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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Substrat, mit einer darüber liegenden Opferschicht, mit einer darüber liegenden mikromechanischen Funktionsschicht, wobei in der Opferschicht eine Kaverne ausgebildet ist und in der mikromechanischen Funktionsschicht eine bewegliche Masse ausgebildet ist, wobei die bewegliche Masse über der Kaverne angeordnet ist. Die technische Entwicklung geht zu immer kleineren und damit günstigeren Inertialsensoren. Hierzu wird der Sensorkern bestehend aus beweglicher seismischer Masse, Rückstellfedern und Elektroden verkleinert. Um mit einer kleineren Sensorfläche die gleiche Empfindlichkeit zu erreichen, müssen beide, die seismische Masse und die Steifigkeit der Rückstellfedern, entsprechend verringert werden. Die Oberflächenadhäsionskräfte bleiben jedoch gleich, weshalb es mit kleiner werdenden Rückstellkräften immer schwieriger wird, ein Kleben der Sensoren nach einem Überlastereignis, bei dem es zum Berühren oder Anschlagen der beweglichen Struktur an eine feststehende Struktur kommt, zu verhindern. Aus diesem Grund wurden besondere Anschlagstrukturen eingeführt, die das Risiko eines Klebens reduzieren sollen.
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Bei MEMS-Bauelementen sind dazu auch gesonderte Anschlagstrukturen an den beweglichen Massen vorgesehen, welche die mechanischen Berührungsflächen im Falle eines Anschlagens der beweglichen Masse an feststehende Elemente reduzieren. Ohne diese flächenmäßig kleineren Anschlagstrukturen würde sich eine deutlich größere Kontaktfläche ausbilden, was das Risiko eines irreversiblen Klebens deutlich erhöhen würde. Eine weitere Maßnahme ist das Aufbringen einer Antihaftbeschichtung. Günstig ist außerdem ein elastisches Abfedern der Masse durch ein Federelement zwischen Anschlag und Masse, wodurch es zu einer Verminderung des Anpressdrucks der Kontaktflächen kommt. Der Anpressdruck und die Aufprallenergie spielen für das Kleberisiko als auch für die Degradation einer Antihaftbeschichtung bei Mehrfachanschlägen eine große Rolle.
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Aus den Schriften
US6764936 und
US8822254 sind Anschlagsstrukturen bereits bekannt. Die in diesen Schriften beschriebenen Strukturen sind jedoch sehr rigide und geben bei einem Anschlagsereignis nicht elastisch nach, was sich ungünstig auf die Standzeit einer Antihaftschicht auswirkt.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine mikromechanische Vorrichtung mit einem mechanisch robusten Anschlag zu schaffen.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Substrat, mit einer darüber liegenden Opferschicht, mit einer darüber liegenden mikromechanischen Funktionsschicht, wobei in der Opferschicht eine Kaverne ausgebildet ist und in der mikromechanischen Funktionsschicht eine bewegliche Masse ausgebildet ist, wobei die bewegliche Masse über der Kaverne angeordnet ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass in der beweglichen Masse wenigstens eine Durchgangsöffnung angeordnet ist, welche sich von einer Oberseite der mikromechanischen Funktionsschicht bis zur Kaverne erstreckt, wobei in der Durchgangsöffnung eine Abstandshalterschicht angeordnet ist, welche sich bis in die Kaverne erstreckt und einen Anschlag gegenüber dem Substrat bildet. Erfindungsgemäß wird eine mikromechanische Vorrichtung geschaffen, welche einen mechanisch robusten Anschlag aufweist. Der Anschlag baut auch sehr kompakt, wodurch die Klebeneigung verringert wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Abstandshalterschicht einen Hohlraum umgibt, welcher sich in den Anschlag in der Kaverne erstreckt. Vorteilhaft ist ein solcher Anschlag elastisch, was insbesondere beim Anschlagen das Risiko von Beschädigungen vermindert.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass eine Oberfläche des Anschlags und eine gegenüberliegende Oberfläche des Substrats (100) eine Antihaftbeschichtung aufweisen. Vorteilhaft wird dadurch die Klebeneigung der mikromechanischen Vorrichtung vermindert. In Verbindung mit einem Hohlraum im Anschlag wird besonders vorteilhaft eine Beschädigung dieser Antihaftschicht beim Anschlagen vermieden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Anschlag mit den Schritten:
- a) Bereitstellen eines Substrats mit einer darüber liegenden Opferschicht;
- b) Aufbringen einer mikromechanischen Funktionsschicht auf die Opferschicht;
- c) Einbringen wenigstens einer Durchgangsöffnung von einer Oberseite der Funktionsschicht bis zur Opferschicht mittels Ätzen;
- d) Entfernung der Opferschicht in einem an die Durchgangsöffnung angrenzenden Bereich wodurch in der Opferschicht eine Ausnehmung geschaffen wird;
- e) Auskleiden der Durchgangsöffnung und der Ausnehmung mit einer Abstandshalterschicht durch Schichtabscheidung;
- f) Strukturieren einer Masse in die Funktionsschicht und Freistellen der Masse durch Ätzen der darunterliegenden Opferschicht, wobei die Abstandshalterschicht im Bereich
der Ausnehmung ebenfalls freigestellt wird und einen Anschlag gegenüber dem Substrat bildet.
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Vorteilhaft wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ein mechanisch robuster und kompakter Anschlag geschaffen, wobei die Topographie der Funktionsschicht selbst nicht verändert werden muss.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass nach dem Schritt f wenigstens eine Oberfläche des Anschlags und eine gegenüberliegende Oberfläche des Substrats mit einer Antihaftbeschichtung versehen werden. Vorteilhaft lässt sich die Antihaftschicht so auf den fertigen Anschlag aufbringen, dass die Klebeneigung weiter verringert werden kann.
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Zusammengefasst können durch die Erfindung Inertialsensoren wesentlich kleiner gebaut werden als bisher oder bei gleicher Baugröße empfindlicher ausgelegt werden. Die Sensoren weisen auch eine größere Robustheit gegenüber Mehrfach-Überlastung auf.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch im Querschnitt eine mikromechanische Vorrichtung mit verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen mikromechanischen Anschlagsstruktur.
- Die 2 a - d zeigen schematisch eine mikromechanische Vorrichtung in verschiedenen Stufen eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
- 3 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit einer mikromechanischen Anschlagsstruktur.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt schematisch im Querschnitt eine mikromechanische Vorrichtung mit verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen mikromechanischen Anschlagsstru ktu r.
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Dargestellt ist ein mehrschichtiges Substrat 100 mit einer darüber liegenden Opferschicht 200. Über der Opferschicht ist eine mikromechanische Funktionsschicht 300 angeordnet. In der Opferschicht, ist eine Kaverne 210 ausgebildet, sodass darüber liegende Teile der Funktionsschicht freigestellt sind. In diesen Teilen der mikromechanischen Funktionsschicht ist eine bewegliche Masse 310 ausgebildet. In der beweglichen Masse sind Durchgangsöffnungen 320 angeordnet, welche sich von einer Oberseite 330 der mikromechanischen Funktionsschicht bis zur Kaverne erstrecken. Dargestellt ist weiter eine Abstandshalterschicht 400, welche die Seitenwände der Durchgangsöffnungen 320 und das substratseitige Ende überdeckt, wobei die Abstandshalterschicht am substratseitigen Ende die bewegliche Masse in Richtung auf das Substrat hin überragt. Die Abstandshalterschicht 400 erstreckt sich somit bis in die Kaverne 210 und bildet einen Anschlag 410 gegenüber dem Substrat 100 bei Bewegungen der Masse in einer Richtung z, senkrecht zu einer Hauptebene der mikromechanischen Vorrichtung. Die Figur zeigt verschiedene mögliche Formen der Anschlagsstruktur 410.
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Die Anschlagsstruktur ist besonders kompakt. Sie reduziert die Anschlagsfläche und baut durch elastische Deformation im Überstandsbereich des substratseitigen Endes den Anpressdruck ab.
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Das substratseitige Ende des Anschlags oder Abstandshalters kann eine Aufweitung (größere Ausdehnung in laterale Richtung) gegenüber der Ausnehmung in der Funktionsschicht aufweisen, was einen Designfreiheitsgrad für die Anschlagstrukturen hinsichtlich Kontaktfläche und Elastizität bedeutet.
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Das substratseitige Ende des Abstandshalters kann zum Substrat hin konvex ausgeformt sein. Dadurch ergibt sich besonders vorteilhaft eine elastische Nachgiebigkeit der Anschlagstruktur bei minimaler Anschlagsfläche.
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Der Abstandshalter kann im Bereich der Ausnehmung in der Funktionsschicht vollständig verfüllt sein, während das substratseitige Ende einen Hohlraum 420 umfasst. Eine vollständige Verfüllung hat den Vorteil, dass eine geschlossene Oberfläche vorliegt, wenn die bewegliche Masse aus der Funktionsschicht herausstrukturiert wird.
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Alternativ kann der Anschlag auch vollständig mit der Abstandshalterschicht verfüllt sein, sodass er keinen Hohlraum aufweist (nicht bildlich dargestellt).
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Die Abstandshalterschicht kann aus mehreren Lagen verschiedener Materialien gebildet werden. Dies erlaubt eine Optimierung der elastischen Eigenschaften und der Oberflächenadhäsionskräfte der Anschlagsstruktur.
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Die 2 a - d zeigen schematisch eine mikromechanische Vorrichtung in verschiedenen Stufen eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
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2a zeigt die Bereitstellung eines Substrates 100 mit einer Isolationsschicht, einer Elektrodenschicht und einem Opferschichtaufbau 200, z. B. aus SiO2. Die Isolationsschicht isoliert die Elektroden vom Substrat. Über die Elektroden kann kapazitiv die Auslenkung der mikromechanischen Struktur erfasst und einzelne Strukturen elektrisch kontaktiert werden.
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2b zeigt das Aufbringen einer mechanischen Funktionsschicht 300 aus einem ersten Material, z. B. Epipoly-Si. Die Aufbringung erfolgt beispielsweise durch eine Abscheidung oder alternativ durch einen Schichttransfer. Dargestellt ist außerdem das Einbringen von Ätzlöchern durch die Funktionsschicht. Diese Ätzlöcher bilden die Durchgangsöffnungen 320.
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2c zeigt ein teilweises Entfernen der Opferschicht 200 im Bereich der Durchgangsöffnungen 320. Das Entfernen der Opferschicht am substratseitigen Ende der Durchgangsöffnung erfolgt im dargestellten Fall in einem ersten Schritt zunächst isotrop und in einem zweiten Schritt anisotrop.
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Danach erfolgt ein Auskleiden der so entstandenen Ausnehmungen mit der Abstandshalterschicht 400, z. B. mit W, Epipoly Si, und optional Entfernung eines Teils des überschüssigen Materials von der substratabgewandten Oberfläche, der Oberseite 330 der Funktionsschicht 300.
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In einer Ausführung (links dargestellt) kann die Abscheidedicke der Abstandshalterschicht 400 so gewählt werden (bzw. zuvor die Weite der Durchgangsöffnung), dass sich die zuvor eingebrachten Ätzlöcher oberflächlich verschließen, wobei jedoch ein Hohlraum 420 am substratzugewandten Ende der Durchgangsöffnung verbleibt. Alternativ kann die Abscheidung auch so geführt werden, dass überhaupt kein Hohlraum verbleibt (nicht bildlich dargestellt).
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2d zeigt das Strukturieren einer später beweglichen Masse 310 aus der Funktionsschicht. Das Freilegen der mechanischen Funktionsbereiche geschieht anschließend mittels Opferschichtätzen.
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Optional können danach die Oberflächen mit einer Antihaftbeschichtung 220 versehen werden.
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3 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit einer mikromechanischen Anschlagsstruktur mit den Schritten:
- a) Bereitstellen eines Substrats mit einer darüber liegenden Opferschicht;
- b) Aufbringen einer mikromechanischen Funktionsschicht auf die Opferschicht;
- c) Einbringen wenigstens einer Durchgangsöffnung von einer Oberseite der Funktionsschicht bis zur Opferschicht mittels Ätzen;
- d) Entfernung der Opferschicht in einem an die Durchgangsöffnung angrenzenden Bereich wodurch in der Opferschicht eine Ausnehmung geschaffen wird;
- e) Auskleiden der Durchgangsöffnung und der Ausnehmung mit einer Abstandshalterschicht durch Schichtabscheidung;
- f) Strukturieren einer Masse in die Funktionsschicht und Freistellen der Masse durch Ätzen der darunterliegenden Opferschicht, wobei die Abstandshalterschicht im Bereich
der Ausnehmung ebenfalls freigestellt wird und einen Anschlag gegenüber dem Substrat bildet.
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Optional kann nach dem Schritt f eine Antihaftbeschichtung der Oberflächen zumindest in der Kaverne erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Substrat
- 200
- Opferschicht
- 210
- Kaverne
- 220
- Antihaftbeschichtung
- 300
- Funktionsschicht
- 310
- bewegliche Masse
- 320
- Durchgangsöffnung
- 330
- Oberseite der Funktionsschicht
- 400
- Abstandshalterschicht
- 410
- Anschlag
- 420
- von Abstandshalterschicht umgebener Hohlraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6764936 [0003]
- US 8822254 [0003]
