DE102020206242A1

DE102020206242A1 - Mikromechanisches Bauteil für eine Sensor- oder Mikrofonvorrichtung

Info

Publication number: DE102020206242A1
Application number: DE102020206242.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Friedrich; Joachim Fritz; Sophielouise Mach; Peter Schmollngruber; Heribert Weber; Andreas Scheurle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-05-18
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2021-11-18
Also published as: US20210354978A1; CN113683050A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensor- oder Mikrofonvorrichtung mit einem Substrat (10), einer Rahmenstruktur (14), welche auf einer Substratoberfläche (10a) und/oder mindestens einer Zwischenschicht (12a, 12b) angeordnet ist, und einer Membran (16), welche ein von der Rahmenstruktur (14) zumindest teilweise umrahmtes Innenvolumen (18) überspannt, wobei das Innenvolumen (18) hermetisch derart abgedichtet ist, dass die Membran (16) mittels eines Druckunterschieds zwischen einem an ihrer Membraninnenseite (16a) vorliegenden Innendruck (p1) und einem an ihrer Membranaußenseite (16b) vorliegenden Außendruck (p2) verwölbbar ist, wobei das mikromechanische Bauteil eine in dem Innenvolumen (18) angeordnete Biegebalkenstruktur (34) umfasst mit mindestens einem an der Rahmenstruktur (14), an der Substratoberfläche (10a) und/oder an der mindestens einen Zwischenschicht (12a, 12b) befestigten Verankerungsbereich (36) und mindestens einem freitragenden Bereich (38), welcher über mindestens eine Koppelstruktur (40) derart an der Membraninnenseite (16a) der Membran (16) angebunden ist, dass der mindestens eine freitragenden Bereich (38) mittels einer Verwölbung der Membran (16) verbiegbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensor- oder Mikrofonvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensor- oder Mikrofonvorrichtung.
Stand der Technik
1 zeigt eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Drucksensorvorrichtung, welche der Anmelderin als interner Stand der Technik bekannt ist.
Die in 1 schematisch dargestellte Drucksensorvorrichtung umfasst ein Substrat 10 mit einer Substratoberfläche 10a, eine auf mindestens einer die Substratoberfläche 10a zumindest teilweise abdeckenden Zwischenschicht 12a und 12b angeordnete Rahmenstruktur 14 und eine Membran 16. Die Membran 16 überspannt ein von der Rahmenstruktur 14 zumindest teilweise umrahmtes Innenvolumen 18 derart, dass eine Membraninnenseite 16a der Membran 16 an dem Innenvolumen 18 angrenzt. Außerdem ist die Membran 16 mittels eines Druckunterschieds zwischen einem an ihrer Membraninnenseite 16a vorliegenden Innendruck p₁ und einem an einer von der Membraninnenseite 16a weg gerichteten Membranaußenseite 16b vorliegenden Außendruck p₂ verwölbbar. Wie in 1 schematisch wiedergegeben ist, kann eine aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem Innendruck p₁ und dem Außendruck p₂ auf die Membran wirkende Druckkraft F die Membran derart stark verformen, dass Risse 20 an der Membran 16, insbesondere in einem Einspannungsbereich 16c der Membran 16, auftreten.
Beispielhaft umfasst die herkömmliche Drucksensorvorrichtung der 1 auch eine Messelektrode 22, welche über mindestens eine Aufhängestruktur 24 an der Membraninnenseite 16a der Membran 16 aufgehängt ist. Zwischen der Messelektrode 22 und der Substratoberfläche 10a ist eine Mess-Gegenelektrode 26 auf der mindestens einen Zwischenschicht 12a und 12b befestigt. Ebenso umfasst die herkömmliche Drucksensorvorrichtung der 1 noch mindestens eine fixierte Referenzelektrode 28 in einem vorgegebenen Abstand zu mindestens einer auf der mindestens einen Zwischenschicht 12a und 12b befestigten Referenz-Gegenelektrode 30, wobei die mindestens eine Referenzelektrode 28 und die mindestens eine Referenz-Gegenelektrode 30 zumindest teilweise umlaufend um die Messelektrode 22 und die Mess-Gegenelektrode 26 angeordnet sind.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensor- oder Mikrofonvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensor- oder Mikrofonvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung schafft mikromechanische Bauteile, bei welchen eine Rissbildung an ihrer Membran aufgrund der Ausbildung der erfindungsgemäßen Biegebalkenstruktur verlässlich verhindert ist. Die erfindungsgemäße Biegebalkenstruktur eines derartigen mikromechanischen Bauteils kann so ausgelegt sein/werden, dass selbst in einem Überlastfall, wenn ein vergleichsweise hoher Druck auf die Membran einwirkt, eine Rissbildung selbst in einem Einspannungsbereich der jeweiligen Membran verlässlich verhindert ist. Das herkömmliche Risiko eines Ausfalls des mikromechanischen Bauteils, bzw. der damit ausgebildeten Sensor- oder Mikrofonvorrichtung, aufgrund von Rissen an seiner Membran ist damit behoben.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist die mindestens eine Koppelstruktur vollständig aus mindestens einem elektrisch-leitfähigen Material gebildet. In diesem Fall kann in der Regel zum Bilden der mindestens einen Koppelstruktur das gleiche Material wie zum Bilden der Membran, beispielsweise Silizium, verwendet werden. Eine Ausbildung der mindestens einen Koppelstruktur ist damit vergleichsweise einfach und erfordert nur einen relativ geringen Arbeitsaufwand.
Alternativ kann die mindestens eine Koppelstruktur zumindest teilweise aus mindestens einem elektrisch-isolierenden Material gebildet sein. In diesem Fall kann ein an dem mindestens einen freitragenden Bereich der jeweiligen Biegebalkenstruktur anliegendes elektrisches Potential von einem an der benachbarten Membran anliegenden elektrischen Potential abweichen.
Als vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauteils kann der mindestens eine freitragende Bereich der Biegebalkenstruktur mindestens eine auf der Substratoberfläche und/oder der mindestens einen Zwischenschicht angeordnete Gegenelektrode überspannen, wobei die mindestens eine Gegenelektrode elektrisch von dem mindestens einen freitragenden Bereich der Biegebalkenstruktur isoliert ist und ein Messsignal zwischen dem mindestens einen freitragenden Bereich der Biegebalkenstruktur und der mindestens einen Gegenelektrode abgreifbar ist. Wie unten genauer erläutert ist, kann in diesem Fall das Messsignal als „Warnsignal“ bezüglich einer vergleichsweise hohen auf die Membran einwirkenden Druckkraft genutzt werden.
Alternativ oder ergänzend kann an einer von der Membran weg gerichteten Fläche des mindestens einen freitragenden Bereichs der Biegebalkenstruktur auch mindestens eine hervorstehende Anschlagstruktur ausgebildet sein. Mittels der mindestens einen Anschlagstruktur kann eine maximale Verwölbung der Membran mechanisch begrenzt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils sind die Biegebalkenstruktur und mindestens eine an der Rahmenstruktur, an der Substratoberfläche und/oder an der mindestens einen Zwischenschicht befestigte Referenzelektrode und/oder mindestens eine Messelektrode aus einer ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht gebildet, und/oder die Membran, die mindestens eine Koppelstruktur und/oder mindestens eine Aufhängestruktur, über welche die mindestens eine Messelektrode an der Membraninnenseite aufgehängt ist, sind aus einer zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht gebildet. Das hier beschriebene mikromechanische Bauteil kann somit trotz seiner Ausstattung mit mindestens einer Referenzelektrode und/oder mindestens einer Messelektrode vergleichsweise einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Des Weiteren schafft auch ein Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensor- oder Mikrofonvorrichtung die vorausgehend beschriebenen Vorteile, wobei das Herstellungsverfahren gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weitergebildet werden kann.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Drucksensorvorrichtung;
2 eine schematische Teildarstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
3a und 3b schematische Teildarstellungen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
4 eine schematische Teildarstellung einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
5 eine schematische Teildarstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
6 eine schematische Teildarstellung einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
7 eine schematische Teildarstellung einer sechsten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
8 eine schematische Teildarstellung einer siebten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
9 eine schematische Teildarstellung einer achten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
10 bis 12 schematische Teildarstellungen einer neunten, zehnten und elften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.

Ausführungsformen der Erfindung
2 zeigt eine schematische Teildarstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 2 schematisch teilweise wiedergegebene mikromechanische Bauteil hat ein Substrat 10 mit einer Substratoberfläche 10a, welches beispielsweise ein Halbleitersubstrat, insbesondere ein Siliziumsubstrat, ist. Die Substratoberfläche 10a ist zumindest teilweise von mindestens einer Zwischenschicht 12a und 12b abgedeckt. Die mindestens eine Zwischenschicht 12a und 12b kann beispielsweise mindestens eine Isolierschicht 12a und 12b, wie insbesondere eine Siliziumdioxidschicht 12a und/oder eine siliziumreiche Siliziumnitridschicht 12b, sein. Optionalerweise kann eine Leiterbahnschicht 32 auf der Substratoberfläche 10a und/oder der mindestens einen Zwischenschicht/Isolierschicht 12a und 12b abgeschieden sein, wobei z.B. mittels eines direkten Kontakts zwischen der Substratoberfläche 10a und der Leiterbahnschicht 32 jeweils ein elektrischer Kontakt 32a ausbildbar/ausgebildet ist. Die Leiterbahnschicht 32 kann beispielsweise eine Siliziumschicht sein.
Das mikromechanische Bauteil hat auch eine Rahmenstruktur 14, welche auf der Substratoberfläche 10a und/oder der mindestens einen Zwischenschicht 12a und 12b angeordnet ist. Eine Membran 16 überspannt ein von der Rahmenstruktur 14 zumindest teilweise umrahmtes Innenvolumen 18 derart, dass eine Membraninnenseite 16a der Membran 16 an dem Innenvolumen 18 angrenzt. Außerdem ist das Innenvolumen 18 hermetisch derart abgedichtet, dass die Membran 16 mittels eines Druckunterschieds zwischen einem an ihrer Membraninnenseite 16a vorliegenden Innendruck p₁ und einem an einer von der Membraninnenseite 16a weg gerichteten Membranaußenseite 16b vorliegenden Außendruck p₂ verwölbbar ist/verwölbt wird. 2 zeigt das mikromechanische Bauteil jedoch bei einer Druckgleichheit zwischen dem Innendruck p₁ und dem Außendruck p₂.
Zusätzlich weist das mikromechanische Bauteil der 2 eine in dem Innenvolumen 18 angeordnete Biegebalkenstruktur 34 mit mindestens einem an der Rahmenstruktur 14, an der Substratoberfläche 10a und/oder an der mindestens einen Zwischenschicht 12a und 12b befestigten Verankerungsbereich 36 und mindestens einem freitragenden Bereich 38 auf. Der mindestens eine freitragende Bereich 38 ist jeweils über mindestens eine Koppelstruktur 40 derart an der Membraninnenseite 16a der Membran 16 angebunden, dass der mindestens eine freitragende Bereich 38 mittels einer Verwölbung der Membran 16 verbiegbar ist/verbogen wird. Wie anhand der nachfolgenden Ausführungsform bildlich wiedergegeben ist, wirkt die Biegebalkenstruktur 34 als konstruktive Maßnahme zur Reduzierung eines bei einem Druckunterschied zwischen dem Innendruck p₁ und dem Außendruck p₂ in der Membran 16 auftretenden mechanischen Stresses, insbesondere in einem Einspannungsbereich 16c der Membran 16.
Das mikromechanische Bauteil der 2 weist als optionale Weiterbildung noch eine auf der Substratoberfläche 10a und/oder der mindestens einen Zwischenschicht 12a und 12b angeordnete Gegenelektrode 42 auf, welche der mindestens eine freitragende Bereich 38 der Biegebalkenstruktur 34 überspannt. Die Gegenelektrode 42 ist elektrisch von dem mindestens einen freitragenden Bereich 38 der Biegebalkenstruktur 34 isoliert. Außerdem ist ein Messsignal, wie z.B. ein Spannungssignal, zwischen dem mindestens einen freitragenden Bereich 38 der Biegebalkenstruktur 34 und der Gegenelektrode 42 abgreifbar. Bei einer signifikanten Verwölbung der Membran 16 ändert sich ein Abstand d zwischen dem mindestens einen freitragenden Bereich 38 der Biegebalkenstruktur 34 und der Gegenelektrode 42, was anhand einer Änderung des Messsignals, wie z.B. der abgegriffenen Spannung, erkennbar ist. Mittels der Anordnung der mindestens einen Koppelstruktur 40, über welche der mindestens eine freitragende Bereich 38 der Biegebalkenstruktur 34 an der Membraninnenseite 16a der Membran 16 angebunden ist, kann festgelegt werden, ab welchem Grad einer Verwölbung der Membran 16 eine signifikante Änderung des Abstands d und damit eine deutliche Änderung des Messsignals auftritt. Durch Auswertung des Messsignals kann somit festgestellt werden, ob eine kritische Verwölbung der Membran 16 auftritt. Gegebenenfalls kann dann ein entsprechendes Warnsignal an einen Nutzer des mikromechanischen Bauteils und/oder an eine das mikromechanische Bauteil betreibende Steuerelektronik ausgegeben werden.
Wie in 2 außerdem erkennbar ist, weist das mikromechanische Bauteil auch mindestens eine Messelektrode 22, welche über mindestens eine Aufhängestruktur 24 an der Membraninnenseite 16a der Membran 16 aufgehängt ist, auf. Insbesondere kann zwischen der mindestens einen Messelektrode 22 und dem Substrat 10 je eine Mess-Gegenelektrode 26 auf der Substratoberfläche 10a und/oder der mindestens einen Zwischenschicht 12a und 12b befestigt sein. Mittels eines Zusammenwirkens der mindestens einen Messelektrode 22 und der mindestens einen Mess-Gegenelektrode 26 kann der Druckunterschied zwischen dem Innendruck p₁ und dem Außendruck p₂, bzw. eine auf der Membranaußenseite 16b auftreffende Schallwelle, detektiert werden. Das hier beschriebene mikromechanische Bauteil kann deshalb vorteilhaft für eine Sensor- oder Mikrofonvorrichtung genutzt werden.
Vorzugsweise ist ein Mindestabstand der mindestens einen Koppelstruktur 40 zu dem Einspannungsbereich 16c der Membran 16 kleiner als ein Mindestabstand der mindestens einen Aufhängestruktur 24 zu dem Einspannungsbereich 16c. Für die mindestens eine Messelektrode 22 wird dabei eine „mittige Aufhängung“ an der Membran 16 bevorzugt, während die Biegebalkenstruktur 34 bevorzugter Weise nahe an dem Einspannungsbereich 16c der Membran 16 oder direkt an dem Einspannungsbereich 16c der Membran 16 angeordnet ist. Insbesondere im Überlastfall treten hohe Biegekräfte an dem Einspannungsbereich 16c der Membran 16 auf, weshalb es vorteilhaft ist, eine in diesem Fall auf den Einspannungsbereich 16c wirkende Verformungskraft/Verformungsenergie mittels der mindestens einen Koppelstruktur 40 und der Biegebalkenstruktur 34 zu absorbieren. Die geometrischen Abmessungen und die Form der Biegebalkenstruktur 34, sowie der Abstand der mindestens einen Koppelstruktur 40 zu dem Einspannungsbereich 16c der Membran 16, bestimmen dabei die Kraft, die am Ort der mindestens einen Koppelstruktur 40 der Verformungskraft/Verformungsenergie auf die Membran 16 entgegenwirkt. Außerdem kann mittels einer „mittigen Aufhängung“ der mindestens einen Messelektrode 22 an der Membran 16 eine gute Sensitivität beim Detektieren des Druckunterschieds zwischen dem Innendruck p₁ und dem Außendruck p₂, bzw. beim Detektieren einer auf der Membranaußenseite 16b auftreffenden Schallwelle, sichergestellt werden.
Optionaler Weise kann das mikromechanische Bauteil der 2 bezüglich einer Symmetrieebene 44 spiegelsymmetrisch ausgebildet sein. Alternativ kann jedoch auf einer von der Biegebalkenstruktur 34 weg gerichteten Seite der Messelektrode 22 auch eine Referenzelektrode 28 mit einer zugeordneten Referenz-Gegenelektrode 30, wie sie beispielsweise in 1 dargestellt sind, angeordnet sein.
Das in 2 teilweise dargestellte mikromechanische Bauteil kann mittels des im Weiteren beschriebenen Herstellungsverfahrens auf einfache Weise und unter Einhaltung einer guten Reproduktionsgenauigkeit selbst in Massenproduktion hergestellt werden:

Zum Ausführen des Herstellungsverfahrens wird eine erste Halbleiter- und/oder Metallschicht 46 auf der Substratoberfläche 10a, der mindestens einen Zwischenschicht 12a und 12b, der Leiterbahnschicht 32 und/oder mindestens einer ersten Opferschicht 48 abgeschieden. Die erste Halbleiter- und/oder Metallschicht 46 kann beispielsweise eine Siliziumschicht sein. Die mindestens eine erste Opferschicht 48 kann insbesondere eine Siliziumdioxidschicht sein. Außerdem wird eine zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht 50 auf der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 46 und/oder mindestens einer zweiten Opferschicht 52 abgeschieden. Auch die zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht 50 kann eine Siliziumschicht/Polysiliziumschicht sein. Die mindestens eine zweite Opferschicht 52 kann z.B. eine Siliziumdioxidschicht sein.

Vorzugsweise wird die Rahmenstruktur 14 aus mindestens einem Teil der Leiterbahnschicht 32, aus mindestens einem Teil der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 46 und aus mindestens einem Teil der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 50 derart gebildet, dass die auf der Substratoberfläche 10a und/oder der mindestens einen Zwischenschicht 12a und 12b gebildete Rahmenstruktur 14 das (spätere) Innenvolumen 18 zumindest teilweise umrahmt. Das Innenvolumen 18 wird mit der Membran 16 derart überspannt, dass die Membraninnenseite 16a der Membran 16 an dem Innenvolumen 18 angrenzt, wobei die Membran 16 aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 50 gebildet wird. Die Biegebalkenstruktur 34 wird aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 46 so gebildet/herausstrukturiert, dass die Biegebalkenstruktur 34 in dem Innenvolumen 18 angeordnet ist und mit dem mindestens einen an der Rahmenstruktur 14, der Substratoberfläche 10a und/oder an der mindestens einen Zwischenschicht 12a und 12b befestigten Verankerungsbereich 36 und mit dem mindestens einen freitragenden Bereich 38 ausgebildet wird. Die mindestens eine Koppelstruktur 40, mittels welcher der mindestens eine freitragende Bereich 38 derart an der Membraninnenseite 16a der Membran 16 angebunden wird, dass der mindestens eine freitragende Bereich 38 mittels einer Verwölbung der Membran 16 verbiegbar ist, kann ebenfalls aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 50 gebildet werden.
Wie in 1 und 2 erkennbar ist, können zusätzlich zu der Biegebalkenstruktur 34 noch die mindestens eine an der Rahmenstruktur 14, der Substratoberfläche 10a und/oder an der mindestens einen Zwischenschicht 12a und 12b befestigte Referenzelektrode 28 und/oder die mindestens eine Messelektrode 22 aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 46 gebildet/herausstrukturiert werden. Zusätzlich zu der Membran 16 und evtl. der mindestens einen Koppelstruktur 40 kann auch noch die mindestens eine Aufhängestruktur 24, über welche die mindestens eine Messelektrode 22 an der Membraninnenseite 16a aufgehängt wird, aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 50 gebildet werden. Außerdem können die Gegenelektrode 42, die mindestens eine Mess-Gegenelektrode 26 und/oder die mindestens eine Referenz-Gegenelektrode 30 aus der Leiterbahnschicht 32 gebildet/herausstrukturiert werden.
Das Innenvolumen 18 wird nach einem zumindest teilweisen Entfernen/Ätzen der Opferschichten 48 und 52 (vorzugsweise bei einem gewünschten Innendruck p₁) hermetisch abgedichtet, beispielsweise indem eine Isolierschicht 54 auf zumindest eine mindestens eine Ätzöffnung umrahmende Teilaußenfläche der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 50 abgeschieden wird. Unter der zumindest einen Teilaußenfläche ist vorzugsweise eine an der jeweiligen Ätzöffnung direkt angrenzende Fläche der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 50 zu verstehen. Auf diese Weise ist sicherstellbar, dass die Membran 16 mittels eines Druckunterschieds zwischen dem an ihrer Membraninnenseite 16a vorliegenden Innendruck p₁ und dem (aktuell) an der Membranaußenseite 16b vorliegenden Außendruck p₂ verwölbbar ist/verwölbt wird. Optionaler Weise kann mittels einer Metallisierung 56, wie beispielsweise Aluminiumkupfer und/oder einer optionalen Kontaktmetallisierung 56b, wie beispielsweise TiSi₂/Ti, und/oder einer optionalen Diffusionsbarriere, wie beispielsweise TiN , noch mindestens ein elektrischer Kontakt 56a ausgebildet werden. Als weiterer optionaler Verfahrensschritt kann noch eine Passivierung 58, wie beispielsweise Siliziumnitrid (Si₃N₄), auf der Metallisierung 56 und der Isolierschicht 54 abgeschieden werden.
3a und 3b zeigen schematische Teildarstellungen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 3a und 3b teilweise schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil weist als Ergänzung zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform noch mindestens eine an der Rahmenstruktur 14, der Substratoberfläche 10a und/oder an der mindestens einen Zwischenschicht 12a und 12b befestigte Referenzelektrode 28 auf. Die mindestens eine Referenzelektrode 28 überspannt je eine zugeordnete Referenz-Gegenelektrode 30. Mittels der mindestens einen Referenzelektrode 28 und ihrer mindestens einen Referenz-Gegenelektrode 30 können Referenzkapazitätsmessungen durchgeführt werden, um auf eine Verbiegung des Substrats 10 zurückführbare Abstandsänderungen/ Messsignaländerungen zwischen der mindestens einen Messelektrode 22 und ihrer mindestens einen Mess-Gegenelektrode 26 „herauszufiltern“, bzw. korrigieren zu können. Wie in 3a und 3b erkennbar ist, können die mindestens eine Referenzelektrode 28 aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 46 und ihre mindestens eine Referenz-Gegenelektrode 30 aus der Leiterbahnschicht 32 gebildet/herausstrukturiert werden. Insbesondere können die Biegebalkenstruktur 34, ihre Gegenelektrode 42, eine benachbarte Referenzelektrode 28 und eine benachbarte Referenz-Gegenelektrode 30 mittels einer Strukturierung je eines durchgehenden Zwischenspalts 60 aus einer „herkömmlichen“ Referenzelektrode 28 der 1 und ihrer zugeordneten Referenz-Gegenelektrode 30 gebildet werden.
In der Darstellung der 3a ist der Außendruck p₂ gleich dem Innendruck p₁ in dem Innenvolumen 18. Demgegenüber ist in der Darstellung der 3b der Außendruck p₂ höher als der Innendruck p₁. Erkennbar ist, dass in diesem Fall die Verwölbung der Membran 16 eine Biegung des mindestens einen freitragenden Bereichs 38 der Biegebalkenstruktur 34 auslöst, wodurch eine Änderung des Abstands d zwischen dem mindestens einen freitragenden Bereich 38 der Biegebalkenstruktur 34 und der zugeordneten Gegenelektrode 42 erfolgt, und wodurch Energie absorbiert, bzw. eine Gegenkraft auf die Membran 16 erzeugt wird, weshalb die Membran 16 gegenüber dem Stand der Technik weniger stark verwölbt wird. Ein in der verwölbten Membran 16 auftretender mechanischer Stress ist darum, insbesondere im Einspannungsbereich 16c der Membran 16, reduziert. Mittels der Biegebalkenstruktur 34 kann somit der Entstehung von Rissen in der Membran 16 verlässlich entgegengewirkt werden. Deshalb ist selbst bei einer vergleichsweise dünnen Ausbildung der Membran 16 keine Rissbildung in der Membran 16 zu befürchten. Das Risiko eines Ausfalls des mikromechanischen Bauteils aufgrund von Rissen in seiner Membran 16 ist damit gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert.
Es wird hier auch darauf hingewiesen, dass mittels einer parallel zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Länge des mindestens einen freitragenden Bereichs 38 der Biegebalkenstruktur 34, einer parallel zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Breite des mindestens einen freitragenden Bereichs 38 der Biegebalkenstruktur 34, einer senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Höhe des mindestens einen freitragenden Bereichs 38 der Biegebalkenstruktur 34 und der Form des mindestens einen freitragenden Bereichs 38 der Biegebalkenstruktur 34 die Gegenkraft, bzw. die Menge an mittels der Biegebalkenstruktur 34 absorbierter Energie, festgelegt werden kann. Auch mittels einer Position der mindestens einen Koppelstruktur 40 kann „eingestellt“ werden, welche Gegenkraft der mindestens eine freitragende Bereich 38 der Biegebalkenstruktur 34 am Ort der mindestens einen Koppelstruktur 40 auf die Membran 16 aufbringt. Über die geometrischen Abmessungen und die Form des mindestens einen freitragenden Bereichs 38 der Biegebalkenstruktur 34, sowie über den Abstand der mindestens einen Koppelstruktur 40 zu dem Einspannungsbereich 16c der Membran 16, kann lokal der Verbiegung der Membran 16 (aufgrund des vorliegenden Außendrucks p₂) gezielt mehr oder weniger stark entgegen gewirkt werden. Die Gegenkraft, bzw. die Menge an mittels der Biegebalkenstruktur 34 absorbierter Energie kann damit flexibel eingestellt werden. Durch die Verwendung von mehreren Koppelstrukturen 40 pro freitragendem Bereich 38 kann außerdem erreicht werden, dass bei einer bei Druckbeaufschlagung der Membranaußenseite 16b die resultierende Membranverwölbung/Membranverbiegung besser/definierter „modelliert“/eingestellt werden kann.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 3a und 3b und ihrer Vorteile wird auf die Ausführungsform der 2 verwiesen.
4 zeigt eine schematische Teildarstellung einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Bei der Ausführungsform der 4 erstreckt sich der freitragende Bereich 38 der Biegebalkenstruktur 34 über einer auf der Substratoberfläche 10a und/oder der mindestens einen Zwischenschicht 12a und 12b angeordneten elektrisch leitfähigen Struktur 62, welche auf dem gleichen Potential wie der freitragende Bereich 38 der Biegebalkenstruktur 34 (und evtl. die Membran 16) liegt. Mittels einer elektrischen Anbindung der elektrisch leitfähigen Struktur 62 an die Biegebalkenstruktur 34 können veränderliche Referenz- und Streukapazitäten bei einer Druckbeaufschlagung der Membran 16 vermieden werden. Beispielhaft erstreckt sich der freitragende Bereich 38 weg von dem zugeordneten Verankerungsbereich 36 seiner Biegebalkenstruktur 34 und weg von dem Einspannungsbereich 16c der Membran 16.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 4 und ihrer Vorteile wird auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
5 zeigt eine schematische Teildarstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Bei dem mikromechanischen Bauteil der 5 erstreckt sich der freitragende Bereich 38 seiner Biegebalkenstruktur 34 weg von dem zugeordneten Verankerungsbereich 36 hin zu dem Einspannungsbereich 16c der Membran. Eine mechanische Krafteinkopplung/Energieeinkopplung in die Biegebalkenstruktur 34 über ihre Koppelstruktur 40 erfolgt deshalb nahe an dem Einspannungsbereich 16c der Membran 16.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 5 und ihrer Vorteile wird auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
6 zeigt eine schematische Teildarstellung einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Bei dem mikromechanischen Bauteil der 6 weist seine Biegebalkenstruktur 34 zwei Verankerungsbereiche 36 mit je einem freitragenden Bereich 38, welcher über je mindestens eine Koppelstruktur 40 an der Membraninnenseite 16a angebunden ist, auf. Erkennbar ist, dass eine derartige Ausbildung der Biegebalkenstruktur 34 mittels eines durchgehenden Zwischenspalts 60 durch die „herkömmliche“ Referenzelektrode 28 der 1 ausbildbar ist. Bei einer derartigen Biegebalkenstruktur 34 besteht die Möglichkeit, an mindestens zwei unterschiedlichen Positionen der Membran 16 je eine Gegenkraft auf die Membraninnenseite 16a der Membran 16 auszuüben. Außerdem kann über eine Gestaltung der beiden freitragenden Bereiche 38, insbesondere ihrer (evtl. unterschiedlichen) Längen, ihrer (evtl. unterschiedlichen) Breiten, ihrer (evtl. unterschiedlichen) Höhen und ihrer (evtl. unterschiedlichen) Formen, die jeweilige Gegenkraft beeinflusst werden, um eine Verbiegung der Membran 16 bei einer Druckbeaufschlagung der Membranaußenseite 16b entsprechend einer gewünschten Soll-Verbiegung/Soll-Deformation festzulegen.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 6 und ihrer Vorteile wird auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
7 zeigt eine schematische Teildarstellung einer sechsten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das mikromechanische Bauteil der 7 weist als Weiterbildung zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform noch an einer von der Membran 16 weg gerichteten Fläche des mindestens einen freitragenden Bereichs 38 der Biegebalkenstruktur 34 mindestens eine hervorstehende Anschlagstruktur 64 auf. Mittels der mindestens einen Anschlagstruktur 64 kann eine maximale Auslenkung des mindestens einen freitragenden Bereichs 38 in einer Richtung zu dem Substrat 10 begrenzt werden. Entsprechend kann auch eine maximale Verwölbung der Membran 16 mittels der mindestens einen Anschlagstruktur 64 begrenzt werden. Bevorzugt erstrecken sich je eine Anschlagstruktur 64 und je eine Koppelstruktur 40 entlang einer gemeinsamen Achse 66. Man kann dies auch derart umschreiben, dass die mindestens eine Anschlagstruktur 64 jeweils innerhalb einer „verlängerten Längsachse“ der mindestens einen Koppelstruktur 40 liegt. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Kontakt der mindestens einen Anschlagstruktur 64 mit einer Kontaktstruktur, der Substratoberfläche 10a und/oder der mindestens einen Zwischenschicht 12a und 12b eine Krafteinkopplung in die Membran 16 direkt über die mindestens eine Koppelstruktur 40, den mindestens einen freitragenden Bereich 38 und die mindestens eine Anschlagstruktur 64 in das Substrat 10 weitergeleitet wird. In dem Ausführungsbeispiel der 7 kontaktiert die mindestens eine Anschlagstruktur 64 bei einer starken Verwölbung der Membran 16 beispielhaft die mindestens eine Zwischenschicht 12a und 12b.
Alternativ kann auch, sofern gewünscht, ein „federnder Anschlag“ des mindestens einen freitragenden Bereichs 38 der Biegebalkenstruktur 34 ausgebildet werden, indem die mindestens eine Anschlagstruktur 64 versetzt zu der mindestens einen Koppelstruktur 40, bzw. außerhalb der „verlängerten Längsachse“ der mindestens einen Koppelstruktur 40, positioniert wird.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 7 und ihrer Vorteile wird auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
8 zeigt eine schematische Teildarstellung einer siebten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das mikromechanische Bauteil der 8 hat als Ergänzung zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform noch eine Kontaktstruktur 68, welche die mindestens eine Anschlagstruktur 64 bei einer starken Verwölbung der Membran 16 kontaktiert. Die Kontaktstruktur 68 kann aus der Leiterbahnschicht 32 gebildet/herausstrukturiert sein, ist jedoch bevorzugt elektrisch isolierend zu ihrer unmittelbaren Umgebung ausgebildet. Alternativ kann die Kontaktstruktur 68 ein gleiches Potential besitzen wie die mindestens eine Anschlagstruktur und/oder der mindestens eine freitragende Bereich 38 der Biegebalkenstruktur 34.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 8 und ihrer Vorteile wird auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
9 zeigt eine schematische Teildarstellung einer achten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Bei dem mikromechanischen Bauteil der 9 ist auf die Ausbildung mindestens einer hervorstehenden Anschlagstruktur 64 an dem mindestens einen freitragenden Bereich 38 seiner Biegebalkenstruktur 34 verzichtet. Allerdings weist das mikromechanische Bauteil der 9 die oben schon beschriebene Kontaktstruktur 68 auf, gegen welche mindestens ein Ende des mindestens einen freitragenden Bereichs 38 seiner Biegebalkenstruktur 34 bei einer starken Verwölbung der Membran 16 stößt. Auch bei einem Verzicht auf die Ausbildung mindestens einer hervorstehenden Anschlagstruktur 64 an dem mindestens einen freitragenden Bereich 38 kann mittels der Kontaktstruktur 68 eine maximale Verwölbung der Membran 16 festgelegt werden.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 9 und ihrer Vorteile wird auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
Alternativ kann in einer Abwandlung der Ausführungsformen der 8 und 9 auch die elektrisch leitfähige Struktur 62 (anstelle der Kontaktstruktur 68) zur Festlegung einer maximalen Verwölbung der Membran 16 genutzt werden.
10 bis 12 zeigen schematische Teildarstellungen einer neunten, zehnten und elften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Die mikromechanischen Bauteile der 10 bis 12 unterscheiden sich von der Ausführungsform der 6 lediglich in der zumindest teilweisen Vergrößerung der geometrischen Abmessungen eines sich von der Biegebalkenstruktur 34 bis zu der Membran 16 erstreckenden Bereichs der Rahmenstruktur 14, eines sich von der Biegebalkenstruktur 34 bis zu der Leiterbahnschicht 32 erstreckenden Bereichs der Rahmenstruktur 14 und/oder eines weiteren Verankerungsbereichs 36 der Biegebalkenstruktur 34. Auch auf diese Weise kann eine Menge an mittels der Biegebalkenstruktur 34 absorbierter Energie festgelegt und Einfluss auf die Verbiegung/Deformation der Membran 16 bei Anliegen eines Außendrucks p₂ genommen werden.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale der mikromechanischen Bauteile der 10 bis 12 und ihrer Vorteile wird auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
Bei allen oben beschriebenen mikromechanischen Bauteilen kann eine Menge an mittels ihrer Biegebalkenstruktur 34 absorbierter Energie mittels einer relativ freien Wahl der Länge des mindestens einen freitragenden Bereichs 38, der Breite des mindestens einen freitragenden Bereichs 38, der Höhe des mindestens einen freitragenden Bereichs 38, der Form des mindestens einen freitragenden Bereichs 38 und einer Position ihrer mindestens einen Koppelstruktur 40 festgelegt werden. Die mindestens eine Koppelstruktur 40 kann vollständig aus mindestens einem elektrisch-leitfähigen Material gebildet sein/werden, beispielsweise indem die mindestens eine Koppelstruktur 40 vollständig aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 50 gebildet/herausstrukturiert wird. Alternativ kann die mindestens eine Koppelstruktur 40 zumindest teilweise aus mindestens einem elektrisch-isolierenden Material, wie insbesondere siliziumreichen Siliziumnitrid, gebildet sein/werden. Bei einer Ausbildung der mindestens einen Koppelstruktur 40 zumindest teilweise aus siliziumreichen Siliziumnitrid greifen zum Ätzen der Opferschichten 48 und 52 häufig verwendete Ätzmaterialien, wie beispielsweise HF oder BOE, das siliziumreiche Siliziumnitrid nicht/kaum an.
Alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteilen können mittels des erläuterten Herstellungsverfahrens hergestellt werden, wobei als Weiterbildung evtl. noch mindestens eine hervorstehende Anschlagstruktur 64 an einer von der Membran 16 weg gerichteten Fläche des mindestens einen freitragenden Bereichs 38 der Biegebalkenstruktur 34 ausgebildet wird. Die Rahmenstruktur 14, die mindestens eine Aufhängestruktur 24 der mindestens einen Messelektrode 22 und/oder der Verankerungsbereich 36 können zumindest teilweise elektrisch isolierend ausgebildet sein. Als elektrisch isolierendes Material kann z.B. siliziumreiches Siliziumnitrit zum Bilden der Rahmenstruktur 14 und/oder des Verankerungsbereichs 36 verwendet werden. Außerdem können Halbleiterschichten zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit gezielt dotiert ausgeführt werden.

Claims

Mikromechanisches Bauteil für eine Sensor- oder Mikrofonvorrichtung mit: einem Substrat (10) mit einer Substratoberfläche (10a); einer Rahmenstruktur (14), welche auf der Substratoberfläche (10a) und/oder mindestens einer die Substratoberfläche (10a) zumindest teilweise abdeckenden Zwischenschicht (12a, 12b) angeordnet ist; und einer Membran (16), welche ein von der Rahmenstruktur (14) zumindest teilweise umrahmtes Innenvolumen (18) derart überspannt, dass eine Membraninnenseite (16a) der Membran (16) an dem Innenvolumen (18) angrenzt; wobei das Innenvolumen (18) hermetisch derart abgedichtet ist, dass die Membran (16) mittels eines Druckunterschieds zwischen einem an ihrer Membraninnenseite (16a) vorliegenden Innendruck (p₁) und einem an einer von der Membraninnenseite (16a) weg gerichteten Membranaußenseite (16b) der Membran (16) vorliegenden Außendruck (p₂) verwölbbar ist, gekennzeichnet durch eine in dem Innenvolumen (18) angeordnete Biegebalkenstruktur (34) mit mindestens einem an der Rahmenstruktur (14), an der Substratoberfläche (10a) und/oder an der mindestens einen Zwischenschicht (12a, 12b) befestigten Verankerungsbereich (36) und mindestens einem freitragenden Bereich (38), welcher über mindestens eine Koppelstruktur (40) derart an der Membraninnenseite (16a) der Membran (16) angebunden ist, dass der mindestens eine freitragende Bereich (38) mittels einer Verwölbung der Membran (16) verbiegbar ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Koppelstruktur (40) vollständig aus mindestens einem elektrisch-leitfähigen Material (50) gebildet ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Koppelstruktur (40) zumindest teilweise aus mindestens einem elektrisch-isolierenden Material gebildet ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine freitragende Bereich (38) der Biegebalkenstruktur (34) mindestens eine auf der Substratoberfläche (10a) und/oder der mindestens einen Zwischenschicht (12a, 12b) angeordnete Gegenelektrode (42) überspannt, wobei die mindestens eine Gegenelektrode (42) elektrisch von dem mindestens einen freitragenden Bereich (38) der Biegebalkenstruktur (34) isoliert ist und ein Messsignal zwischen dem mindestens einen freitragenden Bereich (38) der Biegebalkenstruktur (32) und der mindestens einen Gegenelektrode (42) abgreifbar ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an einer von der Membran (16) weg gerichteten Fläche des mindestens einen freitragenden Bereichs (38) der Biegebalkenstruktur (34) mindestens eine hervorstehende Anschlagstruktur (64) ausgebildet ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Biegebalkenstruktur (34) und mindestens eine an der Rahmenstruktur (14), an der Substratoberfläche (10a) und/oder an der mindestens einen Zwischenschicht (12a, 12b) befestigte Referenzelektrode (28) und/oder mindestens eine Messelektrode (22) aus einer ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (46) gebildet sind, und/oder die Membran (16), die mindestens eine Koppelstruktur (40) und/oder mindestens eine Aufhängestruktur (24), über welche die mindestens eine Messelektrode (22) an der Membraninnenseite (16a) aufgehängt ist, aus einer zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (50) gebildet sind.
Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensor- oder Mikrofonvorrichtung mit den Schritten: Bilden einer Rahmenstruktur (14) auf einer Substratoberfläche (10a) eines Substrats (10) und/oder auf mindestens einer die Substratoberfläche (10a) zumindest teilweise abdeckenden Zwischenschicht (12a, 12b); und Überspannen eines von der Rahmenstruktur (14) zumindest teilweise umrahmten Innenvolumens (18) mit einer Membran (16) derart, dass eine Membraninnenseite (16a) der Membran (16) an dem Innenvolumen (18) angrenzt; wobei das Innenvolumen (18) hermetisch derart abgedichtet wird, dass die Membran (16) mittels eines Druckunterschieds zwischen einem an ihrer Membraninnenseite (16a) vorliegenden Innendruck (p₁) und einem an einer von der Membraninnenseite (16a) weg gerichteten Membranaußenseite (16b) der Membran (16) vorliegenden Außendruck (p₂) verwölbbar ist, gekennzeichnet durch den Schritt: Bilden einer Biegebalkenstruktur (34) in dem Innenvolumen (18) mit mindestens einem an der Rahmenstruktur (14), an der Substratoberfläche (10a) und/oder an der mindestens einen Zwischenschicht (12a, 12b) befestigten Verankerungsbereich (36) und mit mindestens einem freitragenden Bereich (38), welcher über mindestens eine Koppelstruktur (40) derart an der Membraninnenseite (16a) der Membran (16) angebunden wird, dass der mindestens eine freitragenden Bereich (38) mittels einer Verwölbung der Membran (16) verbiegbar ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, wobei an einer von der Membran (16) weg gerichteten Fläche des mindestens einen freitragenden Bereichs (38) der Biegebalkenstruktur (34) mindestens eine hervorstehende Anschlagstruktur (64) ausgebildet wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei zumindest die Biegebalkenstruktur (34) aus einer die Substratoberfläche (10a), die mindestens eine Zwischenschicht (12a, 12b), eine Leiterbahnschicht (32) und/oder mindestens eine erste Opferschicht (48) abdeckende erste Halbleiter- und/oder Metallschicht (46) gebildet wird, und wobei die Membran (16) und/oder die mindestens eine Koppelstruktur (40) aus einer die erste Halbleiter- und/oder Metallschicht (46) und/oder mindestens eine zweite Opferschicht (52) abdeckenden zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (50) gebildet werden.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 9, wobei zusätzlich zu der Biegebalkenstruktur (34) noch mindestens eine an der Rahmenstruktur (14), an der Substratoberfläche (10a) und/oder an der mindestens einen Zwischenschicht (12a, 12b) befestigte Referenzelektrode (28) und/oder mindestens eine Messelektrode (22) aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (46) gebildet werden, und/oder zusätzlich zu der Membran (16) und/oder der mindestens einen Koppelstruktur (40) noch mindestens eine Aufhängestruktur (24), über welche die mindestens eine Messelektrode (22) an der Membraninnenseite (16a) aufgehängt wird, aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (50) gebildet wird.