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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Struktur und eine mikroelektromechanische Struktur.
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Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren wie z. B. Beschleunigungs- und Drehratensensoren sind aus dem Stand der Technik in zahlreichen Formen und Varianten bekannt. So werden beispielsweise in der
DE 195 37 814 A1 , der
DE 42 41 045 C1 und der
DE 43 17 274 A1 Verfahren beschrieben, mit denen sich bewegliche Siliziumstrukturen erzeugen lassen, deren Bewegungen über die Bestimmung von Kapazitätsänderungen gemessen werden. Charakteristisch für diese Klasse von Verfahren ist, dass die beweglichen Siliziumstrukturen in einem ersten Schritt durch ein Ätzverfahren aus einer dicken Funktionsschicht erzeugt werden, bei dem die Funktionsschicht durch Gräben mit hohem Aspektverhältnis strukturiert wird. In einem zweiten Schritt wird eine Opferschicht unter der Funktionsschicht entfernt, so dass sich Strukturen ergeben, die gegenüber der Unterlage frei beweglich sind. Unter den beweglichen Strukturen kann zudem eine dünne, vergrabene Funktionsschicht aus Polysilizium angeordnet werden, die beispielsweise als Aufhängung für die beweglichen oder festen Siliziumstrukturen dient oder als Elektrode oder Leiterbahn eingesetzt werden kann. Die beweglichen Strukturen werden meist mit einer Kappe hermetisch geschützt. Der Kappenwafer kann mit unterschiedlichen Bondverfahren auf den Sensorwafer aufgebracht werden, wobei in der Kappe meist eine Kaverne vorgesehen ist.
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Wichtig für dieses Herstellungsverfahren ist, dass die Dicke der Opferschicht deutlich größer gewählt wird als die Dicke der vergrabenen Funktionsschicht, da sonst die beweglichen Strukturen bei horizontaler Auslenkung an den Kanten der ersten vergrabenen Polysiliziumschicht anschlagen würde. Nachteilig an diesen Verfahren ist jedoch, dass auch bei geringen Dicken der vergrabenen Polysiliziumschicht immer die Topographie an der Unterseite der beweglichen Schicht abgebildet wird, d.h. dass die topographische Struktur der Polysiliziumschicht einen Einfluss auf die beim Ätzen gebildete Struktur an der Unterseite der beweglichen Struktur ausübt, so dass auf diese Weise Höhenunterschiede, Unebenheiten, Vorsprünge und andere Defekte an der Unterseite entstehen können (vgl. 1). Dieser Effekt ist insbesondere für Drehratensensoren kritisch. Bei Drehratensensoren wird typischerweise eine bewegliche Masse zu einer horizontalen Schwingungsbewegung angeregt und eine durch die Corioliskraft bewirkte vertikale Auslenkung über Kapazitätsänderungen detektiert. Wann immer eine bewegliche Struktur über eine Kante einer vergrabenen Elektrodenfläche streicht, ändert sich aufgrund der Topographie an der Unterseite der beweglichen Struktur die Kapazität zwischen der beweglichen Struktur und der Elektrode. Dies führt zu einem Störsignal mit der doppelten Frequenz der Schwingung. Dieses Störsignal erschwert die korrekte Auswertung des Drehratensignals erheblich und sollte unbedingt vermieden werden.
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Weiter ist aus der
DE 10 2011 080 978 A1 ein Verfahren bekannt, mit dem die vergrabene Polysiliziumschicht so hergestellt werden kann, dass beim Ätzen in den darüber liegenden Schichten keine topographischen Defekte entstehen und damit ein Anschlagen der beweglichen Strukturen an den Kanten der vergrabenen Polysiliziumschicht vermieden wird. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist weiterhin, dass neben der Vermeidung eines solchen Anschlagens auch die oben genannten Störsignale vermieden werden können. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass es aufwändiger und die Herstellungskosten entsprechend höher sind. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei diesem Verfahren an Stellen, an denen eine vergrabene Polysiliziumfläche vorgesehen wird, Hohlräume in der Opferschicht entstehen, die unmittelbare Auswirkungen auf die Opferschichtätzung haben, da die Ätzung im Bereich der Hohlräume stark beschleunigt abläuft. Das kann zwar einerseits genutzt werden, um lokal eine starke Unterätzung zu erreichen, jedoch werden hierdurch gleichzeitig die Möglichkeiten eingeschränkt, die Unterätzung in Bereichen zu kontrollieren, in denen keine vergrabene Polyschicht vorgesehen ist.
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Moderne Drehratensensoren nutzen meist zwei vergrabene Polyschichten unterhalb der beweglichen Funktionsschicht, wobei die erste vergrabene Schicht meist rein als Leiterbahn verwendet wird. Die zweite vergrabene Polysiliziumschicht dient dabei als Gegenelektrodenfläche für die beweglichen Strukturen oder als Aufhängung bzw. Potentialzuführung für die beweglichen Strukturen. Die zweite Polysiliziumschicht kann auch als Leiterbahn und oder als Abschirmungsstruktur (Shield) dienen mit der sich elektrostatische Potentiale zwischen den beweglichen Strukturen und den Leiterbahnen in der ersten vergrabenen Polysiliziumschicht abschirmen lassen, so dass ungewollte Kräfte auf die beweglichen Strukturen vermieden werden. In derartigen Anordnungen werden üblicherweise alle vergrabenen Polysiliziumflächen auf ein definiertes Potential gelegt, um im Idealfall eine verschwindende Potentialdifferenz zu erzeugen, bei der keine ungewollten Kräfte auf die beweglichen Strukturen wirken, oder um über eine definierten Potentialdifferenz zusätzliche Kontrollmöglichkeiten in Form von definierten Kräften auf die bewegliche Struktur zu schaffen. Elektrisch isolierte Flächen ohne definiertes Potential, d.h. mit schwebendem Potential (floating potential) werden dagegen nicht genutzt, da sich dadurch unkontrollierte und sich ändernde Kräfte auf die beweglichen Massen ergeben können. Weiter wird gezielt genutzt, dass der Abstand der zweiten vergrabenen Polysiliziumschicht zum Substrat sehr groß ist, wenn die dazwischen angeordnete erste vergrabene Polysiliziumschicht in bestimmten Bereichen Ausnehmungen aufweist. Damit können in der zweiten Polysiliziumschicht große Gegenelektrodenflächen zur beweglichen Struktur hin erzeugt werden, die eine entsprechend hohe Kapazität aufweisen, die aber trotz der großen Fläche durch den großen Abstand eine kleine Kapazität gegenüber dem Substrat aufweisen. Durch die Reduzierung der parasitären Kapazitäten gegenüber den Nutzkapazitäten können sehr empfindliche Sensoren gebaut werden.
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Das Herstellungsverfahren aus der
DE 10 2011 080 978 A1 kann im Prinzip auch für beide vergrabenen Polysiliziumschichten einzeln angewendet werden, wodurch die Herstellung jedoch sehr teuer und aufwändig wird. Zudem ergibt sich der weitere Nachteil, dass eine zweifache Anwendung des Verfahrens nicht für beliebige vergrabene Polysilizumstrukturen möglich ist. Um eine Elektrodenfläche mit geringer Parasitär-Kapazität in der zweiten vergrabenen Polysiliziumeben zu erzeugen, muss in einem Randbereich immer auch eine erste vergrabene Polysiliziumschicht vorgesehen werden, damit bei der Opferschichtätzung nicht die gesamte Elektrodenfläche unterätzt wird (vgl.
4). Die Randstruktur in der ersten vergrabenen Polyschicht erhöht nun aufgrund ihres geringeren Abstandes die Parasitärkapazität der Elektrodenfläche. Bei der Herstellung muss daher der Randbereich möglichst schmal gewählt werden, wodurch sich jedoch das Risiko ergibt, dass bei Schwankungen in der Opferschichtätzung die gesamte Elektrodenfläche unterätzt wird.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2017 219 901 B3 ein Herstellungsverfahren für einen Inertialsensor bekannt, bei dem auf einem Substrat eine erste dünne Funktionsschicht aus Polysilizium abgeschieden wird, dann eine zweite dicke mikromechanische Funktionsschicht und danach eine dritte dünne Funktionsschicht aus Polysilizium.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem eine bewegliche Struktur auf einem Substrat mit zwei oder mehr vergrabenen Funktionsschichten hergestellt werden kann. Dabei sollte der Herstellungsprozess möglichst einfach sein und möglichst wenig Topographie an der Unterseite der beweglichen Strukturen erzeugen. Weitere Ziele bestehen darin, die parasitären Kapazitäten möglichst gering zu halten und eine Anordnung zu schaffen, die stabil gegenüber Schwankungen in der Opferschichtätzung ist.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, die topographischen Defekte an der Unterseite der beweglichen Struktur durch das Zusammenspiel zweier verschiedener Maßnahmen zu vermeiden. Zum einen werden in der ersten Funktionsschicht nur hinreichend schmale Gräben vorgesehen, die beim Ätzen an der Unterseite der beweglichen Strukturen keine Defekte erzeugen. Um diese spezielle Gestaltung auch für große Flächen unterhalb der beweglichen Struktur zu ermöglichen, ohne durch die entsprechend große Fläche der ersten Funktionsschicht deren Beitrag zur parasitären Kapazität zu erhöhen, werden weiterhin isolierte Segmente („Dummy-Flächen“) vorgesehen, die schwebend (floating) an den Rest der mikroelektromechanischen Struktur angebunden sind.
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Zur Beschreibung der geometrischen Verhältnisse werden als Bezugssystem die Haupterstreckungsebene des Substrats und die darauf senkrecht stehende Richtung angenommen. Die Richtungen parallel zur Haupterstreckungsebene werden im Folgenden auch als laterale Richtungen bezeichnet und unter der senkrechten oder vertikalen Richtung ist stets die Richtung senkrecht zum Substrat zu verstehen. Die erste, zweite und dritte Isolationsschicht und die erste, zweite und dritte Funktionsschicht verlaufen insbesondere jeweils parallel zum Substrat und sind vertikal übereinander angeordnet, wobei zwischen der zweiten Isolationsschicht und der zweiten Funktionsschicht bzw. der dritten Isolationsschicht und der dritten Funktionsschicht wahlweise eine oder mehrere zusätzliche Hilfsschichten angeordnet sein können. Der laterale Bereich der dritten Funktionsschicht, aus dem durch Strukturierung die bewegliche Struktur gebildet wird, wird im Folgenden als der strukturierte laterale Bereich bezeichnet und entspricht der lateralen Ausdehnung der durch Strukturieren und Freistellen (d.h. Ätzung der darunter liegenden dritten Isolationsschicht) gebildeten beweglichen Struktur. Das erfindungsgemäße Verfahren zielt darauf ab, den Einfluss der Topographie der ersten Funktionsschicht auf die vertikal darüber liegende Unterseite der beweglichen Struktur zu minimieren. Der vertikal unter der beweglichen Struktur (bzw. unter dem strukturierten lateralen Bereich der dritten Funktionsschicht) liegende Bereich einer (Isolations- oder Funktions-) Schicht wird als der laterale Bereich der jeweiligen Schicht bezeichnet und entspricht der senkrechten Projektion des strukturierten lateralen Bereichs auf die jeweilige Schicht. Die erfindungsgemäße Gestaltung der ersten Funktionsschicht mit schmalen Gräben und mindestens einem Dummy-Segment bezieht sich immer ausschließlich auf den lateralen Bereich der ersten Funktionsschicht, da nur dieser einen Einfluss auf die senkrecht darüber liegende Unterseite der beweglichen Struktur ausüben kann. Die Funktionsschichten können beispielsweise aus Polysilizium bestehen, während als Material für die Isolationsschichten beispielsweise Siliziumoxid verwendet werden kann.
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Das Verfahren gemäß Anspruch 1 hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der Einfluss der Topographie der ersten Funktionsschicht auf die durch Ätzen erzeugte Unterseite der beweglichen Struktur unterdrückt wird. Zudem wird durch die erfindungsgemäße Gestaltung die Empfindlichkeit gegenüber Fertigungsschwankungen beim Opferschichtätzprozess verringert und der Herstellungsprozess insgesamt robuster. Die nachfolgenden Beschreibungen beziehen sich stets auf eine einzelne bewegliche Struktur, jedoch lassen sich mit dem Verfahren auch mikroelektromechanische Strukturen mit mehreren beweglichen Massen herstellen, indem die erfindungsgemäße Gestaltung des lateralen Bereichs der ersten Funktionsschicht entsprechend auf zwei oder mehr Bereiche verallgemeinert wird, die jeweils unterhalb einer der beweglichen Strukturen liegen.
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Durch die Ätzung wird die dritte Isolationsschicht (Opferschicht) unterhalb des strukturierten lateralen Bereichs der dritten Funktionsschicht vollständig entfernt, so dass die bewegliche Struktur auf diese Weise freigestellt wird und insbesondere bezüglich mindestens einer lateralen Richtung schwingungsfähig gelagert ist. Bei diesem Ätzprozess werden auch Teile der zweiten und dritten Isolationsschicht und eventuell vorhandener Hilfsschichten abgetragen. Da dabei die Topographie der ersten Funktionsschicht die lokale Ätzung an der Unterseite der freiwerdenden beweglichen Struktur beeinflusst, sieht der Erfindungsgedanke vor, die Topographie so zu gestalten, dass dieser Einfluss möglichst gering ist. Da der Effekt insbesondere stark von der Größe der Ausnehmungen in der ersten Funktionsschicht abhängt und bei größeren Ausnehmungen stärker ausgeprägt ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Ausnehmungen im lateralen Bereich der ersten Funktionsschicht ausschließlich in Form von schmalen Gräben zu bilden. Die Breite ist dabei kleiner gewählt als der doppelte senkrechte Abstand zwischen erster und dritter Funktionsschicht, d.h. kleiner als die doppelte Summe aller Schichtdicken der zwischen erster und dritter Funktionsschicht angeordneten Schichten (zweite und dritte Isolationsschicht, zweite Funktionsschicht und optionale Hilfsschichten). Durch die Wahl dieses Verhältnisses zwischen lateraler Breite und senkrechtem Abstand wird vorteilhafterweise erreicht, dass beim Ätzen keine topographischen Defekte an der Unterseite der beweglichen Strukturen gebildet werden. Denkbar ist auch, die Gräben noch schmaler auszulegen, beispielsweise mit einer Breite, die dem Abstand zwischen erster und dritter Funktionsschicht oder sogar nur der Dicke der ersten Funktionsschicht entspricht. Da durch dieses Gestaltungsprinzip die Größe der Ausnehmungen in der ersten Funktionsschicht stark eingeschränkt wird, muss zusätzlich vermieden werden, dass größere Teile der ersten Funktionsschicht, die keine unmittelbare Funktion besitzen (beispielsweise in Form einer kontrollierten elektrostatischen Kopplung an andere Komponenten der Struktur) zu einer Erhöhung der parasitären Kapazitäten beitragen. Anstatt diese Teile der ersten Funktionsschicht zu entfernen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, sie durch schmale Gräben vom Rest der ersten Funktionsschicht elektrisch zu isolieren, so dass diese „Dummy-Segmente“ beim Betrieb des Sensors ein schwebendes Potential aufweisen und die parasitären Effekte auf diese Weise vermindert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt weiterhin mehrere vorteilhafte Weiterbildungen zu, die Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Breite der Gräben in dem lateralen Bereich der ersten Funktionsschicht größer ist als die halbe Dicke der ersten Funktionsschicht. Auf diese Weise lässt sich vorteilhafterweise beim Abscheiden der zweiten Isolationsschicht die Bildung von Hohlräumen vermeiden. Denkbar ist auch, dass mindestens ein Graben im lateralen Bereich der ersten Funktionsschicht eine Breite aufweist, die größer ist als die halbe Dicke der ersten Funktionsschicht, so dass sich beispielsweise die Bildung von Hohlräumen gezielt in besonders kritischen Bereichen vermeiden lässt. Denkbar ist ebenfalls, dass mindestens ein weiterer Graben im lateralen Bereich der ersten Funktionsschicht eine Breite aufweist, die kleiner ist, als die halbe Dicke der ersten Funktionsschicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die zweite Funktionsschicht derart gebildet, dass sie mindestens ein erstes und zweites Segment aufweist und die beiden Segmente elektrisch voneinander isoliert sind, wobei die erste Funktionsschicht derart gebildet wird, dass sie ein erstes und ein zweites elektrisch isoliertes Segment aufweist, die durch Gräben voneinander und vom Rest der ersten Funktionsschicht getrennt sind, wobei das erste Segment der ersten Funktionsschicht unter dem ersten Segment der zweiten Funktionsschicht angeordnet ist und das zweite Segment der ersten Funktionsschicht unter dem zweiten Segment der zweiten Funktionsschicht angeordnet ist. Insbesondere können das erste und zweite Segment der zweiten Funktionsschicht benachbart zueinander angeordnet sein und z.B. durch eine Ausnehmung voneinander getrennt sein. Bei dieser Ausführungsform werden die Dummy-Bereiche der ersten Funktionsschicht in Abhängigkeit der Potentiale der darüber liegenden Strukturen segmentiert. Auf diese Weise lässt sich vorteilhafterweise vermeiden, dass das erste und zweite Segment der zweiten Funktionsschicht über Dummy-Segmente der ersten Funktionsschicht aneinander koppeln und zwischen ihnen parasitäre Kapazitäten erzeugt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die erste Funktionsschicht derart gebildet, dass sie in dem lateralen Bereich ein abschirmendes Segment aufweist, das durch Gräben vom Rest der ersten Funktionsschicht getrennt ist, wobei das abschirmende Segment unterhalb einer Ausnehmung der zweiten Funktionsschicht angeordnet ist und mit mindestens einem Segment der zweiten Funktionsschicht leitend verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform wird an besonders kritischen Randbereichen zwischen zwei Segmenten der zweiten Funktionsschicht mindestens eine Shield-Struktur in der ersten Funktionsschicht vorgesehen, die auf einem definierten Potential liegt, um Kräfte auf die bewegliche Struktur abzuschirmen, die durch Streufelder der Dummy-Flächen der ersten vergrabenen Funktionsschicht hervorgerufen werden. Insbesondere überdecken die Shield-Strukturen in der ersten Funktionsschicht (vom Substrat aus gesehen) die Ausnehmung der zweiten Funktionsschicht, so dass damit insbesondere bei breiten Ausnehmungen eine Abschirmung zum Substrat hin gewährleistet wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die erste Funktionsschicht derart gebildet, dass sie in dem lateralen Bereich ein erstes und zweites abschirmendes Segment aufweist, die in einer Umgebung unterhalb einer Ausnehmung der zweiten Funktionsschicht angeordnet sind, wobei das erste abschirmende Segment mit einem ersten Segment der zweiten Funktionsschicht leitend verbunden ist und das zweite abschirmende Segment mit einem zweiten Segment der zweiten Funktionsschicht leitend verbunden ist. Insbesondere sind die derart gebildeten Shield-Strukturen unter einem Rand der Ausnehmung der zweiten Funktionsschicht angeordnet so dass damit vorteilhafterweise eine besonders schmale Shield-Struktur mit geringer Parasitärkapazität zum Substrat hin ermöglicht wird. Insbesondere handelt es sich um eine grabenförmige Ausnehmung der zweiten Funktionsschicht und die beiden abschirmenden Segmente sind symmetrisch zueinander unter den beiden Rändern der grabenförmigen Ausnehmung angeordnet. Diese Lösung ist insbesondere für schmale Öffnungen in der zweiten Polysiliziumschicht von Vorteil.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Ausnehmungen in der zweiten Funktionsschicht durch die folgenden Teilschritte gebildet:
- Bilden von Gräben in der zweiten Funktionsschicht, die sich über die gesamte Dicke der zweiten Funktionsschicht erstrecken, wobei die Gräben nachfolgend durch die Bildung einer ersten Hilfsschicht aufgefüllt werden; Bilden von Ätzzugänge in der ersten Hilfsschicht, die die zweite Funktionsschicht teilweise freilegen, wobei durch nachfolgendes Ätzen Teilbereiche der zweiten Funktionsschicht entfernt werden und die Ätzzugänge vor dem Bilden der dritten Funktionsschicht durch die dritte Isolationsschicht verschlossen werden; wobei die erste Hilfsschicht beim Ätzen der dritten Isolationsschicht zumindest teilweise entfernt wird. Insbesondere erfolgt das Ätzen der dritten Isolationsschicht über die Ätzzugänge, wobei die gefüllten Gräben und die dritte Isolationsschicht als Ätzstopp wirken. Bei dieser Ausführungsform wird insbesondere das aus der DE 10 2011 080 978 A1 bekannte Verfahren angewendet, um die Ausnehmungen in der zweiten Funktionsschicht zu bilden, ohne dass die so erzeugten Ausnehmungen beim Ätzen Defekte an der Unterseite der beweglichen Struktur erzeugen. Für weitere Details zur Ausführung des Verfahrens ist hier auf die DE 10 2011 080 978 A1 verwiesen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden Teilbereiche der ersten Isolationsschicht und der zweiten Isolationsschicht beim Ätzen derart entfernt, dass ein verbleibender Teilbereich der ersten Isolationsschicht eine Sockelstruktur für das erste isolierte Segment der ersten Funktionsschicht bildet und ein verbleibender Teilbereich der zweiten Isolationsschicht eine Sockelstruktur für ein Segment der zweiten Funktionsschicht bildet. In ähnlicher Weise können auch Teilbereiche der ersten und zweiten Isolationsschicht derart entfernt werden, dass jeweils eine Sockelstruktur für erste Segmente der ersten bzw. zweiten Funktionsschicht entsteht und analog Sockelstrukturen für zweite Segmente der beiden Funktionsschichten gebildet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird durch die erste Funktionsschicht mindestens eine Leiterbahn gebildet und/oder durch die dritte Funktionsschicht mindestens eine Elektrode, insbesondere eine Detektionselektrode gebildet.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine mikroelektromechanisches Struktur gemäß Anspruch 9. Die erfindungsgemäße Struktur kann insbesondere mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden und die in Bezug auf das Verfahren dargestellten Vorteile und Ausführungsformen übertragen sich direkt auf die erfindungsgemäße mikroelektromechanische Struktur. Die zweite Funktionsschicht weist dabei mindestens ein erstes und zweites Segment auf, wobei die beiden Segmente elektrisch voneinander isoliert sind, wobei die erste Funktionsschicht ein erstes und ein zweites elektrisch isoliertes Segment aufweist, die durch Gräben voneinander und vom Rest der ersten Funktionsschicht getrennt sind, wobei das erste Segment der ersten Funktionsschicht unter dem ersten Segment der zweiten Funktionsschicht angeordnet ist und das zweite Segment der ersten Funktionsschicht unter dem zweiten Segment der zweiten Funktionsschicht angeordnet ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der zugehörigen Beschreibung.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte mikroelektromechanische Struktur.
- 2 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte mikroelektromechanische Struktur mit einer Kappe.
- 3 zeigt eine mikroelektromechanische Struktur deren erste Funktionsschicht mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren strukturiert wurde.
- 4a und 4b illustrieren die bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren auftretenden Probleme beim Strukturieren der ersten Funktionsschicht.
- 5 zeigt schematisch eine, mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte mikroelektromechanischen Struktur.
- 6 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Struktur.
- 7 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Struktur mit Abschirmungsstrukturen.
- 8 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Struktur mit Abschirmungsstrukturen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die
1 zeigt eine mikroelektromechanische Struktur 4' aus dem Stand der Technik. Die Struktur wird durch eine Schichtfolge auf dem Substrat 30 gebildet, wobei die oberste Schicht durch eine dicke Funktionsschicht aus Silizium gebildet wird, die durch die Erzeugung von Gräben 2 mit hohem Aspektverhältnis (siehe
DE 42 41 045 C1 ) zu einer beweglichen Siliziumstruktur 1 ausgebildet wird. Die Schicht unmittelbar darunter wird durch Ätzen entfernt, so dass die bewegliche Struktur 1 durch den so entstandenen Freiraum 3 freigestellt wird (siehe
DE 43 17 274 A1 ) und gegenüber der Unterlage frei beweglich ist. Unter der beweglichen Struktur 1 ist auf dem Substrat 30 eine dünne, vergrabene Polysiliziumschicht 5 angeordnet, die durch eine Isolationsschicht 35' vom Substrat 30 getrennt ist. Diese Funktionsschicht 5 kann dabei als Aufhängung 6 für die beweglichen oder festen Siliziumstrukturen verwendet werden oder als Elektrode 7 unter den beweglichen Strukturen 1 eingesetzt werden.
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Die Ausnehmungen, mit denen die Funktionsschicht 5 strukturiert wird, führen nun zu dem nachteiligen Effekt, dass an dieser Stelle beim Ätzen lokale Topographie-Defekte 11 an der Unterseite der beweglichen Struktur 1 entstehen (hier anhand der Ausnehmung zwischen den Komponenten 6 und 7 illustriert, die den Defekt 11 erzeugen). Wenn die bewegliche Struktur 1 über eine Kante der Elektrodenfläche 7 streicht, ändert sich aufgrund der Topographie 11 an der Unterseite der beweglichen Struktur 1 die Kapazität zwischen beweglicher Struktur 1 und der feststehenden Gegenelektrode 7. Das damit verbundene Störsignal verzerrt das eigentliche Messsignal und sollte daher unbedingt vermieden werden.
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In der 2 ist die abgebildete mikroelektromechanische Struktur 4' mit einer Kappe 9 hermetisch geschützt. Der Kappenwafer 9 kann mit unterschiedlichen Bondverfahren auf den Sensorwafer aufgebracht werden, wobei in der Kappe 9 meist eine Kaverne 10 vorgesehen ist. Die erste Funktionsschicht 5 oberhalb des Substrats 30 ist bei dieser Ausführungsform als Leiterbahn 8 ausgebildet.
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3 illustriert eine weitere Möglichkeit, die unter der beweglichen Struktur 1 angeordneten Schichten zu strukturieren. Die erste vergrabene Schicht dient hier rein als Leiterbahn 13. Teilbereiche der zweiten vergrabene Polysiliziumschicht 14 können als Gegenelektrodenfläche 29 hin zu den beweglichen Strukturen 1, als Aufhängung und Potentialzuführung für die beweglichen Strukturen 1, als Leiterbahn und auch als Abschirmung dienen, um Potentiale zwischen den beweglichen Strukturen 1 und den Leiterbahnen 13 in der ersten vergrabenen Polysiliziumschicht abzuschirmen. Die Ausnehmung 28 in der ersten vergrabenen Schicht, die unter der Gegenelektrode 29 angeordnet ist, wurde hier mit dem Verfahren aus
DE 10 2011 080 978 A1 gebildet. An dieser Stelle kann es potentiell zu relativ hohen parasitären Kapazitäten zwischen der Elektrode 29 und dem Substrat 30 kommen, jedoch wird hier gezielt genutzt, dass im Teilbereich 28 der Abstand 15 der zweiten vergrabenen Polysiliziumschicht 14 zum Substrat 30 sehr groß ist, so dass die parasitären Kapazitäten nur gering ausfallen.
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In den
4a und
4b ist der Nachteil des Verfahrens aus der
DE 10 2011 080 978 A1 illustriert, dass eine zweifache Anwendung des Verfahrens (d.h. einzeln für beide Funktionsschichten) nicht uneingeschränkt möglich ist. Bei diesem Verfahren entstehen die in
4a gezeigten Hohlräume 12, die die Ätzung in diesen Bereichen stark beschleunigen. Um eine Elektrodenfläche 17 mit geringer Parasitär-Kapazität in der zweiten vergrabenen Polysiliziumeben zu erzeugen, muss in einem Randbereich 16 immer auch eine erste vergrabene Polysiliziumschicht vorgesehen werden, damit bei der Opferschichtätzung nicht die gesamte Elektrodenfläche 17 unterätzt wird. Die Randstruktur 16 in der ersten vergrabenen Polyschicht erhöht nun aufgrund ihres geringeren Abstandes die Parasitär-Kapazität der Elektrodenfläche 17. Dies kann zwar dadurch vermieden werden, dass der Randbereich 16 möglichst schmal gewählt wird, jedoch ergibt sich dadurch das Risiko, dass bei Schwankungen in der Opferschichtätzung die gesamte Elektrodenfläche 17 unterätzt wird, wie es beispielhaft in
4b illustriert ist.
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In der 5 ist eine, mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte mikroelektromechanischen Struktur 4 abgebildet. Die Schichtfolge auf dem Substrat 30 besteht aus einer ersten Isolationsschicht 31, einer ersten Funktionsschicht 41, einer zweiten Isolationsschicht 32, einer zweiten Funktionsschicht 42, einer (hier bereits entfernten) Isolationsschicht 33 und einer dritten Funktionsschicht 43. Ein lateraler Bereich 25 der dritten Funktionsschicht 43 ist zu einer beweglichen Struktur 1 ausgebildet. Um beim Ätzen topographische Defekte 11 an der Unterseite der beweglichen Struktur 1 zu vermeiden, werden in den darunter liegenden Schichten bestimmte Gestaltungsprinzipien angewendet diese Auswirkung herabsetzen. Dabei können nur diejenigen Schichtbereiche die Struktur die Unterseite der beweglichen Struktur 1 beeinflussen, die senkrecht unter der beweglichen Struktur 1 angeordnet sind und die geometrisch gesprochen der senkrechten Projektion des strukturierten lateralen Bereichs 25 auf die jeweilige Schicht entsprechen. Der jeweilige Bereich wird als lateraler Bereich der zugehörigen Schicht bezeichnet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Ausnehmungen 18 im lateralen Bereich der ersten Funktionsschicht 41 durch schmale Gräben 18 gebildet werden, deren Breite 22 kleiner ist als der zweifache Abstand zwischen erster und dritter Funktionsschicht 41, 43. Zudem ist im lateralen Bereich25 der ersten Funktionsschicht 41 ein elektrisch isoliertes Segment 19 vorgesehen, das durch Gräben 18 vom Rest der ersten Funktionsschicht 41 getrennt ist und auf diese Weise eine „Dummy-Fläche“ bildet, die ein schwebendes Potential aufweist. Bei der dargestellten Ausführungsform werden außerdem Teilbereiche der ersten und zweiten Isolationsschicht 31, 32 beim Ätzen derart entfernt, dass ein verbleibender Teilbereich 23 der ersten Isolationsschicht 31 eine Sockelstruktur 23 für das erste isolierte Segment 19 der ersten Funktionsschicht 41 bildet und ein verbleibender Teilbereich 23' der zweiten Isolationsschicht 32 eine Sockelstruktur 23' für ein Segment 20 der zweiten Funktionsschicht 42 bildet.
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In der 6 ist weist die Elektrode zwei getrennte Segmente 20, 20' auf, die auf verschiedenen Potentialen liegen. Die erste Funktionsschicht 41 ist in Abhängigkeit dieser Potentiale segmentiert und entsprechend in die beiden Segmente 19, 19' aufgeteilt.
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In der 7 ist weist die Funktionsschicht 41 im lateralen Bereich ein abschirmendes Segment 21 aufweist, das durch Gräben 18 vom Rest der ersten Funktionsschicht 41 getrennt ist. Das abschirmende Segment 21 ist dabei unterhalb der Ausnehmung 26 der zweiten Funktionsschicht 42 angeordnet und mit mindestens einem Segment 20 der zweiten Funktionsschicht 42 leitend verbunden. Das abschirmende Segment 21 bildet dabei eine Shield-Struktur, die die Öffnung 26 überdeckt und auf einem definierten Potential liegt, so dass eine Abschirmung zum Substrat 30 hin gewährleistet ist.
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Für schmale Öffnungen in der zweiten Funktionsschicht 42 sind, wie in der 8 gezeigt, abschirmende Segmente 21, 21' günstig, die symmetrisch auf beiden Seiten angeordnet sind und damit eine besonders schmale Shield-Struktur mit geringer Parasitärkapazität zum Substrat 30 hin ermöglicht. Dabei ist das erste abschirmende Segment 21 mit einem ersten Segment 20 der zweiten Funktionsschicht 42 leitend verbunden und das zweite abschirmende Segment 20' mit einem zweiten Segment 20' der zweiten Funktionsschicht 42 leitend verbunden.
