Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung.The invention relates to a micromechanical component for a sensor device. The invention also relates to a manufacturing method for a micromechanical component for a sensor device.
Stand der TechnikState of the art
1 zeigt eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Drehratensensors, welcher der Anmelderin als interner Stand der Technik bekannt ist. 1 shows a schematic representation of a conventional yaw rate sensor, which is known to the applicant as internal prior art.
Der in 1 schematisch dargestellte herkömmliche Drehratensensor hat ein Substrat 10 mit einer Substratoberfläche 10a, an welcher eine seismische Masse 12 über zumindest eine Feder 14 derart angebunden ist, dass die seismische Masse 12 zumindest entlang einer parallel zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Achse 16 in Bezug zu dem Substrat 10 verstellt werden kann. Mittels eines sich entlang einer senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Richtung durch die seismische Masse 12 erstreckenden Isolierbereichs 18 ist die seismische Masse 12 in einen ersten Elektrodenteil 12a und in einen zweiten Elektrodenteil 12b unterteilt. Der herkömmliche Drehratensensor weist außerdem noch eine benachbart zu dem ersten Elektrodenteil 12a angeordnete erste Gegenelektrode 20a und eine benachbart zu dem zweiten Elektrodenteil 12b angeordnete zweite Gegenelektrode 20b auf, wobei die erste Gegenelektrode 20a und die zweite Gegenelektrode 20b auf einer die Substratoberfläche 10a zumindest teilweise abdeckenden Isolierschicht 22 fixiert sind.the inside 1 The conventional rotation rate sensor shown schematically has a substrate 10 with a substrate surface 10a, to which a seismic mass 12 is connected via at least one spring 14 in such a way that seismic mass 12 is at least along an axis 16 aligned parallel to substrate surface 10a in relation to substrate 10 can be adjusted. Seismic mass 12 is divided into a first electrode part 12a and a second electrode part 12b by means of an insulating region 18 extending through seismic mass 12 in a direction perpendicular to substrate surface 10a. The conventional rotation rate sensor also has a first counter-electrode 20a arranged adjacent to first electrode part 12a and a second counter-electrode 20b arranged adjacent to second electrode part 12b, with first counter-electrode 20a and second counter-electrode 20b on an insulating layer that at least partially covers substrate surface 10a 22 are fixed.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9.The invention creates a micromechanical component for a sensor device with the features of claim 1 and a manufacturing method for a micromechanical component for a sensor device with the features of claim 9.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
Die vorliegende Erfindung schafft mikromechanische Bauteile, welche jeweils in einer Sensorvorrichtung, wie beispielsweise einem Drehratensensor, verwendet werden können. Die erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile weisen selbst bei Überlast eine vergleichsweise hohe Bruchfestigkeit auf. Außerdem sind die erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile mittels eines relativ geringen Arbeitsaufwands unter Einhaltung einer verlässlichen Qualität herstellbar. Die erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile können deshalb auch sehr kostengünstig hergestellt werden.The present invention creates micromechanical components which can each be used in a sensor device, such as a yaw rate sensor. The micromechanical components according to the invention have a comparatively high breaking strength even when overloaded. In addition, the micromechanical components according to the invention can be produced with a relatively small amount of work while maintaining a reliable quality. The micromechanical components according to the invention can therefore also be produced very inexpensively.
Da die erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile einen vergleichsweise einfachen Aufbau aufweisen, sind sie relativ leicht miniaturisierbar. Die mikromechanischen Bauteile können deshalb vielseitig eingesetzt werden. Des Weiteren können die erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile unter Ausführung bekannter Prozesse der Halbleitertechnologie hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil ist deshalb leicht in bereits angewandte Herstellungsprozesse integrierbar.Since the micromechanical components according to the invention have a comparatively simple structure, they can be miniaturized relatively easily. The micromechanical components can therefore be used in many different ways. Furthermore, the micromechanical components according to the invention can be produced using known processes of semiconductor technology. The manufacturing method according to the invention for a micromechanical component can therefore be easily integrated into manufacturing processes that are already in use.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils weist das mindestens eine elektrisch-isolierende Material des mindestens einen Isolierbereichs jeweils eine elektrische Leitfähigkeit kleiner-gleich 10-8 S.cm-1 und/oder einen spezifischen Widerstand größer-gleich 108 Ω·cm auf. Dies ermöglicht die Anlegung von unterschiedlichen elektrischen Potentialen an der seismischen Masse und der mindestens einen daran angebundenen Elektrode.In an advantageous embodiment of the micromechanical component, the at least one electrically insulating material of the at least one insulating region has an electrical conductivity of less than or equal to 10-8 S.cm-1 and/or a specific resistance of greater than or equal to 108 Ω.cm. This allows different electrical potentials to be applied to the seismic mass and the at least one electrode connected to it.
Vorteilhafterweise ist die mindestens eine Elektrode über mindestens eine Leiterbahn elektrisch an mindestens einem elektrischen Kontakt angebunden. The at least one electrode is advantageously electrically connected to at least one electrical contact via at least one conductor track.
Wahlweise kann auch die seismische Masse über eine weitere Leiterbahn an einem weiteren elektrischen Kontakt angebunden sein. Dies erleichtert das Anlegen unterschiedlicher Potentiale an die seismische Masse und die mindestens eine daran angebundene Elektrode.Optionally, the seismic mass can also be connected to a further electrical contact via a further conductor track. This facilitates the application of different potentials to the seismic mass and the at least one electrode connected to it.
Sofern das mikromechanische Bauteil mindestens zwei Elektroden als die mindestens eine Elektrode aufweist, hat es vorzugsweise mindestens zwei elektrische Kontakte als den mindestens einen elektrischen Kontakt, wobei zumindest eine erste Elektrode der mindestens zwei Elektroden über ihre jeweilige Leiterbahn elektrisch an einem ersten elektrischen Kontakt der mindestens zwei elektrischen Kontakte angebunden ist und zumindest eine zweite Elektrode der mindestens zwei Elektroden über ihre jeweilige Leiterbahn elektrisch an einem zweiten elektrischen Kontakt der mindestens zwei elektrischen Kontakte angebunden ist. Somit können auch an der zumindest einen ersten Elektrode und der zumindest einen zweiten Elektrode unterschiedliche Potentiale leicht angelegt werden.If the micromechanical component has at least two electrodes as the at least one electrode, it preferably has at least two electrical contacts as the at least one electrical contact, with at least one first electrode of the at least two electrodes being electrically connected via its respective conductor track to a first electrical contact of the at least two electrical contacts are connected and at least one second electrode of the at least two electrodes is electrically connected via its respective conductor track to a second electrical contact of the at least two electrical contacts. Different potentials can thus also easily be applied to the at least one first electrode and the at least one second electrode.
Bevorzugterweise überspannt jeweils ein Federabschnitt der mindestens einen Feder einen jeweiligen Spalt, wobei jeder Spalt von jeweils einem Leiterbahnabschnitt der mindestens einen Leiterbahn überspannt ist, und wobei der mindestens eine Leiterbahnabschnitt der mindestens einen Leiterbahn federnd und berührungslos zu dem den gleichen Spalt überspannenden Federabschnitt ausgebildet ist. Eine Verformbarkeit/Verbiegbarkeit der jeweiligen Feder wird somit nicht durch den den gleichen Spalt überspannenden Leiterbahnabschnitt beeinflusst.A spring section of the at least one spring preferably spans a respective gap, with each gap being spanned by a respective conductor track section of the at least one conductor track, and with the at least one conductor track section of the at least one conductor track being resilient and contactless to the same Chen gap spanning spring section is formed. A deformability/bendability of the respective spring is thus not influenced by the conductor track section spanning the same gap.
Insbesondere kann der mindestens eine Federabschnitt in einer parallel zu der Substratoberfläche ausgerichteten ersten Querschnittsebene eine Querschnittform gleich einer Querschnittform des den gleichen Spalt überspannenden Leiterbahnabschnitts in einer parallel zu der ersten Querschnittsebene ausgerichteten zweiten Querschnittsebene aufweisen. Dies bewirkt ein vorteilhaftes Verhältnis zwischen einer Federsteifigkeit des mindestens einen Federabschnitts und einer Federsteifigkeit des den gleichen Spalt überspannenden Leiterbahnabschnitts.In particular, the at least one spring section in a first cross-sectional plane aligned parallel to the substrate surface can have a cross-sectional shape identical to a cross-sectional shape of the conductor track section spanning the same gap in a second cross-sectional plane aligned parallel to the first cross-sectional plane. This brings about an advantageous relationship between a spring stiffness of the at least one spring section and a spring stiffness of the conductor track section spanning the same gap.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform liegen ein erster Schwerpunkt der seismischen Masse und der mindestens zwei Federn des mikromechanischen Bauteils und ein zweiter Schwerpunkt der mindestens zwei Elektroden und der mindestens zwei Leiterbahnen des mikromechanischen Bauteils beide auf einer senkrecht zu der Substratoberfläche ausgerichteten Achse. Dies bewirkt ein harmonisches Zusammenwirken eines aus der seismischen Masse und den mindestens zwei Federn des mikromechanischen Bauteils gebildeten ersten Masse-Feder-Systems und eines aus den mindestens zwei Elektroden und den mindestens zwei federnd ausgebildeten Leiterbahnen des mikromechanischen Bauteils gebildeten zweiten Masse-Feder-Systems.In a further advantageous embodiment, a first center of gravity of the seismic mass and the at least two springs of the micromechanical component and a second center of gravity of the at least two electrodes and the at least two conductor tracks of the micromechanical component are both on an axis aligned perpendicularly to the substrate surface. This brings about a harmonious interaction of a first mass-spring system formed from the seismic mass and the at least two springs of the micromechanical component and a second mass-spring system formed from the at least two electrodes and the at least two resilient conductor tracks of the micromechanical component.
Alternativ oder ergänzend können eine erste Eigenfrequenz eines aus der seismischen Masse und den mindestens zwei Federn des mikromechanischen Bauteils gebildeten ersten Masse-Feder-Systems und eine zweite Eigenfrequenz eines aus den mindestens zwei Elektroden und den mindestens zwei federnd ausgebildeten Leiterbahnen des mikromechanischen Bauteils gebildeten zweiten Masse-Feder-Systems definierbar sein, wobei die zweite Eigenfrequenz in einem Bereich zwischen 90% der ersten Eigenfrequenz und 110% der ersten Eigenfrequenz liegt. Auch dies bewirkt ein vorteilhaftes Zusammenwirken des ersten Masse-Feder-Systems und des zweiten Masse-Feder-Systems.Alternatively or in addition, a first natural frequency of a first mass-spring system formed from the seismic mass and the at least two springs of the micromechanical component and a second natural frequency of a second mass formed from the at least two electrodes and the at least two resilient conductor tracks of the micromechanical component -Spring system can be defined, the second natural frequency being in a range between 90% of the first natural frequency and 110% of the first natural frequency. This also brings about an advantageous interaction of the first mass-spring system and the second mass-spring system.
Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einem Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung gewährleistet. Das Herstellungsverfahren kann gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weitergebildet werden.The advantages described above are also ensured when a corresponding production method for a micromechanical component for a sensor device is carried out. The manufacturing method can be developed in accordance with the above-explained embodiments of the micromechanical component.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird zum Anbinden der mindestens einen Elektrode jeweils über den mindestens einen Isolierbereich an der seismischen Masse ein Opfermaterial auf der mindestens einen Elektrode oder mindestens einer Elektrodenmaterialschicht, aus welcher die mindestens eine Elektrode herausstrukturiert wird, abgeschiedenen, mindestens eine durchgehende Öffnung durch das Opfermaterial strukturiert, die mindestens eine durchgehende Öffnung mit dem mindestens einen elektrisch-isolierenden Material des mindestens einen Isolierbereichs gefüllt, zumindest das Material der seismischen Masse auf das in die mindestens eine durchgehende Öffnung gefüllte mindestens eine elektrisch-isolierende Material abgeschieden, und das Opfermaterial mittels eines Ätzmediums zumindest teilweise entfernt, bei welchem das Opfermaterial um zumindest einen Faktor 2 eine höhere Ätzrate als das mindestens eine elektrisch-isolierende Material des mindestens einen Isolierbereichs aufweist. Die Anbindung der mindestens einen Elektrode über den mindestens einen Isolierbereich an der seismischen Masse ist somit mittels leicht ausführbarer Prozesse der Halbleitertechnologie bewirkbar.In an advantageous embodiment of the production method, in order to connect the at least one electrode to the seismic mass, a sacrificial material is deposited on the at least one electrode or at least one electrode material layer from which the at least one electrode is structured, at least one through opening structured by the sacrificial material, the at least one through opening is filled with the at least one electrically insulating material of the at least one insulating region, at least the material of the seismic mass is deposited on the at least one electrically insulating material filled into the at least one through opening, and the sacrificial material at least partially removed by means of an etching medium, in which the sacrificial material has an etching rate higher by at least a factor of 2 than the at least one electrically insulating material of the at least one insulation area. The connection of the at least one electrode to the seismic mass via the at least one insulating region can thus be brought about by means of easily executable semiconductor technology processes.
Figurenlistecharacter list
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Drehratensensors,
- 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
- 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
- 4A bis 4F schematische Darstellungen von Zwischenprodukten zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil;
- 5A bis 5D schematische Darstellungen von Zwischenprodukten zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil;
- 6A bis 6E schematische Darstellungen von Zwischenprodukten zum Erläutern einer dritten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil; und
- 7A bis 7H schematische Darstellungen von Zwischenprodukten zum Erläutern einer vierten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Further features and advantages of the present invention are explained below with reference to the figures. Show it: - 1 a schematic representation of a conventional yaw rate sensor,
- 2 a schematic representation of a first embodiment of the micromechanical component;
- 3 a schematic representation of a second embodiment of the micromechanical component;
- 4A until 4F schematic representations of intermediate products to explain a first embodiment of the manufacturing method for a micromechanical component;
- 5A until 5D schematic representations of intermediate products to explain a second embodiment of the manufacturing method for a micromechanical component;
- 6A until 6E schematic representations of intermediate products to explain a third embodiment of the manufacturing method for a micromechanical component; and
- 7A until 7H schematic representations of intermediate products to explain a fourth embodiment of the manufacturing method for a micromechanical component.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils. 2 shows a schematic representation of a first embodiment of the micromechanical component.
Das in 2 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil umfasst ein Substrat 30 mit einer Substratoberfläche 30a. Das Substrat 30 ist vorzugsweise ein Halbleitersubstrat, wie insbesondere ein Siliziumsubstrat. Alternativ oder als Ergänzung zu Silizium kann das Substrat 30 jedoch auch mindestens ein anderes Halbleitermaterial, mindestens ein Metall und/oder mindestens ein elektrisch-isolierendes Material umfassen. Eine seismische Masse 32 ist über zumindest eine Feder 34 derart an dem Substrat 30 angebunden, dass die seismische Masse 32 zumindest entlang einer parallel zu der Substratoberfläche 30a ausgerichteten Achse 36 in Bezug zu dem Substrat 30 verstellbar ist. Die seismische Masse 32 kann insbesondere in Bezug zu dem Substrat 30 in eine harmonische Schwingung entlang der Achse 36 versetzbar sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass unter der Anbindung der seismischen Masse 32 an das Substrat 30 über die zumindest eine Feder 34 auch eine derart „flexible“ Anbindung verstanden werden kann, dass die seismische Masse 32, insbesondere die in die harmonische Schwingung entlang der Achse 36 versetzte seismische Masse 32, zusätzlich in eine geneigt/senkrecht zu der Substratoberfläche 30a ausgerichtete Raumrichtung auslenkbar ist.This in 2 schematically illustrated micromechanical component comprises a substrate 30 with a substrate surface 30a. The substrate 30 is preferably a semiconductor substrate, such as a silicon substrate in particular. Alternatively or as a supplement to silicon, however, the substrate 30 can also comprise at least one other semiconductor material, at least one metal and/or at least one electrically insulating material. A seismic mass 32 is connected to the substrate 30 via at least one spring 34 in such a way that the seismic mass 32 can be adjusted in relation to the substrate 30 at least along an axis 36 aligned parallel to the substrate surface 30a. In particular, the seismic mass 32 can be made to oscillate harmonically along the axis 36 with respect to the substrate 30 . However, it is pointed out that the connection of the seismic mass 32 to the substrate 30 via the at least one spring 34 can also be understood to mean such a “flexible” connection that the seismic mass 32, in particular the harmonic oscillation along the axis 36 offset seismic mass 32, can also be deflected in a spatial direction oriented inclined/perpendicular to the substrate surface 30a.
Außerdem ist mindestens eine Elektrode 38 jeweils über mindestens einen Isolierbereich 40 aus mindestens einem elektrisch-isolierenden Material an der seismischen Masse 32 angebunden. Die mindestens eine Elektrode 38 kann somit auf einem unterschiedlichen elektrischen Potential als die seismische Masse 32 liegen. Gleichzeitig ist die seismische Masse 32 in ihrer Robustheit von der Anbindung der mindestens einen Elektrode 38 über den mindestens einen Isolierbereich 40 kaum beeinträchtigt, weshalb selbst bei einer deutlichen Überlast keine Beschädigung der seismischen Masse 32 zu befürchten ist. Auch die Anbindung der mindestens einen Elektrode 38 an die seismische Masse 32 über den mindestens einen Isolierbereich 40 ist gegen Überlast sehr robust. Vorzugsweise ist die mindestens eine Elektrode 38 jeweils über den mindestens einen Isolierbereich 40 an einer zu der Substratoberfläche 30a ausgerichteten Seite der seismischen Masse 32 angebunden, was zum zusätzlichen Schutz der Anbindung der mindestens einen Elektrode 38 beträgt.In addition, at least one electrode 38 is connected to seismic mass 32 via at least one insulating region 40 made of at least one electrically insulating material. The at least one electrode 38 can thus be at a different electrical potential than the seismic mass 32 . At the same time, the robustness of the seismic mass 32 is hardly affected by the connection of the at least one electrode 38 via the at least one insulating region 40, which is why no damage to the seismic mass 32 is to be feared even in the event of a significant overload. The connection of the at least one electrode 38 to the seismic mass 32 via the at least one insulating area 40 is also very robust against overload. The at least one electrode 38 is preferably connected via the at least one insulating region 40 to a side of the seismic mass 32 oriented toward the substrate surface 30a, which contributes to the additional protection of the connection of the at least one electrode 38.
Das mindestens eine elektrisch-isolierende Material des mindestens einen Isolierbereichs 40 weist vorzugsweise jeweils eine elektrische Leitfähigkeit kleiner-gleich 10-8 S.cm-1 auf. Dies kann auch damit umschrieben werden, dass das mindestens eine elektrisch-isolierende Material des mindestens einen Isolierbereichs 40 einen spezifischen Widerstand größer-gleich 108 Ω·cm aufweist. Geeignete elektrisch-isolierende Materialien für den mindestens einen Isolierbereich 40 sind beispielsweise Siliziumdioxid und/oder siliziumreiches Siliziumnitrid. Da diese Materialien in der Halbleitertechnologie häufig verwendet werden, ist die Ausbildung des mindestens einen Isolierbereichs 40 leicht ausführbar. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die hier beispielhaft aufgezählten elektrisch-isolierenden Materialien nicht abschließend zu interpretieren sind.The at least one electrically insulating material of the at least one insulating region 40 preferably has an electrical conductivity of less than or equal to 10-8 S.cm-1. This can also be described by the at least one electrically insulating material of the at least one insulating region 40 having a specific resistance greater than or equal to 108 Ω·cm. Suitable electrically insulating materials for the at least one insulating region 40 are, for example, silicon dioxide and/or silicon nitride rich in silicon. Since these materials are frequently used in semiconductor technology, the at least one insulating region 40 can be formed easily. However, it is pointed out that the electrically insulating materials listed here as examples are not to be interpreted as conclusive.
In dem Beispiel der 2 ist die mindestens eine Elektrode 38 über mindestens eine Leiterbahn 42 elektrisch an mindestens einem elektrischen Kontakt 44 angebunden. Ebenso kann die seismische Masse 32 an einem weiteren elektrischen Kontakt 48 elektrisch angebunden sein, wobei die elektrischen Kontakte 44 und 48 jeweils derart voneinander getrennt oder elektrisch isoliert ausgebildet sind, dass unterschiedliche Potentiale an die elektrischen Kontakte 44 und 48 angelegt werden können. Auch die seismische Masse 32 kann somit zusätzlich zu der mindestens einen Elektrode 38 als „Elektrodeneinrichtung“ genutzt werden, wobei über die elektrischen Kontakte 44 und 48 unterschiedliche Potentiale an die mindestens eine Elektrode 38 und die seismische Masse 32 angelegt werden können.In the example of 2 the at least one electrode 38 is electrically connected to at least one electrical contact 44 via at least one conductor track 42. Likewise, the seismic mass 32 can be electrically connected to a further electrical contact 48 , with the electrical contacts 44 and 48 being separate or electrically insulated from one another in such a way that different potentials can be applied to the electrical contacts 44 and 48 . The seismic mass 32 can thus also be used as an “electrode device” in addition to the at least one electrode 38 , different potentials being able to be applied to the at least one electrode 38 and the seismic mass 32 via the electrical contacts 44 and 48 .
Optionaler Weise kann die seismische Masse 32 über eine weitere Leiterbahn 46 an dem weiteren elektrischen Kontakt 48 elektrisch angebunden sein. In dem Beispiel der 2 ist die seismische Masse 32 jedoch über die weitere Leiterbahn 46 nur mechanisch angebunden. Auf die Funktion der weiteren Leiterbahn 46 wird unten noch eingegangen.Optionally, the seismic mass 32 can be electrically connected to the further electrical contact 48 via a further conductor track 46 . In the example of 2 However, the seismic mass 32 is only mechanically connected via the further conductor track 46 . The function of the additional conductor track 46 will be discussed below.
Als optionale Weiterbildung weist das mikromechanische Bauteil der 2 noch eine erste Gegenelektrode 50a und eine zweite Gegenelektrode 50b auf, welche auf einer die Substratoberfläche 30a des Substrats 30 zumindest teilweise abdeckenden Isolierschicht 52 befestigt sind. Die erste Gegenelektrode 50a ist benachbart zu der einzigen Elektrode 38 des mikromechanischen Bauteils angeordnet, während die zweite Gegenelektrode 50b benachbart zu einem „elektrodenfreien“ Abschnitt der seismischen Masse 32 vorliegt. Mittels eines aus der einzigen Elektrode 38 und der ersten Gegenelektrode 50a gebildeten ersten Kondensators und eines aus der seismischen Masse 32 und der zweiten Gegenelektrode 50b gebildeten zweiten Kondensators kann somit insbesondere eine Dreh- oder Verkippbewegung der seismischen Masse 32 um eine parallel zu der Substratoberfläche 30a ausgerichtete (nicht skizzierte) Dreh- oder Kippachse detektiert werden.As an optional development, the micromechanical component of 2 also has a first counter-electrode 50a and a second counter-electrode 50b, which are attached to an insulating layer 52 that at least partially covers the substrate surface 30a of the substrate 30. The first counter-electrode 50a is arranged adjacent to the single electrode 38 of the micromechanical component, while the second counter-electrode 50b is adjacent to an “electrode-free” section of the seismic mass 32 . By means of a first capacitor formed from the single electrode 38 and the first counter-electrode 50a and a second capacitor formed from the seismic mass 32 and the second counter-electrode 50b, a rotary or tilting movement of the seismic mass 32 about a direction parallel to the substrate surface 30a can thus be achieved (Not sketched) rotation or tilting axis are detected.
Lediglich beispielhaft ist bei dem mikromechanischen Bauteil der 2 die seismische Masse 32 kardanisch zwischen zwei Federn 34 an mindestens einem Halterungsteil 54 aufgehängt. Die zwei Federn 34 legen die parallel zu der Substratoberfläche 30a ausgerichtete Dreh- oder Kippachse der seismischen Masse 32 fest.The micromechanical component is merely an example 2 the seismic mass 32 is gimbaled between two springs 34 on at least one support member 54 . The two springs 34 fix the axis of rotation or tilting of the seismic mass 32 aligned parallel to the substrate surface 30a.
Bei dem mikromechanischen Bauteil der 2 ist zumindest die mindestens eine Elektrode 38 aus einer Elektrodenmaterialschicht 56 herausstrukturiert. Die Elektrodenmaterialschicht 56 kann eine Halbleiterschicht, wie beispielsweise eine (dotierte) Siliziumschicht/Polysiliziumschicht, sein. Zusätzlich können auch die mindestens eine Leiterbahn 42 und/oder der mindestens eine elektrische Kontakt 44 aus der Elektrodenmaterialschicht 56 herausstrukturiert sein. Evtl. sind auch die weitere Leiterbahn 46 und der weitere elektrische Kontakt 48 aus der Elektrodenmaterialschicht 56 herausstrukturiert. Außerdem ist zumindest die seismische Masse 32 aus einer Funktionsschicht 58 herausstrukturiert. Auch die Funktionsschicht 58 kann eine Halbleiterschicht, wie beispielsweise eine (dotierte) Siliziumschicht/Polysiliziumschicht, sein. Vorzugsweise sind auch die mindestens eine Feder 34 und/oder das mindestens eine Halterungsteil 54 aus der Funktionsschicht 58 herausstrukturiert.In the micromechanical component of 2 at least the at least one electrode 38 is structured out of an electrode material layer 56. The electrode material layer 56 may be a semiconductor layer such as a (doped) silicon/polysilicon layer. In addition, the at least one conductor track 42 and/or the at least one electrical contact 44 can also be structured out of the electrode material layer 56 . The further conductor track 46 and the further electrical contact 48 may also be structured out of the electrode material layer 56 . In addition, at least seismic mass 32 is structured out of a functional layer 58 . The functional layer 58 can also be a semiconductor layer, such as a (doped) silicon layer/polysilicon layer. The at least one spring 34 and/or the at least one mounting part 54 are preferably also structured out of the functional layer 58 .
Der mindestens eine Isolierbereich 40, über welchen die mindestens eine Elektrode 38 an der seismischen Masse 32 aufgehängt ist, liegt in einer Lage zwischen der Elektrodenmaterialschicht 56 und der Funktionsschicht 58. Insbesondere kann eine zu dem Substrat 30 ausgerichtete erste Seite des mindestens einen Isolierbereichs 40 jeweils die einzige Elektrode 38 oder mindestens eine der Elektroden 38 mechanisch kontaktieren, während eine von dem Substrat 30 weg gerichtete zweite Seite des mindestens einen Isolierbereichs 40 jeweils die seismische Masse 32mechanisch kontaktiert.The at least one insulating region 40, via which the at least one electrode 38 is suspended from seismic mass 32, lies in a layer between the electrode material layer 56 and the functional layer 58. In particular, a first side of the at least one insulating region 40, which is aligned with substrate 30, can mechanically contact the single electrode 38 or at least one of the electrodes 38, while a second side of the at least one insulating region 40 facing away from the substrate 30 mechanically contacts the seismic mass 32 in each case.
Der mindestens eine elektrische Kontakt 44 und evtl. auch der weitere elektrische Kontakt 48 können über einen weiteren Isolierbereich 60 von dem benachbarten Halterungsteil 54 elektrisch isoliert sein. Bei dem mikromechanischen Bauteil der 2 ist jedoch auf eine elektrische Anbindung der seismischen Masse 32 an den elektrischen Kontakt 48 über die Leiterbahn 46 verzichtet. Stattdessen ist die seismische Masse 32 über die mindestens eine Feder 34 und das mindestens eine Halterungsteil 54 an dem elektrischen Kontakt 48 elektrisch angebunden, während ein von dem elektrischen Kontakt 48 weg gerichtetes Ende der Leiterbahn 46 über einen weiteren Isolierbereich 62 von der seismischen Masse 32 elektrisch isoliert ist. Der mindestens eine weitere Isolierbereich 60 und 62 kann aus dem gleichen mindestens einen elektrisch-isolierenden Material wie der mindestens eine Isolierbereich 40, über welchen die mindestens eine Elektrode 38 an der seismischen Masse 32 aufgehängt ist, sein. Außerdem kann der mindestens eine weitere Isolierbereich 60 und 62 in der gleichen Lage zwischen der Elektrodenmaterialschicht 56 und der Funktionsschicht 58, wie der mindestens eine Isolierbereich 40, ausgebildet sein.The at least one electrical contact 44 and possibly also the further electrical contact 48 can be electrically insulated from the adjacent mounting part 54 via a further insulating region 60 . In the micromechanical component of 2 however, an electrical connection of the seismic mass 32 to the electrical contact 48 via the conductor track 46 is dispensed with. Instead, seismic mass 32 is electrically connected to electrical contact 48 via the at least one spring 34 and the at least one mounting part 54, while an end of conductor track 46 pointing away from electrical contact 48 is electrically isolated from seismic mass 32 via a further insulating region 62 is isolated. The at least one further insulating region 60 and 62 can be made of the same at least one electrically insulating material as the at least one insulating region 40 via which the at least one electrode 38 is suspended from the seismic mass 32. In addition, the at least one further insulating area 60 and 62 can be formed in the same layer between the electrode material layer 56 and the functional layer 58 as the at least one insulating area 40 .
Die seismische Masse 32 und die zwei Federn 34 des mikromechanischen Bauteils der 2 haben einen erster Schwerpunkt S1. Ein zweiter Schwerpunkt S2 ist für die einzige Elektrode 38 des mikromechanischen Bauteils der 2, die einzige an der Elektrode 38 angebundene Leiterbahn 42 und die weitere Leiterbahn 46 bestimmbar. Mittels der weiteren Leiterbahn kann sichergestellt werden, dass der erste Schwerpunkt S1 und der zweite Schwerpunkt S2 beide auf einer senkrecht zu der Substratoberfläche 30a ausgerichteten Achse 64 liegen. Dies bewirkt ein harmonisches Zusammenwirken eines aus der seismischen Masse 32 und den Federn 34 gebildeten ersten Masse-Feder-Systems und eines aus der Elektrode und den Leiterbahnen 42 und 46 gebildeten zweiten Masse-Feder-Systems. Ergänzend oder alternativ kann mittels der weiteren Leiterbahn 46 auch sichergestellt werden, dass für eine erste Eigenfrequenz des ersten Masse-Feder-Systems und für eine zweite Eigenfrequenz des zweiten Masse-Feder-Systems gilt, dass die zweite Eigenfrequenz in einem Bereich zwischen 90% der ersten Eigenfrequenz und 110% der ersten Eigenfrequenz liegt. Auch dies bewirkt ein vorteilhaftes Zusammenwirken des ersten Masse-Feder-Systems und des zweiten Masse-Feder-Systems. Da die weitere Leiterbahn 46 nicht zur Anlegung eines Potentials benötigt wird, kann ihr Design relativ frei gewählt werden.The seismic mass 32 and the two springs 34 of the micromechanical component of 2 have a first focus S1. A second focal point S2 is for the single electrode 38 of the micromechanical component 2 , the only conductor track 42 connected to the electrode 38 and the further conductor track 46 can be determined. The further conductor track can be used to ensure that the first center of gravity S1 and the second center of gravity S2 both lie on an axis 64 oriented perpendicular to the substrate surface 30a. This brings about a harmonious interaction of a first mass-spring system formed from the seismic mass 32 and the springs 34 and a second mass-spring system formed from the electrode and the conductor tracks 42 and 46 . Additionally or alternatively, it can also be ensured by means of the additional strip conductor 46 that for a first natural frequency of the first mass-spring system and for a second natural frequency of the second mass-spring system, the second natural frequency is in a range between 90% of the first natural frequency and 110% of the first natural frequency. This also brings about an advantageous interaction of the first mass-spring system and the second mass-spring system. Since the further strip conductor 46 is not required to apply a potential, its design can be chosen relatively freely.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils. 3 shows a schematic representation of a second embodiment of the micromechanical component.
Das in 3 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil hat mindestens zwei Elektroden 38a und 38b und mindestens zwei elektrische Kontakte 44a und 44b. Während zumindest eine erste Elektrode 38a der mindestens zwei Elektroden 38a und 38b über ihre jeweilige Leiterbahn 42a elektrisch an einem ersten elektrischen Kontakt 44a der mindestens zwei elektrischen Kontakte 44a und 44b angebunden ist, ist zumindest eine zweite Elektrode 38b der mindestens zwei Elektroden 38a und 38b über ihre jeweilige Leiterbahn 42b elektrisch an einem zweiten elektrischen Kontakt 44b der mindestens zwei elektrischen Kontakte 44a und 44b angebunden. Die mindestens zwei elektrischen Kontakte 44a und 44b sind jeweils derart voneinander getrennt oder elektrisch isoliert ausgebildet, dass unterschiedliche Potentiale an die mindestens zwei elektrischen Kontakte 44a und 44b angelegt werden können. Somit können unterschiedliche Potentiale an die zumindest eine erste Elektrode 38a und die zumindest eine zweite Elektrode 38b angelegt werden.This in 3 The micromechanical component shown schematically has at least two electrodes 38a and 38b and at least two electrical contacts 44a and 44b. While at least one first electrode 38a of the at least two electrodes 38a and 38b is electrically connected to a first electrical contact 44a of the at least two electrical contacts 44a and 44b via its respective conductor track 42a, at least one second electrode 38b of the at least two electrodes 38a and 38b is connected via their respective conductor track 42b is electrically connected to a second electrical contact 44b of the at least two electrical contacts 44a and 44b. The at least two electrical contacts 44a and 44b are each designed to be separate or electrically insulated from one another in such a way that different potentials can be applied to the at least two electrical contacts 44a and 44b to. Different potentials can thus be applied to the at least one first electrode 38a and the at least one second electrode 38b.
Auch bei dem mikromechanischen Bauteil der 3 liegen ein erster Schwerpunkt S1 der seismischen Masse 32 und der mindestens zwei Federn 34 des mikromechanischen Bauteils und ein zweiter Schwerpunkt S2 der mindestens zwei Elektroden38a und 38b und der mindestens zwei Leiterbahnen 42a und 42b des mikromechanischen Bauteils beide auf einer senkrecht zu der Substratoberfläche 30a ausgerichteten Achse 64. Somit wirken ein aus der seismischen Masse 32 und den mindestens zwei Federn 34 des mikromechanischen Bauteils gebildetes erstes Masse-Feder-System und ein aus den mindestens zwei Elektroden 38a und 38b und den mindestens zwei Leiterbahnen 42a und 42b des mikromechanischen Bauteils gebildetes zweites Masse-Feder-System harmonisch zusammen. Ebenso sind für das mikromechanische Bauteil der 3 eine erste Eigenfrequenz des aus der seismischen Masse 32 und den mindestens zwei Federn 34 des mikromechanischen Bauteils gebildeten ersten Masse-Feder-Systems und eine zweite Eigenfrequenz des aus den mindestens zwei Elektroden 38a und 38b und den mindestens zwei Leiterbahnen 42a und 42b des mikromechanischen Bauteils gebildeten zweiten Masse-Feder-Systems definiert. Bevorzugter Weise liegt die zweite Eigenfrequenz in einem Bereich zwischen 90% der ersten Eigenfrequenz und 110% der ersten Eigenfrequenz, was ein Zusammenwirken des ersten Masse-Feder-Systems und des zweiten Masse-Feder-Systems verbessert.Even with the micromechanical component of the 3 a first center of gravity S1 of seismic mass 32 and the at least two springs 34 of the micromechanical component and a second center of gravity S2 of the at least two electrodes 38a and 38b and the at least two conductor tracks 42a and 42b of the micromechanical component are both on an axis aligned perpendicularly to substrate surface 30a 64. Thus, a first mass-spring system formed from the seismic mass 32 and the at least two springs 34 of the micromechanical component and a second mass formed from the at least two electrodes 38a and 38b and the at least two conductor tracks 42a and 42b of the micromechanical component act -Spring system harmoniously together. Likewise, for the micromechanical component 3 a first natural frequency of the first mass-spring system formed from seismic mass 32 and the at least two springs 34 of the micromechanical component, and a second natural frequency of the system formed from the at least two electrodes 38a and 38b and the at least two conductor tracks 42a and 42b of the micromechanical component second mass-spring system defined. The second natural frequency is preferably in a range between 90% of the first natural frequency and 110% of the first natural frequency, which improves the interaction of the first mass-spring system and the second mass-spring system.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 3 und ihrer Vorteile wird auf die Beschreibung der vorausgehenden Ausführungsform der 2 verwiesen.Regarding other properties and features of the micromechanical component 3 and its advantages, reference is made to the description of the preceding embodiment of FIG 2 referred.
Bei den mikromechanischen Bauteilen der 2 und 3 überspannt jeweils ein Federabschnitt der mindestens einen Feder 34 einen jeweiligen Spalt, wobei jeder Spalt von jeweils einem Leiterbahnabschnitt einer der Leiterbahnen 42, 42a, 42b oder 46 überspannt ist. Vorzugsweise ist der jeweilige Leiterbahnabschnitt der jeweiligen Leiterbahn 42, 42a, 42b oder 46 federnd und berührungslos zu dem den gleichen Spalt überspannenden Federabschnitt ausgebildet. Eine Verformbarkeit der jeweiligen Feder 34 wird somit nicht von der benachbarten Leiterbahn 42, 42a, 42b oder 46 beeinträchtigt. Alternativ oder ergänzend kann der jeweilige Federabschnitt in einer parallel zu der Substratoberfläche 30a ausgerichteten ersten Querschnittsebene eine Querschnittform gleich einer Querschnittform des den gleichen Spalt überspannenden Leiterbahnabschnitts in einer parallel zu der ersten Querschnittsebene ausgerichteten zweiten Querschnittsebene aufweisen. Die Federeigenschaften der Federn 34 und der Leiterbahnen 42, 42a, 42b oder 46 können somit vorteilhaft aneinander angepasst sein.With the micromechanical components of the 2 and 3 In each case, a spring section of the at least one spring 34 spans a respective gap, with each gap being spanned by a respective conductor track section of one of the conductor tracks 42, 42a, 42b or 46. The respective conductor track section of the respective conductor track 42, 42a, 42b or 46 is preferably designed to be resilient and contactless with respect to the spring section spanning the same gap. A deformability of the respective spring 34 is thus not impaired by the adjacent conductor track 42, 42a, 42b or 46. Alternatively or additionally, the respective spring section in a first cross-sectional plane aligned parallel to the substrate surface 30a can have a cross-sectional shape equal to a cross-sectional shape of the conductor track section spanning the same gap in a second cross-sectional plane aligned parallel to the first cross-sectional plane. The spring properties of the springs 34 and the conductor tracks 42, 42a, 42b or 46 can thus advantageously be matched to one another.
4A bis 4F zeigen schematische Darstellungen von Zwischenprodukten zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil. 4A until 4F show schematic representations of intermediate products to explain a first embodiment of the manufacturing method for a micromechanical component.
Bei dem im Weiteren beschriebenen Herstellungsverfahren wird zum Anordnen/Ausbilden mindestens einer Elektrode 38a und 38b an/in einer seismischen Masse 32 die mindestens eine Elektrode 38a und 38b jeweils über mindestens einen Isolierbereich 40 aus mindestens einem elektrisch-isolierenden Material an der seismischen Masse 32 angebunden. Zum Anbinden der mindestens einen Elektrode 38a und 38b jeweils über den mindestens einen Isolierbereich 40 an der seismischen Masse 32 wird zuerst mindestens eine Elektrodenmaterialschicht 56 über (aber beabstandet von) einer Substratoberfläche 30a eines Substrats 30 abgeschieden.In the production method described below, in order to arrange/form at least one electrode 38a and 38b on/in a seismic mass 32, the at least one electrode 38a and 38b is connected to seismic mass 32 via at least one insulating region 40 made of at least one electrically insulating material . To bond the at least one electrode 38a and 38b to the seismic mass 32 via the at least one insulating region 40 , at least one layer of electrode material 56 is first deposited over (but spaced from) a substrate surface 30a of a substrate 30 .
In dem Beispiel der 4A bis 4F wird vor dem Abscheiden der Elektrodenmaterialschicht 56 eine die Substratoberfläche 30a zumindest teilweise abdeckende Isolierschicht 52 gebildet. Die Isolierschicht 52 kann beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht sein. Die Isolierschicht 52 kann auch mittels einer thermischen Oxidation des Substrats 30 aus Silizium gebildet werden.In the example of 4A until 4F an insulating layer 52 that at least partially covers the substrate surface 30a is formed before the electrode material layer 56 is deposited. The insulating layer 52 can be a silicon dioxide layer, for example. The insulating layer 52 can also be formed by thermal oxidation of the substrate 30 made of silicon.
Als optionaler Verfahrensschritt wird dann eine Gegenelektrodenmaterialschicht 70 auf der Isolierschicht 52 abgeschieden, wobei mindestens eine Gegenelektrode 50a und 50b aus der Gegenelektrodenmaterialschicht 70 strukturiert werden kann. Anschließend kann ein erstes Opfermaterial 72 auf der Isolierschicht 52 und zumindest Resten der Gegenelektrodenmaterialschicht 70 abgeschieden werden. Als erstes Opfermaterial 72 kann Siliziumdioxid abgeschieden werden.As an optional method step, a counter-electrode material layer 70 is then deposited on the insulating layer 52, it being possible for at least one counter-electrode 50a and 50b to be structured from the counter-electrode material layer 70. FIG. A first sacrificial material 72 can then be deposited on the insulating layer 52 and at least residues of the counter electrode material layer 70 . Silicon dioxide can be deposited as the first sacrificial material 72 .
4A zeigt das Zwischenprodukt nach dem Abscheiden des ersten Opfermaterials 72. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die in 4A dargestellte Schichtfolge aus den Schichten 52, 70 und 72 nur beispielhaft zu interpretieren ist. Insbesondere kann nur das erste Opfermaterial 72 zwischen der Substratoberfläche 30a und der später gebildeten Elektrodenmaterialschicht 56 vorliegen. 4A shows the intermediate product after the deposition of the first sacrificial material 72. However, it is pointed out that the in 4A The layer sequence shown from the layers 52, 70 and 72 is only to be interpreted as an example. In particular, only the first sacrificial material 72 may be present between the substrate surface 30a and the later formed electrode material layer 56 .
Optionaler Weise können noch durchgehende Aussparungen 74 durch das erste Opfermaterial 72 strukturiert werden, über welche der mindestens eine später aus der Elektrodenmaterialschicht 56 herausstrukturierte elektrische Kontakt 44a und 44b an zumindest Resten der Gegenelektrodenmaterialschicht 70 verankert werden kann. Das auf diese Weise gewonnene Zwischenprodukt ist in 4B dargestellt.Optionally, continuous recesses 74 can also be structured through the first sacrificial material 72, via which the at least one electrical contact 44a and 44b later structured out of the electrode material layer 56 can be anchored to at least remnants of the counter-electrode material layer 70. that up intermediate product obtained in this way is in 4B shown.
Wie in 4C bildlich wiedergegeben ist, wird dann bei der hier beschriebenen Ausführungsform des Herstellungsverfahrens die Elektrodenmaterialschicht 56 auf dem ersten Opfermaterial 72 abgeschieden, wodurch die durchgehenden Aussparungen 74 mit dem Material der Elektrodenmaterialschicht 56 aufgefüllt werden. Die Elektrodenmaterialschicht 56 kann beispielsweise eine dotierte Polysiliziumschicht sein. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform hat die Elektrodenmaterialschicht 56 eine senkrecht zu der Substratoberfläche 30a ausgerichtete Schichtdicke kleiner-gleich 1µm. Sofern gewünscht, kann auch mindestens eine durchgehende Aussparung 76 durch die Elektrodenmaterialschicht 56 strukturiert werden, um daraus später herausstrukturierte Elektroden 38a und 38b vorab elektrisch voneinander zu isolieren.As in 4C is reproduced graphically, the electrode material layer 56 is then deposited on the first sacrificial material 72 in the embodiment of the production method described here, as a result of which the continuous recesses 74 are filled with the material of the electrode material layer 56 . The electrode material layer 56 may be a doped polysilicon layer, for example. In the embodiment described here, the electrode material layer 56 has a layer thickness of less than or equal to 1 μm, aligned perpendicular to the substrate surface 30a. If desired, at least one continuous cutout 76 can also be structured through the electrode material layer 56 in order to electrically insulate electrodes 38a and 38b that are structured out of it later from one another in advance.
Auf die zumindest Reste der Elektrodenmaterialschicht 56 wird eine Schicht 80 aus mindestens einem elektrisch-isolierenden Material abgeschieden. Eine senkrecht zu der Substratoberfläche 30a ausgerichtete Dicke der Schicht 80 aus dem mindestens einen elektrisch-isolierenden Material kann kleiner-gleich 1 µm sein. Vorzugsweise weist das mindestens eine elektrisch-isolierende Material der Schicht 80 jeweils eine elektrische Leitfähigkeit kleiner-gleich 10-8 S·cm-1auf. Dies kann auch damit umschrieben werden, dass das mindestens eine elektrisch-isolierende Material der Schicht 80 jeweils einen spezifischen Widerstand größer-gleich 108 Ω·cm hat. Bevorzugter Weise ist das (einzige) elektrisch-isolierende Material der Schicht 80 siliziumreiches Siliziumnitrid.A layer 80 made of at least one electrically insulating material is deposited on the at least remainders of the electrode material layer 56 . A thickness of the layer 80 made of the at least one electrically insulating material, aligned perpendicular to the substrate surface 30a, can be less than or equal to 1 μm. The at least one electrically insulating material of the layer 80 preferably has an electrical conductivity of less than or equal to 10-8 S·cm-1. This can also be described as the at least one electrically insulating material of layer 80 each having a specific resistance greater than or equal to 108 Ω·cm. Preferably, the (only) electrically insulating material of layer 80 is silicon-rich silicon nitride.
Die Schicht 80 aus dem mindestens einen elektrisch-isolierenden Material wird dann mit einer Funktionsschicht 58 abgedeckt. Die Funktionsschicht 58 kann insbesondere eine Polysiliziumschicht sein. Vorzugsweise weist die Funktionsschicht 58 eine senkrecht zu der Substratoberfläche 30 ausgerichtete Schichtdicke auf, welche um zumindest einen Faktor 3 größer als die Schichtdicke der Elektrodenmaterialschicht 56 und/oder die Schichtdicke der Schicht 80 aus dem mindestens einen elektrisch-isolierenden Material ist. Die senkrecht zu der Substratoberfläche 30 ausgerichtete Schichtdicke der Funktionsschicht 58 kann beispielsweise größer-gleich 5 µm sein. Das Zwischenergebnis ist in 4D dargestellt.The layer 80 made from the at least one electrically insulating material is then covered with a functional layer 58 . The functional layer 58 can in particular be a polysilicon layer. Functional layer 58 preferably has a layer thickness aligned perpendicularly to substrate surface 30, which is greater by at least a factor of 3 than the layer thickness of electrode material layer 56 and/or the layer thickness of layer 80 made of the at least one electrically insulating material. The layer thickness of the functional layer 58 aligned perpendicular to the substrate surface 30 can be greater than or equal to 5 μm, for example. The intermediate result is in 4D shown.
Mittels mindestens eines ersten Ätzprozesses wird anschließend die Funktionsschicht 58 derart unterteilt, dass die seismische Masse 32 und evtl. auch mindestens eine Feder 34 und/oder mindestens ein Halterungsteil 54 aus der Funktionsschicht 58 herausstrukturiert werden. Mittels des gemeinsamen Herausstrukturieren der seismischen Masse 32, der mindestens einen Feder 34 und des mindestens einen Halterungsteils 54 aus der Funktionsschicht 58 wird die seismische Masse 32 über die zumindest eine Feder 34 an dem Substrat 30 angebunden. Sofern gewünscht, kann auch die Schicht 80 aus dem mindestens einen elektrisch-isolierenden Material mittels des mindestens einen ersten Ätzprozesses strukturiert werden. Ergänzend kann zusätzlich die Elektrodenmaterialschicht 56 mittels des mindestens einen ersten Ätzprozesses derart unterteilt werden, dass die mindestens eine Elektrode 38a und 38b und evtl. auch mindestens eine Leiterbahn 42a und 42b und/oder mindestens ein elektrischer Kontakt 44a und 44b aus der Elektrodenmaterialschicht 56 gebildet werden. Als der mindestens eine erste Ätzprozess kann beispielsweise ein Plasma-Ätzprozess unter Verwendung von Schwefelhexafluorid (SF6) ausgeführt werden, wobei zumindest in Teilstufen eine Bias-Spannung, insbesondere von mehr als 50 V, eingesetzt werden kann. Das erste Opfermaterial 72 kann als Ätzstoppschicht für den mindestens einen ersten Ätzprozess genutzt werden. Das mittels des mindestens einen ersten Ätzprozesses gewonnene Zwischenprodukt ist in 4E gezeigt.The functional layer 58 is then subdivided by means of at least one first etching process in such a way that the seismic mass 32 and possibly also at least one spring 34 and/or at least one mounting part 54 are structured out of the functional layer 58 . Seismic mass 32 is connected to substrate 30 via at least one spring 34 by jointly structuring seismic mass 32, at least one spring 34 and at least one mounting part 54 out of functional layer 58. If desired, the layer 80 made of the at least one electrically insulating material can also be structured by means of the at least one first etching process. In addition, the electrode material layer 56 can be subdivided by means of the at least one first etching process in such a way that the at least one electrode 38a and 38b and possibly also at least one conductor track 42a and 42b and/or at least one electrical contact 44a and 44b are formed from the electrode material layer 56 . A plasma etching process using sulfur hexafluoride (SF6), for example, can be carried out as the at least one first etching process, wherein a bias voltage, in particular of more than 50 V, can be used at least in partial stages. The first sacrificial material 72 can be used as an etch stop layer for the at least one first etch process. The intermediate product obtained by means of the at least one first etching process is in 4E shown.
4F gibt einen zweiten Ätzprozess des Herstellungsverfahrens wieder, bei welchem das erste Opfermaterial 72 mittels eines Ätzmediums zumindest teilweise entfernt wird. Als Ätzmedium wird dazu ein Material eingesetzt, bei welchem das erste Opfermaterial 72 um zumindest einen Faktor 2 eine höhere Ätzrate als das mindestens eine elektrisch-isolierende Material des mindestens einen Isolierbereichs 40 aufweist. Bevorzugt wird, sofern das erste Opfermaterial 72 Siliziumdioxid ist und das einzige elektrisch-isolierende Material der Schicht 80 siliziumreiches Siliziumnitrid ist, gasförmiger Fluorwasserstoff (HF) als Ätzmedium eingesetzt. 4F 1 shows a second etching process of the manufacturing method, in which the first sacrificial material 72 is at least partially removed by means of an etching medium. A material is used as the etching medium for this purpose, in which the first sacrificial material 72 has an etching rate that is at least a factor of 2 higher than the at least one electrically insulating material of the at least one insulating region 40 . If the first sacrificial material 72 is silicon dioxide and the only electrically insulating material of the layer 80 is silicon-rich silicon nitride, gaseous hydrogen fluoride (HF) is preferably used as the etching medium.
Mittels des zweiten Ätzprozess des Herstellungsverfahrens wird die seismische Masse 32 freigestellt. Bei dem fertig hergestellten mikromechanischen Bauteil der 4F ist/bleibt die seismische Masse 32 jedoch derart über die zumindest eine Feder 34 an dem Substrat 30 angebunden, dass die seismische Masse 32 zumindest entlang einer parallel zu der Substratoberfläche 30a ausgerichteten Achse 36 in Bezug zu dem Substrat 30 verstellt werden kann.The seismic mass 32 is exposed by means of the second etching process of the manufacturing method. In the finished micromechanical component of the 4F However, seismic mass 32 is/remains connected to substrate 30 via at least one spring 34 in such a way that seismic mass 32 can be adjusted relative to substrate 30 at least along an axis 36 aligned parallel to substrate surface 30a.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 4F wird auf die beiden zuvor beschriebenen Ausführungsformen der 2 und 3 verwiesen.Regarding other properties and features of the micromechanical component 4F is based on the two previously described embodiments of the 2 and 3 referred.
5A bis 5D zeigen schematische Darstellungen von Zwischenprodukten zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil. 5A until 5D show schematic representations of intermediate products to explain a second embodiment of the manufacturing method for a micromechanical component.
Wie in 5A gezeigt, wird bei dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren im Unterschied zu der zuvor erläuterten Ausführungsform ein zweites Opfermaterial 82 auf der mindestens einen Elektrode 38a und 38b, bzw. der Elektrodenmaterialschicht 56, aus welcher die mindestens eine Elektrode 38a und 38b herausstrukturiert wird, abgeschieden. Das zweite Opfermaterial 82 kann beispielsweise Siliziumdioxid sein. Vorzugsweise ist das zweite Opfermaterial 82 gleich dem ersten Opfermaterial 72. Nach dem Abscheiden des zweiten Opfermaterials 82 wird mindestens eine durchgehende Öffnung 84 durch das zweite Opfermaterial 82 strukturiert. Das Zwischenergebnis ist in 5A schematisch dargestellt.As in 5A shown, in the manufacturing method described here, in contrast to the previously explained embodiment, a second sacrificial material 82 is deposited on the at least one electrode 38a and 38b, or the electrode material layer 56, from which the at least one electrode 38a and 38b is structured. The second sacrificial material 82 can be silicon dioxide, for example. The second sacrificial material 82 is preferably the same as the first sacrificial material 72. After the second sacrificial material 82 has been deposited, at least one through-opening 84 through the second sacrificial material 82 is structured. The intermediate result is in 5A shown schematically.
Anschließend wird die mindestens eine durchgehende Öffnung 84 mit dem mindestens einen elektrisch-isolierenden Material des mindestens einen Isolierbereichs 40 gefüllt. Dazu wird eine Schicht 80 des mindestens einen elektrisch-isolierenden Materials auf dem zweiten Opfermaterial 82 abgeschieden. Eine senkrecht zu der Substratoberfläche 30a ausgerichtete Schichtdicke des zweiten Opfermaterials 82 kann um zumindest einen Faktor 2 größer als eine senkrecht zu der Substratoberfläche 30a ausgerichtete Schichtdicke der Schicht 80 aus dem mindestens einen elektrisch-isolierenden Material sein. Vorzugsweise ist jedoch die senkrecht zu der Substratoberfläche 30a ausgerichtete Schichtdicke der Schicht 80 aus dem mindestens einen elektrisch-isolierenden Material um zumindest einen Faktor 2 größer als eine parallel zu der Substratoberfläche 30a ausgerichtete maximale Breite der durchgehenden Öffnungen 84. Dies stellt sicher, dass die durchgehenden Öffnungen 84 vollständig mit dem mindestens einen elektrisch-isolierenden Material des mindestens einen späteren Isolierbereichs 40 gefüllt werden. Wie anhand des Zwischenprodukts der 5B erkennbar ist, kann die Schicht 80 aus dem mindestens einen elektrisch-isolierenden Material dann strukturiert werden.The at least one continuous opening 84 is then filled with the at least one electrically insulating material of the at least one insulating region 40 . For this purpose, a layer 80 of the at least one electrically insulating material is deposited on the second sacrificial material 82 . A layer thickness of the second sacrificial material 82 oriented perpendicularly to the substrate surface 30a can be greater by at least a factor of 2 than a layer thickness of the layer 80 made of the at least one electrically insulating material oriented perpendicularly to the substrate surface 30a. Preferably, however, the layer thickness of the layer 80 of the at least one electrically insulating material, which is aligned perpendicular to the substrate surface 30a, is greater by at least a factor of 2 than a maximum width of the through openings 84, which is aligned parallel to the substrate surface 30a. This ensures that the through Openings 84 are completely filled with the at least one electrically insulating material of the at least one subsequent insulating region 40. How based on the intermediate of 5B can be seen, the layer 80 made of the at least one electrically insulating material can then be structured.
Anschließend wird zumindest das Material der seismischen Masse 32 als Funktionsschicht 58 auf das in die mindestens eine durchgehende Öffnung 84 gefüllte mindestens eine elektrisch-isolierende Material des mindestens einen späteren Isolierbereichs 40 abgeschieden. Wie anhand der 5C erkennbar ist, kann anschließend der mindestens eine erste Ätzprozess ausgeführt werden. Bei dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren wird mittels des mindestens einen ersten Ätzprozesses nur die Funktionsschicht 58 strukturiert.At least the material of the seismic mass 32 is then deposited as a functional layer 58 onto the at least one electrically insulating material of the at least one later insulating region 40 that is filled into the at least one through opening 84 . How based on 5C can be seen, the at least one first etching process can then be carried out. In the production method described here, only the functional layer 58 is structured by means of the at least one first etching process.
5D gibt den oben schon beschriebenen zweiten Ätzprozess bildlich wieder. Das in 5D dargestellte fertige mikromechanische Bauteil weist eine punktuelle Anbindung seiner mindestens einen Elektrode 38a und 38b über jeweils mehrere Isolierbereiche 40 an die seismische Masse 32 auf. Mittels der punktuellen Aufhängung der mindestens einen Elektrode 38a und 38b kann eine meist unerwünschte elektrische Kapazität zwischen der seismischen Masse 32 und der mindestens einen Elektrode 38a und 38b reduziert werden. Zusätzlich kann mittels einer vergleichsweise großen senkrecht zu der Substratoberfläche 30a ausgerichteten Schichtdicke der Schicht 80 aus dem mindestens einen elektrisch-isolierenden Material eine senkrecht zu der Substratoberfläche 30a ausgerichtete Höhe des mindestens einen Isolierbereichs 40 gesteigert werden, wodurch eine weitere Reduktion der unerwünschten elektrischen Kapazität erreicht wird. Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 5D wird auf die beiden zuvor beschriebenen Ausführungsformen der 2 und 3 verwiesen. Außerdem wird bezüglich weiterer Verfahrensschritte des Herstellungsverfahrens der 5A bis 5D und die verwendeten Materialien auf die vorausgehend beschriebene Ausführungsform der 4A bis 4F verwiesen. 5D depicts the second etching process already described above. This in 5D The finished micromechanical component shown has a point connection of its at least one electrode 38a and 38b to seismic mass 32 via a plurality of insulating regions 40 in each case. A mostly undesired electrical capacitance between the seismic mass 32 and the at least one electrode 38a and 38b can be reduced by means of the point suspension of the at least one electrode 38a and 38b. In addition, a height of the at least one insulating region 40 oriented perpendicular to the substrate surface 30a can be increased by means of a comparatively large layer thickness of the layer 80 oriented perpendicularly to the substrate surface 30a and made of the at least one electrically insulating material, whereby a further reduction in the undesired electrical capacitance is achieved . Regarding other properties and features of the micromechanical component 5D is based on the two previously described embodiments of the 2 and 3 referred. In addition, with respect to further process steps of the manufacturing process 5A until 5D and the materials used on the previously described embodiment of the 4A until 4F referred.
6A bis 6E zeigen schematische Darstellungen von Zwischenprodukten zum Erläutern einer dritten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil. 6A until 6E show schematic representations of intermediate products to explain a third embodiment of the manufacturing method for a micromechanical component.
Um eine gute Leitfähigkeit der Elektrodenmaterialschicht 56 sicherzustellen, wird bei der hier beschriebenen Ausführungsform eine senkrecht zu der Substratoberfläche 30a ausgerichteten Schichtdicke der Elektrodenmaterialschicht 56 größer-gleich 1 µm ausgebildet (siehe 6A). Außerdem wird vor dem Abscheiden der Elektrodenmaterialschicht 56 mittels einer entsprechenden Strukturierung des ersten Opfermaterials 72 eine Form eines später an einer der Elektroden 38b ausgebildeten mechanischen Anschlags 86 festgelegt. Die Elektrodenmaterialschicht 56 wird nach ihrer Abscheidung strukturiert. Auf die strukturierte Elektrodenmaterialschicht 56 wird das zweite Opfermaterial 82 abgeschieden. Bevorzugter Weise wird das zweite Opfermaterial 82 mit einer senkrecht zu der Substratoberfläche 30a ausgerichteten Schichtdicke über der Schichtdicke der Elektrodenmaterialschicht 56 gebildet. Das Zwischenergebnis ist in 6B bildhaft wiedergegeben. 6C zeigt das Zwischenprodukt nach einem chemischen-mechanischen Polieren (CMP, Chemical Mechanical Polishing) zum Planarisieren des zweiten Opfermaterials 82.In order to ensure good conductivity of the electrode material layer 56, in the embodiment described here a layer thickness of the electrode material layer 56 oriented perpendicularly to the substrate surface 30a is greater than or equal to 1 μm (see FIG 6A) . In addition, before the electrode material layer 56 is deposited, the shape of a mechanical stop 86 that is formed later on one of the electrodes 38b is defined by appropriate structuring of the first sacrificial material 72 . The electrode material layer 56 is patterned after its deposition. The second sacrificial material 82 is deposited on the structured electrode material layer 56 . The second sacrificial material 82 is preferably formed with a layer thickness oriented perpendicular to the substrate surface 30a above the layer thickness of the electrode material layer 56 . The intermediate result is in 6B reproduced pictorially. 6C 12 shows the intermediate after chemical mechanical polishing (CMP) to planarize the second sacrificial material 82.
Wie in 6D und 6E erkennbar ist, werden dann die durchgehenden Öffnungen 84 in das zweite Opfermaterial 82 strukturiert und mit dem mindestens einen elektrisch-isolierenden Material des mindestens einen späteren Isolierbereichs 40 gefüllt. Optionaler Weise können zusätzlich zu den durchgehenden Öffnungen 84 noch weitere durchgehende Aussparungen 88 durch das zweite Opfermaterial 82 strukturiert werden, welche nicht mit dem mindestens einen elektrisch-isolierenden Material gefüllt werden. Auf diese Weise können bestimmte aus der Elektrodenmaterialschicht 56 herausstrukturierte Komponenten, wie beispielsweise der mechanische Anschlag 86, später direkt mit der Funktionsschicht 58 verbunden werden (siehe 6F). Dies stellt sicher, dass die jeweiligen Komponenten, wie beispielsweise der mechanische Anschlag 86, mit einer hohen Festigkeit an der späteren seismischen Masse 32 angebunden werden.As in 6D and 6E can be seen, the continuous openings 84 are then structured in the second sacrificial material 82 and filled with the at least one electrically insulating material of the at least one later insulating region 40 . Optionally, in addition to the through openings 84, further through recesses 88 through the second Sacrificial material 82 are structured, which are not filled with the at least one electrically insulating material. In this way, certain components structured out of the electrode material layer 56, such as the mechanical stop 86, can later be connected directly to the functional layer 58 (see FIG 6F) . This ensures that the respective components, such as the mechanical stop 86, are connected to the later seismic mass 32 with a high level of strength.
Wie anhand der 6H erkennbar ist, kann anschließend der mindestens eine erste Ätzprozess ausgeführt werden. Auch bei dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren wird mittels des mindestens einen ersten Ätzprozesses nur die Funktionsschicht 58 strukturiert. 6G gibt den oben schon beschriebenen zweiten Ätzprozess bildlich wieder. Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 6G wird auf die beiden zuvor beschriebenen Ausführungsformen der 2 und 3 verwiesen. Außerdem wird bezüglich weiterer Verfahrensschritte des Herstellungsverfahrens der 6A bis 6G und die verwendeten Materialien auf die vorausgehend beschriebene Ausführungsformen von Herstellungsverfahren verwiesen.How based on 6H can be seen, the at least one first etching process can then be carried out. In the production method described here as well, only the functional layer 58 is structured by means of the at least one first etching process. 6G depicts the second etching process already described above. Regarding other properties and features of the micromechanical component 6G is based on the two previously described embodiments of the 2 and 3 referred. In addition, with respect to further process steps of the manufacturing process 6A until 6G and the materials used referred to the previously described embodiments of manufacturing methods.
7A bis 7H zeigen schematische Darstellungen von Zwischenprodukten zum Erläutern einer vierten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil. 7A until 7H show schematic representations of intermediate products to explain a fourth embodiment of the manufacturing method for a micromechanical component.
Bei dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren wird in dem mittels der 7A wiedergegebenen Verfahrensschritt die Elektrodenmaterialschicht 56 mit einer senkrecht zu der Substratoberfläche 30a ausgerichteten Schichtdicke größer-gleich 10 µm abgeschieden. Anschließend werden durchgehende Gräben 90 durch die Elektrodenmaterialschicht 56 strukturiert. Vorzugsweise werden die durchgehenden Gräben 90 mit einer parallel zu der Substratoberfläche 30a ausgerichteten maximalen Breite kleiner-gleich 0,5 µm strukturiert.In the manufacturing process described here is in the means of 7A method step reproduced, the electrode material layer 56 is deposited with a layer thickness greater than or equal to 10 μm aligned perpendicular to the substrate surface 30a. Continuous trenches 90 are then structured through the electrode material layer 56 . The continuous trenches 90 are preferably structured with a maximum width of less than or equal to 0.5 μm aligned parallel to the substrate surface 30a.
7B zeigt das Abscheiden eines weiteren Opfermaterials 92 zum Verfüllen der durchgehenden Gräben 90. Auch das weitere Opfermaterial 92 kann Siliziumdioxid sein. Vorzugsweise ist das weitere Opfermaterial 92 gleich dem ersten Opfermaterial 72 und dem später abgeschiedenen zweiten Opfermaterial 82. Anschließend werden Abschnitte der strukturierten Elektrodenmaterialschicht 56 von dem weiteren Opfermaterial 92 freigelegt. In einem in 7C wiedergegebenen Verfahrensschritt werden die freigelegten Abschnitte der strukturierten Elektrodenmaterialschicht 56 dann weggeätzt. Dies kann mittels eines isotropen Ätzverfahrens, bevorzugt mittels eines Plasma-Ätzverfahrens, insbesondere unter Verwendung von Schwefelhexafluorid (SF6), ausgeführt werden. Auf diese Weise werden Hohlräume 94 innerhalb der Lage der Elektrodenmaterialschicht 56 gebildet. 7B shows the deposition of a further sacrificial material 92 for filling the continuous trenches 90. The further sacrificial material 92 can also be silicon dioxide. The further sacrificial material 92 is preferably the same as the first sacrificial material 72 and the second sacrificial material 82 deposited later. Sections of the structured electrode material layer 56 are then uncovered by the further sacrificial material 92 . in a 7C In the method step reproduced, the exposed portions of the patterned electrode material layer 56 are then etched away. This can be carried out by means of an isotropic etching process, preferably by means of a plasma etching process, in particular using sulfur hexafluoride (SF6). In this way, voids 94 are formed within the layer of electrode material layer 56 .
Anschließend wird, wie in 7D gezeigt, das zweite Opfermaterial 82 abgeschieden und mit den durchgehenden Öffnungen 84 strukturiert. Danach kann, wie in 7E gezeigt, die Schicht 80 aus dem mindestens einen elektrisch-isolierenden Material abgeschieden und strukturiert werden.Subsequently, as in 7D shown, the second sacrificial material 82 is deposited and patterned with the through openings 84 . After that, as in 7E shown, the layer 80 can be deposited from the at least one electrically insulating material and structured.
7F zeigt das Zwischenprodukt nach einem Abscheiden der Funktionsschicht 58. Aus der Funktionsschicht 58 werden dann, wie in 7G gezeigt, die seismische Masse 32, die mindestens eine Feder 34 und das mindestens eine Halterungsteil 54 herausstrukturiert. 7F shows the intermediate product after the functional layer 58 has been deposited. The functional layer 58 is then, as in FIG 7G shown, the seismic mass 32, the at least one spring 34 and the at least one support member 54 structured out.
7H gibt den oben schon beschriebenen zweiten Ätzprozess bildlich wieder. Wie in 7H erkennbar ist, ermöglicht die Ausbildung der Hohlräume 94 innerhalb der Lage der Elektrodenmaterialschicht 56 trotz der vergleichsweise dicken Elektrodenmaterialschicht 56 eine gründliche Entfernung der Opfermaterialien 72, 82 und 92 durch den zweiten Ätzprozess. Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 7H wird auf die beiden zuvor beschriebenen Ausführungsformen der 2 und 3 verwiesen. Außerdem wird bezüglich weiterer Verfahrensschritte des Herstellungsverfahrens der 7A bis 7H und die verwendeten Materialien auf die vorausgehend beschriebene Ausführungsformen von Herstellungsverfahren verwiesen. 7H depicts the second etching process already described above. As in 7H As can be seen, the formation of the cavities 94 within the layer of the electrode material layer 56 allows thorough removal of the sacrificial materials 72, 82 and 92 by the second etching process, despite the comparatively thick electrode material layer 56. Regarding other properties and features of the micromechanical component 7H is based on the two previously described embodiments of the 2 and 3 referred. In addition, with respect to further process steps of the manufacturing process 7A until 7H and the materials used referred to the previously described embodiments of manufacturing processes.
Alle vorausgehend beschriebenen mikromechanischen Bauteile können jeweils vorteilhaft für eine Sensorvorrichtung verwendet werden. Eine mittels eines der oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile ausgebildete Sensorvorrichtung kann beispielsweise als Beschleunigungssensor, als Drehratensensor oder als Drucksensor vorteilhaft eingesetzt werden. Eine Ausbildbarkeit der Sensorvorrichtung ist jedoch nicht auf die aufgezählten Sensortypen beschränkt. Auch ein MEMS-Mikrospiegel oder ein optischer MEMS-Schalter kann mittels eines derartigen mikromechanischen Bauteils ausgebildet werden.All of the micromechanical components described above can each be used advantageously for a sensor device. A sensor device embodied by means of one of the micromechanical components described above can advantageously be used, for example, as an acceleration sensor, as a yaw rate sensor or as a pressure sensor. However, the ability to construct the sensor device is not limited to the sensor types listed. A MEMS micromirror or an optical MEMS switch can also be formed using such a micromechanical component.
Alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile weisen eine hohe Bruchfestigkeit auf. Ihre mindestens eine Elektrode 38, 38a und 38b kann wahlweise vergleichsweise dünn oder relativ dick ausgebildet sein.All of the micromechanical components described above have a high breaking strength. Its at least one electrode 38, 38a and 38b can optionally be made comparatively thin or relatively thick.
