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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrosystems
mit einer in einem Halbleitersubstrat strukturierten, integrierten
Schaltung und wenigstens einer mikromechanischen Struktur.
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Stand der Technik
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Mikrosysteme
der gattungsgemäßen Art
sind bekannt. Diese weisen üblicherweise
eine in einem Halbleitersubstrat angelegte integrierte Schaltung sowie
wenigstens eine mikromechanische Struktur, die feste und/oder bewegliche
Elemente umfassen kann, auf. Bekannt ist, Elemente der mikromechanischen
Struktur gegebenenfalls elektrisch mit der integrierten Schaltung
zu verbinden, so daß zwischen der
integrierten Schaltung und der mikromechanischen Struktur eine elektrisch
leitende Verbindung besteht, die eine Einbindung der integrierten
Schaltung in eine Ansteuer schaltung und/oder Auswerteschaltung für die mikromechanische
Struktur gestattet.
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Um
ein derartiges Mikrosystem zu erhalten, sind verschiedene Herstellungsverfahren
bekannt. So werden beispielsweise das Halbleitersubstrat mit der
integrierten Schaltung und die mikromechanische Struktur auf zwei
separaten Chips hergestellt, die anschließend gefügt und mittels Drahtbondtechnik
elektrisch leitend verbunden werden. Bekannt ist ferner ein Verfahren,
bei dem die mikromechanische Struktur unmittelbar auf das die integrierte
Schaltung aufweisende Halbleitersubstrat aufgebracht wird. Hierbei
werden die festen und/oder beweglichen Elemente der mikromechanischen
Struktur mittels galvanischer Metallabscheidung in einer Polymermaske aufgebracht.
Hierdurch ist für
mikromechanische Strukturen kein zusätzlicher Flächenbedarf auf dem Chip erforderlich,
und die Prozesse zur Erzeugung der integrierten Schaltung und der
mikromechanischen Struktur können
unabhängig
voneinander realisiert werden. Jedoch ist nachteilig, daß durch
die Verfahren von Metallstrukturen untypische Prozesse der Halbleitertechnologie,
wie beispielsweise Galvanik, Sputterdeposition auf Polymerschichten
erforderlich sind. Darüber
hinaus führt
das Fügen
von relativ dicken Metallstrukturen (mikromechanische Strukturen)
und Halbleitermaterialien (integrierte Schaltungen) aufgrund ihrer
deutlich unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zu starken thermischen Verspannungen, die eine fehlerfreie Funktion
des Mikrosystems beeinträchtigen
können.
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Aus
der
DE 44 14 968 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrosystems bekannt, bei dem
sowohl die integrierte Schaltung als auch die mikromechanischen
Strukturen mittels aus der Strukturierung von Halbleitermaterialien
bekannten Verfahrensschritten erzeugt werden. Hierbei werden die
mikromechanischen Strukturen und die integrierte Schaltung auf einem
Halbleitersubstrat (Chip) parallel angelegt, so daß die Prozessierung
der integrierten Schaltung mit der Prozessierung der mikromechanischen
Strukturen gekoppelt ist. Hierbei ist neben dem erhöhten Flächenbedarf,
da die mikromechanischen Strukturen und die integrierten Schaltungen
nebeneinander angelegt werden, ferner nachteilig, daß die Prozessierung
der integrierten Schaltung und die Prozessierung der mikromechanischen Strukturen
nicht unabhängig
voneinander optimierbar sind, da diese miteinander verknüpft sind.
So wird durch das quasi gleichzeitige beziehungsweise parallele
Prozessieren der integrierten Schaltung und der mikromechanischen
Strukturen ein beiden Prozessierungen gerecht werdender Kompromiß notwendig.
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Die
Druckschrift
EP 0102069
A2 zeigt eine Vorrichtung mit einem mikroelektronischen
und einem mikromechanischen Teil, welche teilweise übereinander
angeordnet sind. Die Druckschrift
DE
43 32 843 C2 zeigt einen Verfahrensschritt in der Laserbehandlung
zur Rekristallisation von Silizium. Dieser Verfahrensschritt findet
am Anfang eines Prozesses zur Herstellung einer mikroelektronischen
Struktur Anwendung.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den
Vorteil, daß in
einfacher Weise eine voneinander unabhängige Optimierung der Prozessierung der
integrierten Schaltung und der mikromechanischen Strukturen möglich ist.
Dadurch, daß die
wenigstens eine mikromechanische Struktur nachträglich auf das die fertig prozes sierte
integrierte Schaltung aufweisende Halbleitersubstrat strukturiert
wird, können
diese unabhängig
voneinander erzeugt werden. Durch diese Unabhängigkeit können, ohne Rücksicht
auf die Prozessierung der integrierten Schaltung, beliebige mikromechanische
Strukturen erzeugt werden. Die Prozessierung des gesamten Mikrosystems
wird einfacher handhabbar, da dieses in zwei Teilprozessierungen
aufgeteilt ist, die jeweils für
sich optimierbar sind. Insbesondere läßt sich hierdurch eine höhere Ausbeute
an prozessierten Mikrosystemen erzielen, da durch die zwei Teilschritte
die Handhabung der Prozesse vereinfacht wird. Ferner wird es möglich, einen
Flächenbedarf
des Mikrosystems zu reduzieren, da aufgrund der nacheinanderfolgenden
Prozessierung der integrierten Schaltung und des mikromechanischen
Systems die Möglichkeit
besteht, diese übereinander
anzuordnen. Gegenüber
den bekannten Prozessen, bei denen die mikromechanischen Strukturen
mittels galvanischer Metallabscheidungen ebenfalls oberhalb der
integrierten Schaltungen erzeugbar sind, treten keine thermischen
Ausdehnungsprobleme auf, da durch die Verwendung von Halbleitermaterialien,
sowohl für die
integrierte Schaltung als auch für
die mikromechanischen Strukturen, die thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der integrierten Schaltung und der mikromechanischen Strukturen
im Wesentlichen gleich sind.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß auf den
die integrierte Schaltung aufweisenden Halbleitersubstraten wenigstens
eine Kontaktmetallisierung aufgebracht wird, über die die elek trische Verbindung
zwischen der integrierten Schaltung und der mikromechanischen Struktur
erfolgt. Hierdurch lassen sich in einfacher Weise definierte Anschlußpunkte
zwischen der integrierten Schaltung und der mikromechanischen Struktur
erzeugen, die durch die nachfolgende Strukturierung der mikromechanischen
Strukturen in diese zur elektrischen Kontaktierung mit eingebunden
werden können.
Die Lage der wenigstens einen Kontaktmetallisierung kann gleichzeitig
zur justierten Erzeugung der mikromechanischen Strukturen auf dem
die integrierte Schaltung aufweisenden Halbleitersubstrat herangezogen
werden.
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Ferner
ist bevorzugt, daß die
mikromechanischen Strukturen durch Aufbringen einer Opferschicht
und nachfolgendem Erzeugen wenigstens einer Polysiliziumschicht
erzeugt werden, wobei die Opferschicht zumindest bereichsweise unterhalb
der wenigstens einen Polysiliziumschicht entfernbar ist, so daß bewegliche
mikromechanische Strukturen entstehen. Diese Prozesse sind an sich
bekannt und in einfacher Weise in einer Massenproduktion und somit
kostengünstig
beherrschbar. Insbesondere ist bevorzugt, daß auf die Opferschicht hochdotiertes amorphes
Silizium abgeschieden wird, das vorzugsweise mittels einer Plasmaabscheidung
aufgebracht wird und anschließend
mittels einer Laserbestrahlung eine Rekristallisierung und eine
elektrische Leitfähigkeit
eingestellt wird. Hierdurch läßt sich
insbesondere durch Einstellung von Parametern der Laserbestrahlung,
insbesondere einer Bestrahlungszeit, Bestrahlungsintensität, Bestrahlungswellenhöhe die elektrische
Leitfähigkeit
von Berei chen der mikromechanischen Struktur exakt einstellen, ohne
daß eine
Beeinträchtigung
der bereits prozessierten integrierten Schaltung erfolgt.
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Ferner
ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß zur Erzeugung
mehrlagiger mikromechanischer Strukturen in aufeinanderfolgenden
Prozeßschritten
wenigstens zwei Schichten aus amorphem Silizium aufgebracht werden,
die jeweils einer Laserbestrahlung unterzogen werden. Hierdurch
lassen sich vorteilhafterweise mehrlagige, beispielsweise dreidimensionale
mikromechanische Strukturen erzeugen, wobei durch die nacheinanderfolgende
Prozessierung die einzelnen Schichten dieser Strukturen unterschiedliche
Eigenschaften, beispielsweise unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten,
eine unterschiedliche mechanische Spannung oder dergleichen aufweisen
können.
Dies erfolgt vorzugsweise durch Wahl unterschiedlicher Halbleitermaterialien
für die
einzelnen Schichten und/oder unterschiedlicher Dotierstoffkonzentrationen
während der
Abscheidung der einzelnen Schichten und/oder einer unterschiedlichen
Parameterwahl bei der Laserbehandlung.
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Ein
darart hergestelltes Mikrosystem bietet den Vorteil, daß aufgrund
gleicher Prozessierungsschritte bei der nacheinanderfolgenden Herstellung der
integrierten Schaltung und der wenigstens einen mikromechanischen
Struktur, ein lediglich geringer Platzbedarf auf einem Halbleitersubstrat
notwendig ist und durch die gleichen Materialeigenschaften sich die Einsatzmöglichkeiten
eines derartigen Mikrosystems, beispielsweise auch in temperaturbelasteten Bereichen,
verbessern. Infolge der im wesentlichen gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten
des die integrierte Schaltung aufweisenden Halbleitersubstrats sowie
die darauf angeordneten mikromechanische Strukturen können diese
auch in relativ hochtemperaturbelasteten Bereichen, beispielsweise
in Kraftfahrzeugen, eingesetzt werden.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen,
in den Unteransprüchen
genannten Merkmalen.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung durch ein Mikrosystem in einer ersten
Ausführungsvariante
und
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2 eine
schematische Schnittdarstellung durch ein Mikrosystem in einer zweiten
Ausführungsvariante.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Mikrosystem schematisch
dargestellt. Das Mikrosystem 10 umfaßt einen Elektronikteil 12 sowie
einen Mechanikteil 14. Der Elektronikteil 12 umfaßt eine
integrierte Schaltung 16, die auf einem Halbleitersubstrat 18 strukturiert
ist. Die Strukturierung der integrierten Schaltung 16 kann
beispielsweise mittels eines MOS-Prozesses, insbesondere mittels
eines CMOS-Prozesses
erfolgen. Hierdurch lassen sich bekanntermaßen digitale und gemischt analog/digitale
Schaltungen erzeugen, die sich durch eine hohe Packungsdichte auszeichnen.
Die integrierte Schaltung 16 besitzt beispielsweise einen
Eingangstransistor, dessen Source mit S, dessen Drain mit D und dessen
Gate mit G bezeichnet ist. Dieser Eingangstransistor dient der Ankopplung
des Mechanikteiles 14 an den Elektronikteil 12.
Hierzu ist die Source S mit einer Kontaktmetallisierung 20 verbunden.
Die Verfahrensschritte der Herstellung der integrierten Schaltung 16 sind
allgemein bekannt, so daß im
Rahmen der vorliegenden Beschreibung hierauf nicht näher eingegangen
werden soll. Bei der Strukturierung der integrierten Schaltung 16 ist
die Kontaktmetallisierung 20 so anzuordnen, daß eine spätere Kontaktierung
mit dem Mechanikteil 14 erfolgen kann.
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Zur
Herstellung des Mikrosystems 10 wird auf den fertigprozessierten
Elektronikteil 12 eine Opferschicht 22 abgeschieden.
Die Opferschicht 22 besteht beispielsweise aus Siliziumoxid
SiO2. Die Opferschicht 22 wird
in einem Layout aufgebracht, das im Bereich der Kontaktmetallisierung 20 eine
Maskenöffnung
aufweist, so daß die
Kontaktmetallisierung 20 nicht mit der Opferschicht 22 bedeckt
ist. Die Opferschicht 22 kann beispielsweise als Plasmaoxid mittels
einer APCVD(atmospheric Pressure chemical vapor deposition)-Abscheidung
aufgebracht werden. Nach einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Opferschicht 22 durch
Aufschleudern einer flüssigen Oxidschicht
(Spin-an-Glas) aufgebracht werden. Bei beiden möglichen Verfahren treten Prozeßtemperaturen
auf, die circa 400°C
nicht überschreiten,
so daß der
bereits prozessierte Elektronikteil 12 keine negative thermische
Beeinflussung erfährt.
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In
einem nächsten
Verfahrensschritt wird auf die Opferschicht 22 eine Schicht 24 aus
einem hochdotierten, amorphen Silizium aufgebracht. Dies erfolgt
beispielsweise mittels einer Plasmaabscheidung bei einer Temperatur
von kleiner 400°C,
so daß wiederum
eine thermische Beeinträchtigung
des Elektronikteils 12 ausgeschlossen ist. Da im Bereich der
Kontaktmetallisierung 20 keine Opferschicht 22 angelegt
wurde, wird die Siliziumschicht 24 im Bereich der Kontaktmetallisierung 20 bis
zu dieser abgeschieden.
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In
einem nächsten
Verfahrensschritt wird die hochdotierte, amorphe Siliziumschicht 24 einer
hier angedeuteten Laserbehandlung 26 unterzogen. Die Laserbehandlung 26 erfolgt
mit wählbaren
Prozeßparametern,
die insbesondere die Einstellung einer Intensität des Laserlichtes und einer
Behandlungsdauer sowie die Wahl einer Wellenlänge des verwendeten Laserlichtes
betreffen. Bekanntermaßen
erfolgt mittels der Laserbehandlung 26 von hochdotiertem,
amorphem Silizium 24 eine Rekristallisierung innerhalb
der Siliziumschicht 24, so daß diese in eine Polysiliziumschicht
umgewandelt wird. Durch die Laserbehandlung 26 wird oberflächennah
durch Photonenabsorption eine hohe Energiedichte eingekoppelt, die
das amorphe Silizium oberflächlich
aufschmilzt und hierbei mittels Flüssigphasenabscheidung ein Kornwachstum
stattfindet, das zu der polykristallinen Struktur der Schicht 24 führt. Gleichzeitig erfolgt
eine Aktivierung der Dotierungsstoffe innerhalb der Schicht 24,
so daß diese
eine hohe elektrische Leitfähigkeit
erhält. Über die
dann elektrisch leitfähige
Siliziumschicht 24 erfolgt eine Ankopplung an die integrierte
Schaltung 16, da die Schicht 24 mit der Kontaktmetallisierung 20 elektrisch
leitend verbunden ist. Die Laserbehandlung 22 erfolgt beispielsweise
mit einem Licht mit einer Wellenlänge λ von 308 nm, einer Pulszeit
tp von 50 ns. Hierdurch wird eine Oberflächentemperatur
auf der Siliziumschicht 24 von größer 1400°C erreicht, die zur Einkopplung
der hohen Energiedichte notwendig ist. Das Halbleitersubstrat 18 und
somit die integrierte Schaltung 16 wird hierbei mit einer
Temperatur von kleiner 250°C belastet,
so daß negative
thermische Auswirkungen auf die integrierte Schaltung 16 ausgeschlossen sind.
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In
einem nächsten
Verfahrensschritt wird die Oberfläche 28 der nun polykristallinen
Siliziumschicht 24 geglättet,
beispielsweise mittels eines chemisch-mechanischen Polierens, mit
dem sich völlig
plane Oberflächen
erreichen lassen. Nachfolgend wird in der polykristallinen Siliziumschicht 24 wenigstens
eine mikromechanische Struktur 30 erzeugt (gestrichelt
ange deutet). Die Strukturen 30 lassen sich mittels bekannter
anisotroper Silizium-Ätzungsverfahren
erzielen, bei denen nach entsprechender Maskierung Trenchgräben oder
dergleichen aus der polykristallinen Siliziumschicht 24 herausgelöst werden
können.
Die aus Siliziumoxid bestehende Opferschicht 22 dient hierbei
als Ätzstop
und schützt
somit die integrierte Schaltung 16. Nach erfolgter Strukturierung
der mikromechanischen Strukturen 30 wird die Opferoxidschicht 22 durch
isotropes naßchemisches Ätzen entfernt.
Hierdurch werden zwischen der polykristallinen Siliziumschicht 24 und
der integrierten Schaltung 16 Freiräume erzielt, die eine bewegliche
Anordnung von mikromechanischen Strukturen 30 über dem
Elektronikteil 12 des Mikrosystems 10 gestatten.
Derartig beweglich angeordnete mikromechanische Strukturen 30 werden
beispielsweise als Sensoren oder Aktoren eingesetzt. Durch die elektrische
Leitfähigkeit
der polykristallinen Siliziumschicht 24 und somit der mikromechanischen Strukturen 30 und
deren Ankopplung an die integrierte Schaltung 16 über die
Kontaktmetallisierung 20 können diese in eine Ansteuer-
und/oder Auswerteschaltung des Mikrosystems 10 einbezogen
werden. Beispielsweise bei elektrostatisch antreibbaren mikromechanischen
Strukturen 30 oder kapazitiven Auswertemitteln, bei denen
die mikromechanischen Strukturen 30 mit der Oberfläche der
integrierten Schaltung 16 eine Kapazität bilden, lassen sich integrierte
Mikrosysteme 10 erzielen.
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Anhand
des Ausführungsbeispieles
wird deutlich, daß nach
Abschluß der
Prozessierung des Elektronikteils, das heißt der integrierten Schaltung 16,
der Mechanikteil 14 ebenfalls mittels Verfahrensschritte
der Silizium-Halbleitertechnologie strukturiert wird. Der Mechanikteil 14 wird
quasi dem Elektronikteil 12 aufgesetzt, so daß durch
diese additive Technik kein zusätzlicher
Flächenbedarf
für den
Mechanikteil 14 besteht. Insbesondere kann die Erzeugung des
Mechanikteils 14 vollkommen unabhängig von der Prozessierung
des Elektronikteils 12 erfolgen, wobei lediglich an geeigneter
Stelle die wenigstens eine Kontaktmetallisierung 20 vorzusehen
ist. Elektronikteil 12 und Mechanikteil 14 lassen
sich so unabhängig
voneinander optimieren, wobei insbesondere die einzelnen Prozeßschritte
an die gewünschten
Eigenschaften des Elektronikteils 12 und des Mechanikteils 14 angepaßt werden
können,
ohne daß auf den
jeweils anderen Teil Rücksicht
zu nehmen wäre. Durch
die Verwendung von Halbleitermaterialien für den Mechanikteil weist dieser
einen im Wesentlichen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
wie der Elektronikteil 12 auf, so daß negative mechanische Einflüsse zwischen
dem Elektronikteil 12 und dem Mechanikteil 14 nahezu
ausgeschlossen sind. Insbesondere, wenn der Mechanikteil 14 als
bewegliche Strukturen 30 Membranen umfaßt, beispielsweise bei Drucksensoren,
oder seismische Massen, bei Beschleunigungssensoren, ist eine Eliminierung mechanischer
Einflüsse
zwischen dem Elektronikteil 12 und dem Mechanikteil 14 eminent
wichtig.
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In
der 2 ist ein Mikrosystem 10 in einem weiteren
Ausführungsbeispiel
gezeigt, wobei gleiche Teile wie in 1 mit gleichen
Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert sind. Das Mikrosystem 10 gemäß 2 baut
auf dem anhand von 1 beschriebenen Mikrosystem 10 auf.
Zusätzlich
sind auf die Siliziumschicht 24, nachdem diese rekristallisiert,
poliert und strukturiert wurde, weitere Siliziumschichten 32 und 34 aufgebracht.
Die Schichten 32 und 34 werden ebenfalls als hochdotierte,
amorphe Siliziumschichten aufgebracht und analog zu dem in 1 erläuterten
Verfahren rekristallisiert, poliert und strukturiert. Hierbei kann
eine Schichtdicke der Siliziumschichten 24, 32 und 34 unterschiedlich
gewählt
sein. Ferner kann gleichzeitig eine Dotierstoffkonzentration in
den Schichten 24, 32 und 34 unterschiedlich
sein. Schließlich
ist auch die Laserbehandlung zur Rekristallisation der Siliziumschichten 24, 32 oder 34 mit
unterschiedlichen Parametern durchführbar. Durch die zur Verfügung stehenden Kombinationsmöglichkeiten
können
so mehrlagige mikromechanische Strukturen 30 erzeugt werden. Insbesondere
durch unterschiedliche Strukturierung der mikromechanischen Strukturen 30 in
den Siliziumschichten 24, 32 und 34 lassen
sich dreidimensionale Strukturen, beispielsweise Aktuatoren, Motoren, smart
mechanical tools, in einfacher Weise mittels Verfahren der Silizium-Halbleitertechnologie
erzielen. Über
die Dotierstoffkonzentration kann eine elektrische Leitfähigkeit
zwischen den einzelnen Schichten 24, 32 und 34 eingestellt
beziehungsweise gegebenenfalls verhindert werden. In den Schichten 24, 32 und 34 sind
jeweils nur schematisch unterschiedlich strukturierte mikromechanische
Strukturen 30 angedeutet, die jeweils durch separates anisotropes Ätzen der
einzelnen Schichten 24, 32 und 34 in
ihrer Geometrie und Dimensionierung auslegbar sind. Insbesondere
kann auch durch eine unterschiedliche Schichtdicke und/oder eine
unterschiedliche Dotierstoffkonzentration in den Schichten 24, 32 und 34 eine
gezielte Beeinflussung des mechanischen Spannungszustandes des Mechanikteils 14 erfolgen. So
läßt sich
beispielsweise eine mechanische Vorspannung von beweglich angeordneten
mikromechanischen Strukturen 30 erzielen.
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Die
Erfindung beschränkt
sich selbstverständlich
nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele.
So sind einerseits auch Mechanikteile 14 mit zwei oder
mehr als drei nacheinander abgeschiedenen Siliziumschichten 24, 32 und 34 möglich. Ferner kann
ein Mikrosystem 10 mehrere unabhängig voneinander zusammenwirkende
integrierte Schaltungen 16 und mikromechanische Strukturen 30 aufweisen.