substrat 10 verstellbar ist. Die fixierte erste Elektrode 12 ist aus einer direkt oder indirekt auf dem Substrat 10 angeordneten ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 16 gebildet. Die fixierte erste Elektrode 12 kann insbesondere aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 16 herausstrukturiert sein. Wahlweise kann die erste Halbleiter- und/oder Metallschicht 16 direkt auf einer Substratoberfläche 10a des Substrats 10 oder auf mindestens einer die Substratoberfläche 10a zumindest teilweise abdeckenden Zwischenschicht 18 und 20 abgeschieden sein. Die mindestens eine Zwischenschicht 18 und 20 kann beispielsweise mindestens eine Isolierschicht 18 und 20, wie insbesondere eine Siliziumoxidschicht 18 und eine (siliziumreiche) Siliziumnitridschicht 20, sein.
  • Die in Bezug zu der ersten Elektrode 12 (und entsprechend auch in Bezug zu dem Substrat 10) verstellbare zweite Elektrode 14 ist mittels einer Membran 22 über der ersten Elektrode 12 aufgehängt. Zumindest die zweite Elektrode 14, ist aus einer zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24, welche auf einer von dem Substrat 10 weg gerichteten Seite der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 16 angeordnet ist, gebildet.
  • Das mikromechanische Bauteil hat auch eine Kappeneinrichtung 26, welche die Membran 22 überspannt. Die Kappeneinrichtung 26 ist aus einer dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht 28, welche auf einer von dem Substrat 10 weg gerichteten Seite der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 angeordnet ist, gebildet. Die Kappeneinrichtung 26 dient als eine integrierte Schutzkappe zum Schutz der Membran 22 vor einer Verschmutzung, einer Benetzung mit einer Flüssigkeit und/oder einem Anstoßen eines Objekts oder einer Person an der Membran 22. Die Kappeneinrichtung 26 trägt damit zur Verbesserung der Funktionsfähigkeit der geschützten Membran 22 bei.
  • Die erste Halbleiter- und/oder Metallschicht 16, die zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 und/oder die dritte Halbleiter- und/oder Metallschicht 28 können jeweils eine Siliziumschicht, insbesondere aus polykristallinem Silizium, sein. Somit kann ein kostengünstiges und leicht abscheidbares Material für jede der drei Halbleiter- und/oder Metallschichten 16, 24 und 28 verwendet werden. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass jede der drei Halbleiter- und/oder Metallschichten 16, 24 und 28 anstelle oder als Ergänzung zu Silizium noch mindestens ein weiteres (undotiertes oder dotiertes) Halbleitermaterial und/oder ein Metall umfassen kann. Zwischen der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 16 und der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 kann optionaler Weise auch mindestens ein elektrisch-isolierender Zwischenbereich 27a und 27b, wie beispielsweise mindestens ein Stapel aus einem Oxidbereich 27a und einem abdeckenden weiteren Oxidbereich 27b, vorliegen. Entsprechend kann auch zwischen der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 und der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht 28 mindestens ein elektrisch-isolierender Zwischenbereich 29a und 29b, wie beispielsweise mindestens ein Stapel aus einem Oxidbereich 29a und einem abdeckenden weiteren Oxidbereich 29b, ausgebildet sein. Die Ausgangsmaterialschichten der Oxidbereiche 27a und 27b und/oder die Ausgangsmaterialschichten der Oxidbereiche 29a und 29b, d.h. die Ausgangsmaterialschichten, aus welchen die Oxidbereiche 27a, 27b, 29a und 29b herausstrukturiert sind, können auch zur Formgebung der aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 und/oder der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht 28 gebildeten Komponenten genutzt werden. Beispielsweise kann eine Membranversteifung der Membran 22 mittels einer Strukturierung der Ausgangsmaterialschicht des Oxidbereichs 27a bewirkt werden.
  • Vorzugsweise ist mindestens eine durchgehende Öffnung 30 durch die Kappeneinrichtung 26 strukturiert. Lediglich beispielhaft weist die in 1 dargestellte Kappeneinrichtung 26 eine Vielzahl/ein Muster von durchgehenden Öffnungen 30 auf. Die mindestens eine durchgehende Öffnung 30 weist vorzugsweise parallel zu der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 derart kleine Ausdehnungen auf, dass ein Eindringen von Partikeln oder Flüssigkeiten in die jeweilige durchgehende Öffnung 30 unterbunden ist. Die parallel zu der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 ausgerichteten Ausdehnungen der mindestens einen durchgehenden Öffnung 30 können beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,05 µm (50 Nanometer) und 2 µm (2 Mikrometer), speziell in einem Bereich zwischen 0,1 µm (100 Nanometer) und 0,5 µm (0,5 Mikrometer), liegen. Die mit der mindestens einen durchgehenden Öffnung 30 ausgebildete Kappeneinrichtung 26 kann somit problemlos die Funktion einer herkömmlichen Goretex-Membran erfüllen, wobei die Kappeneinrichtung 26 jedoch im Gegensatz zu der herkömmlichen Goretex-Membran direkt aus der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht 28 gebildet werden kann.
  • Unter der mindestens einen durchgehenden Öffnung 30 kann beispielsweise jeweils eine Druckausgleichsöffnung verstanden werden. Die mindestens eine durchgehende Öffnung 30 kann somit einen „Druckzugang“ eines auf einer von dem Substrat 10 weg gerichteten Seite der Kappeneinrichtung 26 vorherrschenden physikalischen Drucks p an eine von dem Substrat 10 weg gerichtete Außenseite des freitragenden Bereichs der Membran 22 ermöglichen.
  • Lediglich beispielhaft ist bei der Ausführungsform der 1 auch die Membran 22 aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 gebildet. Die (gesamte) Membran 22 mit der zweiten Elektrode 14 kann insbesondere aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 herausstrukturiert sein. Eine die erste Elektrode 12, die Membran 22 mit der zweiten Elektrode 14 und die Kappeneinrichtung 26 umfassende Messeinrichtung kann somit aus lediglich den drei Halbleiter- und/oder Metallschichten 16, 24 und 28 gebildet werden/sein. Ein Abscheiden einer weiteren Halbleiter- und/oder Metallschicht zusätzlich zu den drei Halbleiter- und/oder Metallschichten 16, 24 und 28 ist somit zum Ausbilden der Messeinrichtung nicht notwendig. Dies trägt zur Kostenreduktion bei der Herstellung des um die als integrierte Schutzkappe einsetzbare Kappeneinrichtung 26 erweiterten mikromechanischen Bauteils bei. Die Ausbildung der Kappeneinrichtung 26 als in das mikromechanische Bauteil integrierte Schutzkappe, wobei zum Herstellen der mit der integrierten Schutzkappe ausgestatteten Messeinrichtung keine weitere Halbleiter- und/oder Metallschicht zusätzlich zu den drei Halbleiter- und/oder Metallschichten 16, 24 und 28 notwendig ist, erleichtert zusätzlich eine Minimierung des mikromechanischen Bauteils.
  • Beispielhaft ist bei der Ausführungsform der 1 die zweite Elektrode 14 Teil der Membran 22. Somit ist die zweite Elektrode 14 des mikromechanischen Bauteils der 1 keine „an der Membran 22 aufgehängte Elektrode“. Unter der zweiten Elektrode 14 kann insbesondere ein Teil eines freitragenden Bereichs der Membran 22 verstanden werden, welcher die erste Elektrode 12 „unmittelbar“ überspannt. Vorzugsweise ist bei der hier beschriebenen Ausführungsform die Membran versteifungsfrei geformt. Unter der zweiten Elektrode 14 ist in diesem Fall keine Versteifung der Membran 22 zu verstehen. Insbesondere kann die (gesamte) die zweite Elektrode 14 umfassende Membran 22 derart geformt sein, dass zumindest ihr die erste Elektrode 12 überspannender freitragender Bereich (mit der zweiten Elektrode 14 als Teil davon) senkrecht zu der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 eine konstante Schichtdicke d aufweist.
  • In dem Beispiel der 1 sind die erste Elektrode 12 und die Membran 22 von einer Rahmenstruktur 32 umrahmt, an welcher die Kappeneinrichtung 26 angeordnet ist. Die Rahmenstruktur 32 kann zumindest ein aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 16 herausstrukturiertes erstes Rahmenteil 32a, ein aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 herausstrukturiertes zweites Rahmenteil 32b und ein einstückig mit der Kappeneinrichtung 26 aus der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht 28 gebildetes drittes Rahmenteil 32c umfassen.
  • Die in 1 wiedergegebene Rahmenstruktur 32 umrahmt auch eine einstückig mit der Membran 22 aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 gebildete Membranabstützstruktur 34, über welche die Membran 22 direkt oder indirekt an dem Substrat 10 verankert ist. Beispielhaft stützt sich die in 1 bildlich wiedergegebene Membran 22 über ihre Membranabstützstruktur 34 an mindestens einem aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 16 herausstrukturierten Leitungsabschnitt 36, welcher über den die Substratoberfläche 10a des Substrats 10 abdeckenden Zwischenschichten 16 und 18 verläuft, ab. Über den mindestens einen Leitungsabschnitts 36 kann beispielsweise die Membran 22 elektrisch kontaktiert werden.
  • Benachbart zu der Membranabstützstruktur 34 kann mindestens ein Opferschichtätzzugang 38 ausgebildet sein, durch welchen eine Opferschichtätzung einer vor dem Abscheiden der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht zumindest die erste Elektrode 12 bedeckenden Opferschicht (wie z.B. einer Siliziumdioxidopferschicht) derart ausführbar ist, dass die Membran 22 freistellbar ist. Dazu sind in der Membranabstützstruktur 34 (nicht skizierte) Öffnungen ausgebildet, die einen Zugang des Ätzmediums auch zwischen die Elektroden 12 und 14 ermöglichen. Nach dem Ausführen der Opferschichtätzung kann der mindestens eine Opferschichtätzzugang 38 mittels mindestens eines Verschlussmaterials 40a und 40b luftdicht verschlossen werden.
  • Anhand eines Bestimmens einer zwischen den Elektroden 12 und 14 anliegenden Spannung oder Kapazität kann somit verlässlich eine auf die Membran 22 einwirkende Kraft/Umgebungsbedingung frei von äußeren Störeinflüssen ermittelt werden. Ungünstige Beeinflussungen aufgrund von einer Verschmutzung, einer Benetzung mit Flüssigkeit und einem Anstoßen eines Objekts oder einer Person an die Membran 22 sind dabei nicht zu fürchten. Das hier beschriebene mikromechanische Bauteil eignet sich deshalb gut für eine kapazitive Sensorvorrichtung mit einer Auswerteelektronik, welche dazu ausgelegt ist, zumindest unter Berücksichtigung einer aktuell ermittelten Messgröße bezüglich der zwischen der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 14 anliegenden Spannung/Kapazität einen (die auf die Membran 22 einwirkende Kraft/Umgebungsbedingung wiedergebenden) Messwert festzulegen und auszugeben.
  • Bevorzugter Weise ist ein von der Rahmenstruktur 32 und der Membran 22 umschlossenes Innenvolumen 42 mit einem darin vorliegenden Referenzdruck p0 derart luftdicht abgedichtet, dass zumindest der freitragende Bereich der Membran 22 mittels eines physikalischen Drucks p auf seiner Außenseite ungleich dem Referenzdruck p0 verformbar ist. Bei einer Druckungleichheit zwischen dem physikalischen Druck p auf der Außenseite des freitragenden Bereichs der Membran 22 und dem Referenzdruck p0 ändert sich somit ein Abstand zwischen der ersten Elektrode 12 und dem als zweite Elektrode 14 genutzten Teil des freitragenden Bereichs der Membran 22, wodurch sich die zwischen den Elektroden 12 und 14 anliegende Spannung oder Kapazität ändert.
  • Das in 1 schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil eignet sich deshalb vorteilhaft zur Verwendung in einer kapazitiven Drucksensorvorrichtung, deren Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, den Messwert bezüglich des jeweils auf der Außenseite des freitragenden Bereichs der Membran 22 vorherrschenden physikalischen Drucks p festzulegen und auszugeben.
  • In der Ausführungsform der 1 weist die erste Halbleiter- und/oder Metallschicht 16 senkrecht zu der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 eine erste minimale Schichtdicke d1 auf, welche deutlich kleiner als eine senkrecht zu der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 ausgerichtete zweite minimale Schichtdicke d2 der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 und deutlich kleiner als eine senkrecht zu der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 ausgerichtete dritte minimale Schichtdicke d3 der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht 28 ist. Die erste minimale Schichtdicke d1 der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 16 kann beispielsweise kleiner-gleich ein Drittel der zweiten minimalen Schichtdicke d2 der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 und/oder kleiner-gleich ein Drittel der dritten minimalen Schichtdicke d3 der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht 28 sein.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Im Unterschied zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist bei dem mikromechanischen Bauteil der 2 die erste minimale Schichtdicke d1 der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 16 größer-gleich einer Hälfte der zweiten minimalen Schichtdicke d2 der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 und/oder größer-gleich einer Hälfte der dritten minimalen Schichtdicke d3 der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht 28. Die erste minimale Schichtdicke d1 der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 16 kann insbesondere größer-gleich drei Viertel der zweiten minimalen Schichtdicke d2 der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 und/oder größer-gleich drei Viertel der dritten minimalen Schichtdicke d3 der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht 28 sein. Die erste minimale Schichtdicke d1 der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 16 ist vorzugsweise größer-gleich 1 µm.
  • Außerdem sind Vertiefungen 44 an einer von dem Substrat 10 weg gerichteten Seite der fixierten ersten Elektrode 12 ausgebildet, wobei eine parallel zu der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 ausgerichtete Spaltbreite Δ der Vertiefungen 44 kleiner als die erste minimale Schichtdicke d1 der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 16 ist. Die erste minimale Schichtdicke d1 der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 16 kann insbesondere um einen Faktor von mindestens 2, vorzugsweise um einen Faktor von mindestens 3, größer als die Spaltbreite Δ der Vertiefungen 44 sein. Die Spaltbreite Δ der Vertiefungen 44 kann beispielswiese kleiner-gleich 0,3 µm sein. Vorzugsweise ist in diesem Fall auch eine Summe der senkrecht zu der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 ausgerichteten Schichtdicken der Oxidbereiche 27a und 27b um einen Faktor von mindestens 1 größer als eine Hälfte der Spaltbreite Δ der Vertiefungen 44. Die Summe der senkrecht zu der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 ausgerichteten Schichtdicken der Oxidbereiche 27a und 27b kann z.B. größer-gleich 0,5 µm sein.
  • Sofern die Vertiefungen 44 mit ihren vergleichsweise geringen Spaltbreiten Δ vor einem Abscheiden der Ausgangsmaterialschichten der Oxidbereiche 27a und 27b in die erste Elektrode 12 strukturiert werden, werden die Vertiefungen 44 beim späteren Abscheiden der Ausgangsmaterialschichten der Oxidbereiche 27a und 27b nicht vollständig verfüllt. Die auf diese Weise in den Vertiefungen 44 verbleibenden Hohlräume bewirken eine schnelle Verteilung eines Ätzmediums und damit eine Beschleunigung des zum Freistellen der zweiten Elektrode 14 ausgeführten Ätzprozesses, wodurch eine einzuhaltenden Mindestätzzeit reduziert wird und Herstellungskosten eingespart werden. Außerdem bewirkt eine Ausbildung des mindestens einen Leitungsabschnitts 36 mit der vergleichsweise großen ersten minimalen Schichtdicken d1 eine Reduzierung von dessen elektrischen Widerstand.
  • Bezüglich weiterer Merkmale und Eigenschaften des mikromechanischen Bauteils der 2 wird auf die zuvor beschriebene Ausführungsform verwiesen.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Das mikromechanische Bauteil der 3 weist als Ergänzung zur Ausführungsform der 1 noch mindestens eine elektrisch-isolierende Pufferstruktur 46 zwischen seiner Kappeneinrichtung 26 und der Membran 22 auf. Insbesondere kann die Kappeneinrichtung 26 über die mindestens eine elektrisch-isolierende Pufferstruktur 46 an der Membran 22 abgestützt sein. Die Kappeneinrichtung 26 ist damit elektrisch derart kontaktierbar, dass eine Potentialdifferenz zwischen der Kappeneinrichtung 26 und der Membran 22 anlegbar ist. Mittels des an die Kappeneinrichtung 26 angelegten Potentials kann eine elektrische Abschirmung der Elektroden 12 und 14 gegenüber äußeren Störeinflüssen bewirkt werden.
  • Vorzugsweise besteht die mindestens eine elektrisch-isolierende Pufferstruktur 46 aus mindestens einem elektrisch-isolierenden Material, welches gegenüber dem zum Strukturieren der Ausgangsmaterialschichten der Oxidbereiche 27a, 27b, 29a und 29b eingesetzten Ätzmedium eine Ätzresistenz aufweist. Die mindestens eine elektrisch-isolierende Pufferstruktur 46 kann beispielsweise aus Siliziumnitrid und/oder Siliziumcarbid gebildet sein.
  • Bezüglich weiterer Merkmale und Eigenschaften des mikromechanischen Bauteils der 3 wird auf die Ausführungsform der 1 verwiesen.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Im Unterschied zur Ausführungsform der 1 ist bei dem mikromechanischen Bauteil der 4 die zweite Elektrode 14 eine „an der Membran 22 aufgehängte Elektrode“. Darunter kann verstanden werden, dass die zweite Elektrode 14 als eine Versteifung/Verdickung der Membran 22 ausgebildet ist. Dennoch ist die (gesamte) Membran 22 mit der daran ausgebildeten zweiten Elektrode 14 (vollständig) aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 gebildet.
  • Bei dem mikromechanischen Bauteil der 4 ist die zweite Elektrode 14 als ein kompakter Quader ausgebildet. Das zusätzliche Abscheiden des Materials der zweite Elektrode 14 beim Bilden der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 kann deshalb zu Unebenheiten an der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 führen, welche jedoch mittels einen chemisch-mechanischen Polierens (Chemical Mechanical Polishing) entfernt werden können.
  • Bezüglich weiterer Merkmale und Eigenschaften des mikromechanischen Bauteils der 4 wird auf die Ausführungsform der 1 verwiesen.
  • 5a und 5b zeigen schematische Darstellungen einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Das mikromechanische Bauteil der 5a und 5b ist in zwei Querschnitten wiedergegeben, wobei der Querschnitt der 5a senkrecht zu dem Querschnitt der 5b verläuft. Erkennbar ist in den 5a und 5b, dass die als eine Versteifung/Verdickung der Membran 22 ausgebildete zweite Elektrode 14 aus mehreren parallel zueinander ausgerichteten Stegstrukturen gebildet ist. Eine Breite der Stegstrukturen kann dabei so niedrig gewählt sein, dass das zusätzliche Abscheiden des Materials der zweiten Elektrode 14 beim Bilden der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 nicht/kaum zu Unebenheiten an der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 führt. Die Notwendigkeit eines Ausführens eines chemisch-mechanischen Polierens (Chemical Mechanical Polishing) nach dem Bilden der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 kann somit entfallen.
  • Bezüglich weiterer Merkmale und Eigenschaften des mikromechanischen Bauteils der 5a und 5b wird auf die Ausführungsform der 1 verwiesen.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Im Unterschied zur Ausführungsform der 3 ist bei dem mikromechanischen Bauteil der 6 die Membran 22 aus einer zwischen der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 und der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht 28 angeordneten weiteren Halbleiter- und/oder Metallschicht 48 gebildet. Für die an der Membran 22 aufgehängte zweite Elektrode 14 kann somit das Material der weiteren Halbleiter- und/oder Metallschicht 48 genutzt werden, ohne dass nach dem Bilden der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 Unebenheiten an der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 auftreten. Die weitere Halbleiter- und/oder Metallschicht 48 weist somit (auch ohne ein Ausführen eines chemisch-mechanischen Polierens) die vorteilhafte Planarität der in 5a und 5b gezeigten zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 auf. Auch bei einer derartigen Ausbildung der Membran 22 und der zweiten Elektrode 14 kann die Kappeneinrichtung 26 über die mindestens eine elektrisch-isolierende Pufferstruktur 46 an der Membran 22 abgestützt sein. Die zweite Elektrode 14 kann beispielsweise über eine Versteifungsstruktur 50 an der Membran 22 aufgehängt sein.
  • Die weitere Halbleiter- und/oder Metallschicht 48 kann z.B. eine Siliziumschicht, insbesondere aus polykristallinem Silizium, sein. Somit kann ein kostengünstiges und leicht abscheidbares Material für die weitere Halbleiter- und/oder Metallschicht 48 verwendet werden. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass die weitere Halbleiter- und/oder Metallschicht 48 anstelle oder als Ergänzung zu Silizium noch mindestens ein weiteres (undotiertes oder dotiertes) Halbleitermaterial und/oder ein Metall umfassen kann.
  • Bezüglich weiterer Merkmale und Eigenschaften des mikromechanischen Bauteils der 6 wird auf die oben erläuterten Ausführungsformen verwiesen.
  • 7 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
  • Mittels des im Weiteren beschriebenen Herstellungsverfahrens kann beispielsweise jedes der oben erläuterten mikromechanischen Bauteile (auch auf Waferebene als Massenproduktion) produziert werden. Eine Ausführbarkeit des Herstellungsverfahrens ist jedoch nicht auf das Herstellen eines der oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile beschränkt.
  • In einem Verfahrensschritt S1 wird eine erste Halbleiter- und/oder Metallschicht direkt oder indirekt auf einem Substrat gebildet. Später wird in einem Verfahrensschritt S2 eine zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht auf einer von dem Substrat weg gerichteten Seite der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht gebildet. Zusätzlich wird in einem späteren Verfahrensschritt S3 eine dritte Halbleiter- und/oder Metallschicht auf einer von dem Substrat weg gerichteten Seite der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht gebildet. Geeignete Materialien für das Substrat und die erste, zweite und dritte Halbleiter- und/oder Metallschicht sind oben schon genannt.
  • Als Verfahrensschritt S4 wird eine fixierte erste Elektrode aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht gebildet. Der Verfahrensschritt S4 kann vor den Verfahrensschritten S2 und S3, zwischen den Verfahrensschritten S2 und S3 oder nach den Verfahrensschritten S2 und S3 ausgeführt werden.
  • In einem Verfahrensschritt S5 wird eine in Bezug zu der ersten Elektrode verstellbare zweite Elektrode mittels einer Membran über der ersten Elektrode aufgehängt, wobei zumindest die zweite Elektrode aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht gebildet wird. Der Verfahrensschritt S5 kann vor oder nach dem Verfahrensschritt S3 ausgeführt werden. Die zweite Elektrode kann insbesondere als Teil der Membran gebildet werden. Ebenso kann die zweite Elektrode jedoch auch als eine Versteifung/Verdickung der Membran 22 ausgebildet werden. Vorzugsweise wird nicht nur die zweite Elektrode, sondern die (gesamte) Membran aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht gebildet. Optionaler Weise kann die Membran jedoch auch aus einer zwischen der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht und der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht angeordneten weiteren Halbleiter- und/oder Metallschicht gebildet werden.
  • Als Verfahrensschritt S6 wird die Membran von einer Kappeneinrichtung überspannt, wobei die Kappeneinrichtung aus der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht gebildet wird. Damit schützt auch bei dem mittels des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens hergestellten mikromechanischen Bauteil die Kappeneinrichtung als integrierte Schutzkappe die hochsensitive Membran vor einer Verschmutzung, einer Benetzung mit Flüssigkeit und einem Anstoßen eines Objekts oder einer Person an die Membran. Da die Kappeneinrichtung aus der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht gebildet wird, welche herkömmlicherweise zum Bilden der Membran genutzt wird, ist die Ausstattung des mikromechanischen Bauteils mit der Kappeneinrichtung nicht mit einer Volumenvergrößerung des mikromechanischen Bauteils oder mit einem zusätzlichen Materialbedarf beim Herstellen des mikromechanischen Bauteils verbunden.
  • In einem optionalen Verfahrensschritt S7 kann noch mindestens eine elektrisch-isolierende Pufferstruktur zwischen der Kappeneinrichtung und der Membran derart ausgebildet werden, dass eine Potentialdifferenz zwischen der Kappeneinrichtung und der Membran anlegbar ist. Das an die Kappeneinrichtung angelegte Potential trägt in diesem Fall zur elektrischen Abschirmung der zusammenwirkenden Elektroden gegenüber äußeren Störeinflüssen bei.
  • Das fertig hergestellte mikromechanische Bauteil eignet sich gut für eine kapazitive Sensorvorrichtung. Das vorausgehend erläuterte Herstellungsverfahren kann somit Teil eines Verfahrens zum Herstellen einer kapazitiven Sensorvorrichtung sein. In diesem Fall wird noch ein zusätzlicher Verfahrensschritt S8 ausgeführt, in welchem eine Auswerteelektronik derart ausgebildet wird, dass die Auswerteelektronik zumindest unter Berücksichtigung einer aktuell ermittelten Messgröße bezüglich einer zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode anliegenden Spannung oder Kapazität einen Messwert festlegt und ausgibt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009000403 A1 [0002]

Claims (13)

  1. Mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensorvorrichtung mit: einem Substrat (10); einer fixierten ersten Elektrode (12), welche aus einer direkt oder indirekt auf dem Substrat (10) angeordneten ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (16) gebildet ist; und einer in Bezug zu der ersten Elektrode (12) verstellbaren zweiten Elektrode (14), welche mittels einer Membran (22) über der ersten Elektrode (12) aufgehängt ist, wobei zumindest die zweite Elektrode (14) aus einer zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (24), welche auf einer von dem Substrat (10) weg gerichteten Seite der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (16) angeordnet ist, gebildet ist; dadurch gekennzeichnet, dass eine Kappeneinrichtung (26) die Membran (22) überspannt, wobei die Kappeneinrichtung (26) aus einer dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht (28), welche auf einer von dem Substrat (10) weg gerichteten Seite der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (24) angeordnet ist, gebildet ist.
  2. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei mindestens eine durchgehende Öffnung (30) durch die Kappeneinrichtung (26) strukturiert ist.
  3. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Elektrode (14) Teil der aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (24) gebildeten Membran (22) ist.
  4. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Elektrode (14) an der Membran (22) aufgehängt ist, und die Membran (22) aus einer zwischen der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (24) und der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht (28) angeordneten weiteren Halbleiter- und/oder Metallschicht (48) gebildeten ist.
  5. Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine elektrisch-isolierende Pufferstruktur (46) zwischen der Kappeneinrichtung (26) und der Membran (22) ausgebildet ist.
  6. Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kappeneinrichtung (26) elektrisch derart kontaktierbar ist, dass eine Potentialdifferenz zwischen der Kappeneinrichtung (26) und der Membran (22) anlegbar ist.
  7. Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste minimale Schichtdicke (d1) der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (16) größer-gleich einer Hälfte einer zweiten minimalen Schichtdicke (d2) der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (24) und/oder größer-gleich einer Hälfte einer dritten minimalen Schichtdicke (d3) der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht (28) ist, wobei Vertiefungen 44 an einer von dem Substrat (10) weg gerichteten Seite der fixierten ersten Elektrode (12) ausgebildet sind, und wobei eine parallel zu der Substratoberfläche (10a) des Substrats (10) ausgerichtete Spaltbreite (Δ) der Vertiefungen (44) kleiner als die erste minimale Schichtdicke (d1) der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (16) ist.
  8. Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (12) und die Membran (22) von einer Rahmenstruktur (32) umrahmt sind, an welcher die Kappeneinrichtung (26) angeordnet ist.
  9. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 8, wobei ein von der Rahmenstruktur (32) und der Membran (22) umschlossenes Innenvolumen (42) mit einem darin vorliegenden Referenzdruck (p0) derart luftdicht abgedichtet ist, dass zumindest ein freitragender Bereich der Membran (22) mittels eines physikalischen Drucks (p) auf einer von dem Substrat (10) weg gerichteten Außenseite des freitragenden Bereichs ungleich dem Referenzdruck (p0) verformbar ist.
  10. Kapazitive Sensorvorrichtung mit: einem mikromechanischen Bauteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9; und einer Auswerteelektronik, welche dazu ausgelegt ist, zumindest unter Berücksichtigung einer aktuell ermittelten Messgröße bezüglich einer zwischen der ersten Elektrode (12) und der zweiten Elektrode (14) anliegenden Spannung oder Kapazität einen Messwert festzulegen und auszugeben.
  11. Kapazitive Sensorvorrichtung nach Anspruch 10, wobei das mikromechanische Bauteil der als kapazitiven Drucksensorvorrichtung ausgelegten kapazitiven Sensorvorrichtung die Merkmale des Anspruchs 9 aufweist, und die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, den Messwert bezüglich des jeweils auf der Außenseite des freitragenden Bereichs der Membran (22) vorherrschenden physikalischen Drucks (p) festzulegen und auszugeben.
  12. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensorvorrichtung mit den Schritten: Bilden einer ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (16) direkt oder indirekt auf einem Substrat (10); Bilden einer zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (24) auf einer von dem Substrat (10) weg gerichteten Seite der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (16); Bilden einer dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht (28) auf einer von dem Substrat (10) weg gerichteten Seite der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (24); Bilden einer fixierten ersten Elektrode (12) aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (16); und Bilden einer in Bezug zu der ersten Elektrode (12) verstellbaren zweiten Elektrode (14), welche mittels einer Membran (22) über der ersten Elektrode (12) aufgehängt wird, wobei zumindest die zweite Elektrode (14) aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (24) gebildet wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (22) von einer Kappeneinrichtung (26) überspannt wird, wobei die Kappeneinrichtung (26) aus der dritten Halbleiter- und/oder Metallschicht (28) gebildet wird.
  13. Verfahren zum Herstellen einer kapazitiven Sensorvorrichtung mit den Schritten: Herstellen eines mikromechanischen Bauteils gemäß dem Herstellungsverfahren nach Anspruch 12; Ausbilden einer Auswerteelektronik derart, dass die Auswerteelektronik zumindest unter Berücksichtigung einer aktuell ermittelten Messgröße bezüglich einer zwischen der ersten Elektrode (12) und der zweiten Elektrode (14) anliegenden Spannung oder Kapazität einen Messwert festlegt und ausgibt.
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