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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Drucksensorelement. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensorelements.
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Stand der Technik
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DE 10 2018 222 712 A1 offenbart einen kapazitiven Drucksensor, bei dem Nutz- und Referenzkapazitäten bei einem Zusammenschluss zweier, bezüglich des Kaverneninnendrucks gekoppelter Drucksensoren in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung zu einer Halbbrücken- bzw. Diagonalbrückenanordnung verschaltet sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes mikromechanisches Drucksensorelement bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Drucksensorelement, aufweisend:
- - ein Substrat; und
- - einen auf dem Substrat ausgebildeten Schichtaufbau, wobei der Schichtaufbau eine obere Elektrode, eine untere Elektrode und eine zwischen der oberen und unteren Elektrode angeordnete bewegliche Mittelelektrode aufweist, wobei die Mittelelektrode scheibenförmig ohne stufenförmigen Begrenzungsabschnitt ausgebildet ist und wobei der Schichtaufbau unmittelbar nach der Herstellung der Mittelelektrode eine plane Oberfläche aufweist.
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Vorteilhaft wird dadurch eine hohe Flexibilität ausgenutzt, um einzelne Abstände zwischen Schichten des Schichtaufbaus zu dimensionieren und um plane Oberflächen für den Einsatz von Fotolithografieprozessen zur Erzeugung von Strukturen mit kleinen lateralen Abmessungen zu erhalten/zu erzeugen. Im Ergebnis kann dadurch ein lokaler Kontakt zwischen der Ätzstoppschicht und der beweglichen Mittelelektrode vermieden werden. Realisiert wird dadurch ferner ein Prozessablauf, bei dem durch Vorsehen einer planen Oberfläche, welche zudem zu einer planen Oberseite der Mittelelektrode führt, feinen Strukturen in bzw. an der Oberfläche realisierbar sind, ohne Lackabrisse bzw. lackfreie Flächen und/oder unterschiedliche Lackdicken im Bereich von Unstetigkeiten, Kanten oder Topografien an der Oberfläche befürchten zu müssen.
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Auf diese Weise kann z.B. ein differentialkapazitiver Drucksensor hergestellt werden. Durch Zusammenschaltung zweier vorgeschlagener Drucksensorelemente, welche benachbart zueinander angeordnet sind und deren Kavitäten optional über einen Druckausgleichkanal verbunden sind, in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung kann eine Vollbrücke mit vier veränderlichen Nutzkapazitäten bereitgestellt und eine maximal empfindliche Druckmessung realisiert werden.
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Gegenüber der Verschaltung vergleichbarer Nutzkapazitäten in einer Halbbrücken- bzw. Diagonalbrückenanordnung kann hierdurch vorteilhaft eine Verdopplung und eine Linearisierung des elektrischen Brückenausgangssignals erreicht werden, was gleichzeitig auch eine höhere Druckempfindlichkeit über einen weiteren Druckbereich bedeutet. Im Umkehrschluss können bei vergleichbarem elektrischem Brückensignal die Nutzkapazitäten und somit auch die lateralen geometrischen Abmessungen von differentialkapazitiven Drucksensoren in einer Vollbrückenanordnung kleiner ausgeführt werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements, aufweisend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Substrats; und
- - Bereitstellen eines auf dem Substrat angeordneten Schichtaufbaus, wobei für den Schichtaufbau eine obere Elektrode, eine untere Elektrode und eine zwischen der oberen und unteren Elektrode angeordnete bewegliche Mittelelektrode ausgebildet wird, wobei die Mittelelektrode scheibenförmig ohne stufenförmigen Begrenzungsabschnitt ausgebildet wird und wobei der Schichtaufbau unmittelbar nach der Herstellung der Mittelelektrode mit einer planen Oberfläche ausgebildet wird.
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Bevorzugte Weiterbildungen des mikromechanischen Drucksensorelements sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensorelements zeichnet sich dadurch aus, dass der Schichtaufbau eine Ätzstoppschicht aufweist, wobei ein lateraler Abstand zwischen der Ätzstoppschicht und der Mittelelektrode definiert ausgebildet ist. Auf diese Weise wird eine Elektrodenfläche der Mittelelektrode definiert dimensioniert und eine möglichst große Elektrodenfläche und eine optimierte Sensiercharakteristik des Drucksensorelements bereitgestellt, ohne einen mechanischen Kontakt zwischen der Elektrodenfläche und der Ätzstoppschicht während der Druckmessung befürchten zu müssen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensorelements zeichnet sich dadurch aus, dass der laterale Abstand zwischen der Ätzstoppschicht und der Mittelelektrode der Schichtdicke einer dritten Oxidschicht des Schichtaufbaus entspricht.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensorelements zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der dritten Oxidschicht und der Ätzstoppschicht eine zweite Oxidschicht angeordnet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensorelements zeichnet sich dadurch aus, dass mittels der zweiten Oxidschicht die Mittelelektrode definiert dicker ausgebildet ist als die Ätzstoppschicht.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensorelements zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Oxidschicht und die Ätzstoppschicht nacheinander abgeschieden und in einem Prozessschritt gemeinsam strukturiert worden sind. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Elektrodendicke dimensioniert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensorelements zeichnet sich dadurch aus, dass ein lateraler Abstand zwischen der Ätzstoppschicht und der Mittelelektrode durch ein separates Strukturieren der zweiten Oxidschicht größer ist als eine Schichtdicke der dritten Oxidschicht.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensorelements zeichnet sich dadurch aus, dass mittels einer definierten Schichtdicke der dritten Oxidschicht ein Abstand zwischen der beweglichen Mittelelektrode und der unteren Elektrode definiert ist. Auf diese Weise wird ein Elektrodenabstand zwischen der beweglichen Mittelelektrode und der unteren Elektrode eingestellt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensorelements zeichnet sich dadurch aus, dass mittels einer Schichtdicke einer vierten Oxidschicht ein Abstand zwischen der beweglichen Mittelelektrode und der oberen Elektrode definiert ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensorelements zeichnet sich dadurch aus, dass Schichtdicken der dritten und der vierten Oxidschicht unabhängig voneinander ausgebildet worden sind.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensorelements zeichnet sich dadurch aus, dass Schichtdicken der dritten und vierten Oxidschicht derart sind, dass bei einem Null-Abgleich und/oder in einem Ruhezustand eine Kapazität zwischen der oberen Elektrode und der Mittelelektrode im Wesentlichen gleich einer Kapazität zwischen der Mittelelektrode und der unteren Elektrode ist. Intendiert wird dadurch ein möglichst kleines elektrisches Offsetsignal in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung aus zwei Drucksensorelementen im Ruhezustand (keine Druckmessung), welches elektronisch vorteilhaft nur geringfügig ausgeregelt bzw. kompensiert werden muss.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben darin gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
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In den Figuren zeigt:
- 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines konventionellen mikromechanischen Drucksensorelements;
- 2-15 Darstellungen von Prozessschritten zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Drucksensorelements;
- 16 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Wheatstone'schen Brückenschaltung, die aus einer Verschaltung von Membranen zweier vorgeschlagener Drucksensorelemente realisiert werden kann;
- 17 das elektrische Ersatzschaltbild von 16 in vereinfachter Darstellung; und
- 18 einen prinzipiellen Ablauf zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Drucksensorelements.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Ein Kerngedanke der Erfindung ist eine Herstellung eines verbesserten mikromechanischen Drucksensorelements, das z.B. in Form eines differentialkapazitiven Drucksensors verwendet werden kann.
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Nachfolgend wird unter dem Begriff „Funktionsschicht“ vorzugsweise eine PolySiliziumschicht verstanden. Ferner wird nachfolgend unter dem Begriff „Oxidschicht“ eine SiO2-Schicht verstanden. Denkbar sind auch alternative Zusammensetzungen der genannten Schichten.
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Die Funktionsschichten aus Poly-Silizium können zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit gezielt mit einem standardmäßig in der Halbleitertechnik eingesetzten Dotierstoff versehen sein. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines konventionellen mikromechanischen Drucksensorelements 100. Man erkennt, dass an einer Ätzstoppschicht 4 im Zuge einer Prozessabfolge eine Kante ausgebildet ist, die sich bis in eine mittlere Elektrode weiterpflanzt. Dies geschieht dadurch, dass die Ätzstoppschicht 4 im Prozessablauf strukturiert wird, um die untere Elektrode 3a in einer ersten Funktionsschicht 3 freizulegen. Die Ätzstoppschicht 4 ist zum Zwecke einer Abdichtung zum Kavernenbereich 11a überlappend mit der unteren Elektrode 3a ausgebildet, damit beim ätztechnische Ausräumen des Kavernenbereichs 11a eine erste Oxidschicht 2 nicht angegriffen wird. Auf diese Weise wird eine Topographie erzeugt, die sich in den weiteren Schichtaufbau fortsetzt. Sollen in dem weiteren Schichtaufbau feine, mikrometer- und/oder submikrometergroße Strukturen erzeugt werden, muss in der Regel oberflächlich jeweils ein dünner Fotolack/Fotolackfilm vorgesehen werden, der standardmäßigen in einem Aufspinnprozess aufgebracht wird und an der genannten Topographie ab-/aufreissen kann, wodurch nachteilig Bereiche entstehen, die nicht oder nur unzureichend mit Fotolack bedeckt sind.
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In 1 ist somit ein prinzipieller Aufbau eines konventionellen Drucksensorelements 100 dargestellt. Nachfolgend würde noch eine Opferschichtätzung, ein Verschluss des bzw. der Ätzzugänge für die Opferschichtätzung und eine Herstellung einer Verdrahtungsebene für elektrische Anschlüsse des Drucksensorelements 100 erfolgen. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit sind diese Arbeitsschritte allerdings nicht in den Figuren dargestellt.
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Nachfolgend werden anhand von mehreren Figuren Prozessschritte zum Herstellen eines in obiger Hinsicht verbesserten mikromechanischen Drucksensorelements 100 erläutert. 2 zeigt, dass zunächst eine erste Oxidschicht 2 auf ein Siliziumsubstrat 1 abgeschieden wird, wobei in der ersten Oxidschicht 2 Ausnehmungen erzeugt werden, die die erste Oxidschicht 2 partiell vollständig durchdringen können.
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Danach erfolgt die vollflächige Abscheidung einer ersten Funktionsschicht 3, welche die Ausnehmungen vollständig mit Silizium verfüllt. Mit Hilfe eines Polierschritts (z.B. in Form eines Si-CMP-Schritts) kann die abgeschiedene erste Funktionsschicht 3 wieder derart von der Oberfläche entfernt werden, dass nur in den Ausnehmungen Silizium zurückbleibt und eine plane Oberfläche entsteht. Auf diese Weise können z.B. wenigstens eine untere Elektrode 3a, wenigstens eine Substratkontaktstruktur 3b und/oder wenigstens eine Leiterbahn 3c bereitgestellt werden. Auf die derart vorbereitete Oberfläche wird nun eine Ätzstoppschicht 4 (z.B. SiRiN-Schicht, engl. silicon rich silicon nitride) Schicht abgeschieden und strukturiert. Dabei wird die Ätzstoppschicht 4 im Bereich der Nutzkapazität von der ersten Funktionsschicht 3 entfernt. Dieser freigestellte Bereich ist später zur Ausbildung der unteren Elektrodenstruktur der Differentialkondensatorstruktur vorgesehen. Bei der Entfernung der Ätzstoppschicht 4 ist vorgesehen, dass diese den Randbereich der unteren Elektrodenstruktur definiert überlappt oder zumindest bündig und mediendicht an diesen anschließt.
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Ist dies nicht der Fall, kann bei einem späteren Opferschichtätzprozess ungewollt SiO2 unter der Ätzstoppschicht 4 und/oder der unteren Elektrodenstruktur entfernt werden. Auf diese Weise verhindert die Ätzstoppschicht 4 in Kombination mit der unteren Elektrodenstruktur aus Poly-Si im Kavernenbereich 11a einen Ätzangriff auf die darunterliegende Oxidschicht während eines Opferschichtätzprozesses.
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In der Querschnittsansicht von 2 und 3 erkennt man, dass optional auf die Ätzstoppschicht 4 eine zweite Oxidschicht 5 abgeschieden werden kann, die in einem Ätzprozess zusammen mit der Ätzstoppschicht 4 strukturiert wird. Mit Hilfe dieser zweiten Oxidschicht 5 ist es möglich, die Dicke der späteren Mittelelektrode 7a derart zu dimensionieren, dass deren Dicke größer gewählt werden kann als eine Dicke der Ätzstoppschicht 4. Nach der Strukturierung der zweiten Oxidschicht 5 zusammen mit der Ätzstoppschicht 4 wird eine dritte Oxidschicht 6 abgeschieden, wie in der Querschnittsansicht von 3 angedeutet. Die Dicke der dritten Oxidschicht 6 definiert einen späteren Abstand zwischen der Mittelelektrode und der unteren Elektrode des mikromechanischen Bauelements.
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Wie in 4 erkennbar ist, können nun die zweite und dritte Oxidschicht 5, 6 derart strukturiert werden, dass der dazu verwendete Ätzprozess auf der Ätzstoppschicht 4 stoppt. Auf diese Weise ist es z.B. möglich, zusammen mit nachfolgend noch abzuscheidenden Funktionsschichten, einen Kavernenbereich mit lateralen Ätzstoppstrukturen bzw. -begrenzungen zu definieren und/oder Verankerungsflächen für Verankerungsstrukturen der oberen Elektrodenstruktur und/oder der Membran zu realisieren.
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Anschließend können, wie in 5 angedeutet, Ausnehmungen durch die zweite und dritte Oxidschicht 5, 6 und die Ätzstoppschicht 4 erzeugt werden, bei denen der Ätzprozess auf der ersten Funktionsschicht 3 stoppt. Die auf diese Weise hergestellten Ausnehmungen können zur Herstellung wenigstens eines elektrischen Kontakts zwischen Substratkontaktstrukturen 3b bzw. Leiterbahnen 3c in der ersten Funktionsschicht 3 und Strukturen/Leiterbahnen in einer weiteren Funktionsschicht dienen.
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Alternativ können die Ausnehmungen durch die Ätzstoppschicht 4 zur Herstellung wenigstens eines elektrischen Kontakts zwischen Substratkontaktstrukturen 3b und/oder Leiterbahnen 3c in der ersten Funktionsschicht 3 und Strukturen/Leiterbahnen in einer weiteren Funktionsschicht bereits beim Entfernen der Ätzstoppschicht 4 von der ersten Funktionsschicht 3 im Bereich der Nutzkapazität mit erzeugt werden. Auf diese Weise kann der zuvor beschriebene Ätzschritt entfallen und die erwähnten Kontaktstrukturen bei der Erzeugung der Ausnehmungen in der zweiten und dritten Oxidschicht 5, 6 für laterale Ätzstoppstrukturen bzw. -begrenzungen und/oder Verankerungsflächen für Verankerungsstrukturen der oberen Elektrodenstruktur und/oder der Membran mit freigelegt/erzeugt werden.
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Die Querschnittsansicht von 6 zeigt eine Abscheidung einer zweiten Funktionsschicht 7, mit welcher z.B. auch elektrische Kontakte zu Substratkontaktstrukturen 3b bzw. Leiterbahnen 3c in der ersten Oxidschicht 2 ausgebildet werden können. Nach dem Abscheiden der zweiten Funktionsschicht 7 wird diese mit Hilfe eines Polierprozesses bzw. Planarisierungsschrittes 10 (z.B. CMP-Prozess) 10 derart rückgedünnt, dass der Polierprozess 10 auf der dritten Oxidschicht 6 stoppt und eine plane Oberfläche entsteht, wobei Poly-Si nur noch in zuvor erzeugten Vertiefungen verbleibt, wie in 7 angedeutet. 7 zeigt die dadurch hergestellte plane Oberfläche der zweiten Funktionsschicht 7. Im Ergebnis kann auf diese Weise eine sich in weitere Schichten fortpflanzende Topographie in der späteren Elektrodenstruktur der zweiten Funktionsschicht 7, wie in 1 dargestellt, vermieden werden. Im Ergebnis kann dadurch eine Topographie der Mittelelektrode 7a im Bereich einer Kante der Ätzstoppschicht 4 vermieden werden, wodurch ein Verhaken zwischen der Mittelelektrode 7a und einer Kante der Ätzstoppschicht 4 vorteilhaft vermieden werden kann.
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Durch das Planarisieren mittels des Polierprozesses 10 wird einerseits eine plane Oberfläche geschaffen, die für nachfolgende Lithographie-Prozesse vorteilhaft ist. Zudem wird auf diese Weise die bewegliche Mittelelektrode 7a scheibenförmig ohne stufige Begrenzungsabschnitte bzw. ohne Topographie bereitgestellt.
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Danach wird, wie in den 8 bis 12 angedeutet, eine vierte Oxidschicht 8 abgeschieden und strukturiert, eine dritte Funktionsschicht 9 abgeschieden und strukturiert (in der dritten Funktionsschicht 9 wird die spätere obere Elektrode 9a der Differentialkondensatorstruktur gebildet), eine fünfte Oxidschicht 11 abgeschieden optional planarisiert und strukturiert und letztlich eine vierte Funktionsschicht 12 abgeschieden und strukturiert.
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Über die Strukturierung der vorgehend genannten Schichten kann erreicht werden, dass Poly-Si Leiterbahnen, Kontakte zwischen den einzelnen Polysiliziumschichten bzw. -ebenen bzw. -leiterbahnen, Befestigungs- bzw. Verankerungsbereiche für die Membran und die Elektroden, Zugänge für die Opferschichtätzung im Kavernenbereich unterhalb der Membran, Strukturen zur Befestigung der Mittelektrode an der Membran usw. erzeugt werden können.
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Die 8 und 9 deuten an, dass auf die plane Oberfläche mit der zweiten Funktionsschicht 7 und der dritten Oxidschicht 6 eine vierte Oxidschicht 8 abgeschieden wird, welche einen späteren Abstand zwischen der beweglichen Mittelelektrode 7a und der oberen Elektrode 9a definiert. Die vierte Oxidschicht 8 kann nachfolgend optional zusammen mit der zweiten und dritten Oxidschicht 5, 6 strukturiert werden. Die dabei freigelegten Bereiche können weiter zur Herstellung von elektrischen Kontaktstrukturen und/oder Verankerungsstrukturen dienen. Im darauffolgenden Prozessschritt kann anschließend eine dritte Funktionsschicht 9 abgeschieden, optional planarisiert und derart strukturiert werden, sodass der Ätzprozess auf Teilbereichen der vierten Oxidschicht 8 stoppt, wie in den Querschnittsansichten der 10 und 11 angedeutet.
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Die dritte Funktionsschicht 9 füllt freigelegte Bereiche der vierten Oxidschicht 8 auf und dient unter Anderem zur Erzeugung der oberen Elektrode/Elektrodenstruktur 9a sowie der Herstellung eines Teilabschnitts der Verbindungsstruktur, durch welche die bewegliche Mittelelektrode 7a an der späteren Membran mechanisch und elektrisch angebunden bzw. befestigt wird.
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Anschließend wird, wie in 12 angedeutet, eine fünfte Oxidschicht 11 auf die dritte Funktionsschicht 9 und in darin freigelegte Bereiche abgeschieden, optional planarisiert und anschließend strukturiert. Der verwendete Ätzprozess stoppt dabei auf der dritten Funktionsschicht 9. Danach erfolgt, wie in 13 angedeutet, eine Abscheidung einer vierten Funktionsschicht 12 auf die fünfte Oxidschicht 11 und in darin freigelegte Bereiche. Diese fünfte Funktionsschicht 12 füllt die freigelegten Bereiche der fünften Oxidschicht 11 auf und dient unter Anderem zur Erzeugung der Membran bzw. Membranstruktur sowie der Herstellung eines zweiten Teilabschnitts der Verbindungsstruktur, durch welche die Mittelelektrode 7a an der Membran mechanisch und elektrisch angebunden bzw. befestigt wird.
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Wie in 13 ferner erkennbar ist, kann bei diesem Aufbau ein Abstand der oberen Elektrode 9a zur Mittelelektrode 7a über eine Schichtdicke der vierten Oxidschicht 8 und ein Abstand der beweglichen Mittelelektrode 7a zur untere Elektrode 3a über eine Schichtdicke der dritten Oxidschicht 6, unabhängig voneinander, eingestellt werden.
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Alternativ ist es auch möglich, vor der Abscheidung der vierten Funktionsschicht 12 eine weitere Funktionsschicht abzuscheiden und diese derart zu planarisieren, dass eine plane Oberfläche entsteht und der Polierprozess 10 auf der fünften Oxidschicht 11 stoppt. Durch ein derartiges Auffüllen der Ausnehmungen bzw. Vertiefungen in der fünften Oxidschicht 11 kann z.B. vermieden werden, dass es zu ungewollten Stufen bzw. Topografien im Bereich der Drucksensormembran und/oder deren Einspannung kommt und dadurch z.B. die mechanische Stabilität der Membranstabilität beeinträchtig wird.
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Nach einem Entfernen der Oxidschichten (Opferschichten) aus dem Kavernenbereich 11a und Fertigstellung des Drucksensorelements 100 kann durch die unabhängige Wahl der Dicke der dritten und der vierten Oxidschicht 6, 8 erreicht werden, dass bei einem an der Membran anliegenden Atmosphärendruck oder einem anliegende „Normdruck“ bzw. „Referenzdruck“ eine mittige Lage der beweglichen Mittelelektrode 7a zwischen der oberen und unteren Elektrode 9a, 3a erzielt wird.
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In 13 ist innerhalb des herausgehobenen Bereichs B erkennbar, dass der Abstand d zwischen der späteren Mittelelektrode 7a und der sie umgebenden Ätzkante in der Ätzstoppschicht 4 sowie der optionalen zweiten Oxidschicht 5 durch die Dicke der dritten Oxidschicht 6 vorgegeben ist.
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14 zeigt eine Variante des Drucksensorelements 100, bei der dieser Abstand d im Vergleich zu 13 größer ausgeführt ist. Zu diesem Zweck wird die zweite Oxidschicht 5 nicht zusammen mit der Ätzstoppschicht 4 strukturiert, sondern erst nach der Strukturierung der Ätzstoppschicht 4. Um dabei eine Stufenbildung, wie in 1 gezeigt, am Rand der Mittelelektrode 7a vermeiden zu können, gibt es zwei Möglichkeiten.
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Bei der ersten Möglichkeit wird die zweite Oxidschicht 5 abgeschieden und vor dem Strukturieren mittels eines Polierprozesses 10 derart rückgedünnt, dass ein plane Oberfläche entsteht und die zweite Oxidschicht 5 auf der Ätzstoppschicht 4 die gewünschte Zieldicke besitzt.
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Bei der zweiten Möglichkeit wird eine zusätzliche Oxidschicht abgeschieden und diese mit Hilfe eines Polierprozesses, mit Stopp auf der Oberfläche der Ätzstoppschicht 4, so rückgedünnt, dass auch hier eine plane Oberfläche entsteht und Ätzstoppschicht-freie Bereiche mit Oxidmaterial aufgefüllt werden. Danach wird anschließend die zweite Oxidschicht 5 derart abgeschieden, dass die gewünschte Schichtdicke auf der Ätzstoppschicht 4 entsteht. Im Anschluss daran würde dann die Strukturierung der zusätzlichen und der zweiten Oxidschicht erfolgen und der weitere Schichtaufbau erzeugt.
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Bei dem hier dargestellten differentialkapazitiven Drucksensorelement können somit vorteilhaft plane und beliebig dicke Elektrodenstrukturen ohne störende Stufen, beliebige Abstände zwischen der Mittelelektrode und der oberen und der unteren Elektrode, als auch eine mittige Positionierung der beweglichen Mittelelektrode 7a zwischen der oberen und unteren Elektrode erreicht werden, die einen Abgleich des Drucksensorelements 100 bei einem an der Membran anliegenden „Normdruck“ bzw. „Referenzdruck“ vereinfacht.
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15 zeigt das mikromechanische Drucksensorelement 100 nach Entfernen der Opferoxidschichten im Kavernenbereich 11 a unterhalb der Membran und einem zum Verschließen einer Ätzzugangsöffnung verwendetem Verschlusselement 13. Bei einem an der Membran mit der Mittelelektrode 7a anliegenden Atmosphärendruck und einer sich dabei einstellenden, mittigen Lage der Mittelelektrode 7a zwischen den benachbarten Elektroden 9a, 3a wären die hier eingezeichneten Nutzkapazitäten C11var und C12var gleich groß. Dies ermöglich einen vereinfachten Abgleich des Drucksensorelements 100 auf einen „Normdruck“ bzw. „Referenzdruck“. Auf diese Weise soll ein möglichst kleines elektrisches Offsetsignal generiert werden, welches vorteilhaft nur geringfügig elektronisch ausgeglichen werden muss.
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Die Mittelelektrode 7a kann alternativ scheibenförmig ohne stufenförmigen Begrenzungsabschnitt jedoch auch segmentiert bzw. in Segmente unterteilt und mit Durchgangslöcher versehen ausgeführt sein, wodurch vorteilhaft eine schnellere Ätzung der Opferoxidschichten unterstützt ist.
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In ähnlicher Weise kann auch die obere Elektrode 9a scheibenförmig ohne stufenförmigen Begrenzungsabschnitt und segmentiert bzw. in Segmente unterteilt und mit Durchgangslöcher versehen ausgeführt sein, wodurch eine schnellere Ätzung der Opferoxidschichten unterstützt ist.
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Weiterhin können sich bei dem beschriebenen Aufbau Verankerungsstrukturen für die obere Elektrode und die Membran z.B. auf der Ätzstoppschicht 4 befinden, über Kontaktlochstrukturen mit der Poly-Si-Leiterbahnebene unter der Ätzstoppschicht 4 elektrisch verbunden sein und zudem laterale Ätzstoppstrukturen um den Kavernenbereich 11a bilden. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, ein empfindliches Drucksensorelement 100 herzustellen, das mit einem zweiten, gleich aufgebauten Drucksensorelement, einer Druckkopplung der beiden Kavernenbereiche und einer Verschaltung zu einer Wheatstone'schen Vollbrücke eine maximal empfindliche Druckmessung unterstützt.
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Der besseren Übersicht halber wurde in der 15 auf die Darstellung einer zusätzlichen Verdrahtungsebene zum elektrischen Anschluss der Elektrodenstrukturen verzichtet. Nach dem Verschließen einer Ätzzugangsöffnung durch das Verschlusselement 13 kann weiter mit Standardverfahren wenigstens eine zusätzliche Verdrahtungsebene geschaffen werden und Komponenten zum elektrischen Anschluss der Elektrodenstrukturen erzeugt werden.
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Das mit dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellte mikromechanische Drucksensorelement 100 kann z.B. wie vorgehend erläutert, ein kapazitiver Drucksensor sein. Denkbar sind auch andere, nicht in Figuren dargestellte Realisierungsformen des vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements 100, wie z.B. Mikrofon, piezoresistiver Drucksensor, Beschleunigungssensor, Drehratensensor, usw.
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Die 16, 17 zeigen beispielhaft eine elektrische Verschaltung zweier differentialkapazitiver Drucksensoren in einer Wheatstone'schen Vollbrückenanordnung, wobei jeweils der linke Abschnitt ein erstes vorgeschlagenes Drucksensorelement 100 repräsentiert und der rechte Abschnitt jeweils ein mit dem ersten Drucksensorelement 100 elektrisch verschaltetes zweites Drucksensorelement 100.
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18 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Drucksensorelements 100.
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In einem Schritt 200 erfolgt ein Bereitstellen eines Substrats 1.
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In einem Schritt 210 erfolgt ein Bereitstellen eines auf dem Substrat 1 angeordneten Schichtaufbaus, wobei für den Schichtaufbau eine obere Elektrode 9a, eine untere Elektrode 3a und eine zwischen der oberen und unteren Elektrode angeordnete bewegliche Mittelelektrode 7a ausgebildet wird, wobei die Mittelelektrode 7a scheibenförmig ohne stufenförmigen Begrenzungsabschnitt ausgebildet wird und bei der Herstellung der Mittelelektrode eine ganzflächig plane Oberfläche erzeugt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018222712 A1 [0002]
